新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)設(shè)計(jì)

1、新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)設(shè)計(jì)牛虎利鄭帥杰趙自更張嘉鉉摘要：為了解決由積雪引起的彩鋼瓦屋頂坍塌現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一 種新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)。提出了推移式除雪和隔熱保溫的 總體設(shè)計(jì)方案，制定了除雪和隔熱保溫工藝路線，對除雪機(jī) 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣機(jī)測試和控制設(shè)計(jì)等。使用UG軟件對 除雪機(jī)進(jìn)行三維建模；采用ANSYSWorkbench對零件進(jìn)行有限 元分析，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性；采用西門子S-200SMARTPLC作 為核心控制器，完成控制原理圖設(shè)計(jì)，及驅(qū)動(dòng)裝置、人機(jī)交 互設(shè)備和各類傳感器選型。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的除雪機(jī)可以 實(shí)現(xiàn)彩鋼瓦屋頂?shù)淖郧诔?，與人工相比效率高、安全性高、 操作方便，并無除雪不均的問題出現(xiàn)。除雪

2、機(jī)的設(shè)計(jì)改變了 傳統(tǒng)人工除雪方式，其結(jié)構(gòu)可靠、容易操作、效率較高，可 為其他斜屋頂?shù)淖詣?dòng)除雪提供一種新的解決方案。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)其他學(xué)科；彩鋼瓦；積雪；除雪 機(jī)；UG；ANSYSWorkbench中圖分類號(hào)：TH12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.7535/hbgykj. 2022yx03006 Designofanewtypeofsnowremoverforthecolorsteeltilero of及任務(wù)開始時(shí)間T2,即執(zhí)行時(shí)間進(jìn)程除雪程序，當(dāng)PLC判斷 當(dāng)前時(shí)間TT2時(shí)，當(dāng)前任務(wù)停止。在整個(gè)工作過程中若除雪 裝置觸碰兩端行程開關(guān)，則停止運(yùn)行，并改動(dòng)報(bào)警指示燈。 3實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證民房（彩鋼瓦

3、房屋）結(jié)構(gòu)大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不易記錄。本樣機(jī)實(shí) 驗(yàn)采用小型彩鋼瓦房屋進(jìn)行除雪機(jī)平臺(tái)搭建，如圖13所示。同時(shí)也進(jìn)行了除雪模擬實(shí)驗(yàn)，如圖14和圖15所示。除雪實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。通過表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，一次除雪過程所用時(shí)間平均約為 25.548s,下行階段用時(shí)平均約為10.218s,上行階段用時(shí)平 均約為15.33s,除雪前積雪標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為15kg,除雪后回收 除掉的積雪和小部分融水質(zhì)量平均為14.14kg,除雪率約為 94. 27%o實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)非常好，本除雪機(jī)設(shè)計(jì)可行。在彩鋼瓦屋頂除雪時(shí)，人工由于操作困難，一次工作時(shí)長約 為lh,通常上午和下午各1次除雪;而除雪機(jī)一次工作時(shí)長 約為25. 548s,可

4、以進(jìn)行24h作業(yè)，綜合對比除雪機(jī)的效率 高、操作方便、安全性高。4結(jié)語本文對積雪引起彩鋼瓦房屋坍塌現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新型彩鋼 瓦屋頂除雪機(jī)，該除雪機(jī)面對暴雪天氣可以及時(shí)自動(dòng)清理屋 頂?shù)姆e雪，從而避免了積雪對房屋的破環(huán)，解決了傳統(tǒng)人工 除雪的危險(xiǎn)度高、效率低以及夜間除雪局限性等問題，同時(shí)該除雪機(jī)增加了保溫功能，保證了室內(nèi)保溫隔熱的功能。1）完成了新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)的整體設(shè)計(jì)。通過技術(shù)需求制定了該除雪機(jī)的工藝方法，制定了除雪機(jī)構(gòu)、滑輪組機(jī) 構(gòu)、保溫機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)繪制了整體除雪機(jī)的結(jié)構(gòu)模 型和控制系統(tǒng)。對該除雪機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件進(jìn)行了 理論設(shè)計(jì)計(jì)算以及有限元分析。新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)的研

5、 究設(shè)計(jì)推動(dòng)了除雪行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，解決了傳統(tǒng)人工操作方 式，實(shí)現(xiàn)了彩鋼瓦屋頂自動(dòng)除雪。2）增添了保溫功能，在無降雪天氣，將保溫層鋪展到屋面,可以很好地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)保溫隔熱的功能。3）通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得出除雪率達(dá)到94. 27%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了 該結(jié)構(gòu)的可行性且達(dá)到了實(shí)際使用效果。為除雪行業(yè)的發(fā)展 提供了一個(gè)新的方向，具有良好的應(yīng)用價(jià)值意義。但是本文中研究的除雪機(jī)還有不足，仍要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)：1）新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對關(guān) 鍵零部件進(jìn)行檢測以滿足使用要求，但是還要對文中未檢測 的機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；2）設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，通過手動(dòng)操作觸摸屏來除雪，還需要添加降雪檢測模塊，來完成自動(dòng)檢

6、測降雪并除雪;3）在進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中，除雪功能達(dá)到了使用要求，還需要為暴露在外界的機(jī)械結(jié)構(gòu)增添保護(hù)殼，以延長使用壽命。參考文獻(xiàn)/References：陳鐵，陳愛玉，張樹民，等.南通地區(qū)強(qiáng)降雪和積雪深度 預(yù)報(bào)研究J.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2022, 35 (14)： 109-114.GHENTie, CHENAiyu , ZHANGShumin ,etal. PredictionofheavysnowfallandsnowdepthinNantong _J. ChineseAgriculturalScienceBulletin, 2022, 35 (14)： 109-114.都一蕾，陳晴晴，阮舒婷，等

7、.一種多功能除雪裝置J. 南方農(nóng)機(jī)，2022, 50 (24)： 123.譚憶秋，徐慧寧，張弛，等.除雪的老方法和新技術(shù)J. 中國公路，2022 (3)： 58-63.張佳，張宇濤，肖萍，等.除雪機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J. 機(jī)械工程師，2022 (7)： 31-32.ZHANGJia , ZHANGYutao , XIAOPing , etal. Statusanddevelopmenttrendofsnowremoverequipmen tJ. MechanicalEngineer, 2022 (7)： 31-32.趙麗麗.推掃一體式散雪除雪機(jī)研制J.中國新技術(shù)新 產(chǎn)品，2022 (14)： 1

8、08.孫玉鳳，介石磊.拋揚(yáng)式除雪機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)J.河南 科技，2022 (7)： 146-147.郝志勇，鄧作鵬，劉偉，等.新型溫室除雪機(jī)在農(nóng)業(yè)溫室 中的應(yīng)用研究J.黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022 (1)： 128-132. HAOZhiyong , DENGZuopeng , LlUWei , etal. Researchontheapplicationofnewgreenhousesnowblo werinagriculturalgreenhouseJ. HeilongjiangAgricult uralSciences, 2022 (1)： 128-132.吳佳雋.掃雪機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)J

9、.內(nèi)燃機(jī)與配件, 2022 (5)： 224-226.劉立斌，鄧金城，楊志，等.彩鋼廠房屋面光伏電站除雪 機(jī)器人探討D1科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2022 (32)： 153-155.楊陽.除雪橫組合除雪裝置的設(shè)計(jì)D.大慶：東北石油 大學(xué)，2022.YANGYang. TheDesignoftheCombinationDeviceoftheSnowBl owerD. Daqing： NortheastPetroleumUniversity, 2022.董守凱，李嘉悅，喬美月.寒冷地區(qū)住宅建筑外圍護(hù)結(jié) 構(gòu)節(jié)能技術(shù)研究J.綠色環(huán)保建材，2022 (9)： 43.李復(fù)懿，尹莉，鐘懿，等.纖維繩與鋼絲繩在起重機(jī)起

10、 升中的使用技術(shù)對比研究J.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2022, 31 (10)： 59-64.LIFuyi , YINLi , ZHONGYi , etal. Comparisonofoperationtechnologyaboutfiberropea ndwireropeforhoistinginthecraneJ. ConstructionMach ineryTechnologyManagement, 2022, 31 (10)： 59-64.崔鑫.犁式除雪機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究D.鄭州：鄭州大 學(xué),2022.CUIXin. ResearchonKeyTechnologiesforSnowplow

11、TrucksDe signD. Zhengzhou： ZhengzhouUniversity, 2022.何高興.一種卷揚(yáng)裝置的卷筒軸設(shè)計(jì)改進(jìn)J.機(jī)械工程 師,2022 (3)： 113-114.陳紅霞,王超，郭陽陽，等.基于ANSYS/LS-DYNA的小 型螺旋式除雪機(jī)拋雪葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化J.制造業(yè)自動(dòng)化， 2022, 37 (4)： 98-101.CHENHongxia , WANGChao , GUOYangyang , etal. Structureoptimizationofsnowthrowingbladeofsmal lspiralsnowplowbasedonANSYS/LS-D

12、YNAJ. Manufacturin gAutomation, 2022, 37 (4)： 98-101.NIUHuli, ZHENGShuaijie, ZHAOZigeng, ZHANGJiayu TOC o 1-5 h z (CollegeofMechanicalEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnology, Shijiazhuang, Hebei050018, China)Abstract:Inordertosolvethecollapseofcolorsteeltileroofcaused bysnowaccumulation,an

13、ewtypeofcolorsteeltileroofsnowremoverwasdesigned. Theoveralldesignschemeforslidingsnowremovalandtherm alinsulat ionwasputforward,thesnowremovalandthermalinsulationprocessroutewasfo rmulated ,andthestructuredesign ,prototypetestandcontroldesignofthesnowremoverwereca rriedout. UGsoftwarewasusedtocarry

14、outthree-dimension almodelingofthesnowremover. ANSYSWorkbenchwasusedtop erformfiniteelementanalysisonthepartstochecktherati onalityofthedesign. SiemensS-200SMARTPLCwasusedasthe corecontrol1ertocompletethedesignofthecontrolschema tiediagram , andtheselectionofdrivingdevices , human-computerinteractio

15、nequipmentandvarioussensors .Theresultsshowthatthedesignedsnowremovercanrealize automaticsnowremovalofthecolorsteeltileroofwhichismoreefficient,saferandeasiertooperatethanmanualoperation,andthereisnounevensnowremovalproblem. Thedesignofthe snowremoverhaschangedthetraditionalmanualsnowremova Imethod,

16、 anditsstructureisreliable , easytooperate , andhighlyefficient. Itcanprovideanewsolutionfortheau tomaticsnowremovalofotherinclinedroofs.Keywords：mechanicaldesignofotherdisciplines； colorsteeltile； s nowac cumu1at i on；snowremover；UG；ANSYSWorkbench 暴雪作為冬春季最重要?dú)庀鬄?zāi)害之一1,對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 巨大影響，積雪重量過大，極容易造成房屋倒塌的事故發(fā)

17、生。 同時(shí)冰雪融化時(shí)，在房檐結(jié)成冰錐，危及行人安全。屋頂除 雪使用撒鹽、融雪劑等2-4方法，效果均不明顯。目前常 用的有效措施是使用鏟子除雪，但鏟子尖銳部分具有損壞屋 面的保護(hù)膜，從而降低屋面使用壽命。對于斜屋頂（斜頂棚） 的除雪工作而言，人工攀爬除雪，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還具有極 大的危險(xiǎn)性。如圖1所示。趙麗麗5研制了推掃一體式散雪除雪機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、 操作方便、成本低廉的優(yōu)勢，滿足不同地區(qū)的除雪需要。孫 玉鳳等6在分析國內(nèi)外除雪機(jī)原理的基礎(chǔ)上，提出了一種 拋揚(yáng)式除雪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，集成了切削、集中、推移 和拋投等多種功能。郝志勇等7為解決屋面積雪壓塌溫室 問題，設(shè)計(jì)了一種新型溫室除雪機(jī)，該

18、設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡單、除雪 效率高、便于安裝。在此基礎(chǔ)上，本文借鑒類似除雪設(shè)備的 結(jié)構(gòu)和除雪方式，設(shè)計(jì)了一種新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)，解決 了斜屋頂除雪作業(yè)中存在的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全隱患等問題，可 為彩鋼瓦屋頂提供一種高效、低成本的除雪設(shè)備8。1彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)方案設(shè)計(jì)1. 1工作原理新型彩鋼瓦屋頂除雪機(jī)采用推移式除雪，除凈率較高9-10 o 在工作中，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)繩索實(shí)現(xiàn)除雪機(jī)構(gòu)升降，清 理屋頂積雪。保溫隔熱性能對室內(nèi)居住起至關(guān)重要的作用 11,因此除雪設(shè)備還增添了保溫功能。在無雪天氣，利用 保溫機(jī)構(gòu)將保溫層覆蓋屋頂，起到冬暖夏涼效果。由于除雪 機(jī)在彩鋼瓦屋頂上作業(yè)，對其有明確要求，具體設(shè)計(jì)要求如 下

19、：1）能在彩鋼瓦屋頂上正常行走;2）能將屋頂積雪清理 干凈;3）可自動(dòng)化式完成除雪作業(yè)。1.2設(shè)計(jì)要求能夠穩(wěn)定地完成不同時(shí)間段除雪工作，實(shí)現(xiàn)接收降雪信號(hào)的 精準(zhǔn)控制;保證除雪率高、移動(dòng)方便、穩(wěn)定性好；同時(shí)增加保 溫裝置，保證冬暖夏涼的效果。具體參數(shù)要求如表1所示。1. 3工藝方法和結(jié)構(gòu)組成全天隨時(shí)工作，無雪天氣，啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)繩索使保溫層鋪展開來；降雪天氣，設(shè)備接收到指令收起保溫層，根據(jù)積雪達(dá) 到20cm厚度啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)繩索進(jìn)行除雪，具體組成部分如 圖2所示。2理論計(jì)算和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，按照民房尺寸設(shè)計(jì)，除雪機(jī)采用拼接式安裝。 除雪機(jī)由除雪機(jī)構(gòu)、滑輪組機(jī)構(gòu)、保溫機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)

20、機(jī)構(gòu)組成。 其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由固設(shè)于屋體墻壁上的電機(jī)組成，滑輪組機(jī)構(gòu) 由安裝于彩鋼瓦屋頂?shù)幕?、?牽引繩以及第2牽引繩組 成。通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出軸卷繞牽引第1牽引繩12, 帶動(dòng)除雪機(jī)構(gòu)和保溫機(jī)構(gòu)在彩鋼瓦屋頂向上滑動(dòng)；通過電機(jī) 的反轉(zhuǎn)，電機(jī)的輸出軸卷繞牽引第2牽引繩，帶動(dòng)除雪機(jī)構(gòu) 和保溫機(jī)構(gòu)在彩鋼瓦屋頂向下滑動(dòng)。如圖4所示，除雪機(jī)構(gòu)由雪鏟、鋁型材支架、導(dǎo)軌、滑塊、 回轉(zhuǎn)軸承組成。鏟雪部分采用拼接型犁式雪鏟13,每個(gè)雪 鏟依據(jù)角件安裝于鋁型材支架上，可調(diào)整雪鏟在鋁型材支架 上的位置；導(dǎo)軌依據(jù)彩鋼瓦屋頂?shù)膬A斜角度傾斜安裝于屋頂 上；滑塊滑動(dòng)設(shè)置于所述導(dǎo)軌上；回轉(zhuǎn)軸承增加了除雪機(jī)構(gòu) 自由度，解決

21、除雪過程卡頓問題，設(shè)置于所述滑塊上，并與 鋁型材支架連接。如圖5所示，保溫機(jī)構(gòu)采用卷筒式保溫層14。保溫機(jī)構(gòu)由 保溫層、特制軸承座、小鋼管組成。保溫棉卷的一端與輻子 相連，保溫棉卷的另一端與鋁型材支架的一端相連。保溫棉 卷繞過小鋼管保持屋面貼合。在除雪機(jī)構(gòu)位于彩鋼瓦屋頂?shù)?下沿時(shí)，依靠重物的重力將保溫棉卷牽引平鋪于斜屋頂?shù)纳?部。2. 2運(yùn)動(dòng)分析雪鏟接觸面與彩鋼瓦屋面緊密相連，利用電機(jī)提供動(dòng)力推動(dòng) 雪鏟將浮雪從彩鋼瓦屋面清除。因此，對彩鋼瓦屋面除雪機(jī) 的摩擦系數(shù)、浮雪密度、浮雪厚度、作業(yè)速度等因素進(jìn)行分 析與計(jì)算。1)下行階段要滿足的條件：鋼絲繩拉力F1與屋頂所受壓力G要大于下 行階段摩擦力f

22、與保溫裝置拉力F2,圖6為下行階段受力示 意圖。分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)下行運(yùn)動(dòng)，滿足以下關(guān)系：Fl+Gcos 0 F2+f,其中：G=g (M1+M2), f=uGsin 0 , F2=gM3,式中：g為重力加速度(m/s2) ；M1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量(kg) ；M2 為積雪質(zhì)量(kg) ； u為摩擦系數(shù)；。為屋頂夾角( ) ;M3 為保溫機(jī)構(gòu)重物質(zhì)量(kg)。轉(zhuǎn)矩T1計(jì)算：T1=F1D2,式中D為轉(zhuǎn)軸直徑(m)o2)上行階段要滿足的條件：鋼絲繩拉力F1與保溫裝置拉力F2要大于上 行階段摩擦力f與屋頂所受壓力G,圖7為下行階段受力示 意圖。分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)下行運(yùn)動(dòng)，滿足以下關(guān)系：Fl+F2Gcos

23、9 +f,其中：G二gMl, f=uGsin0 , F2=gM3,式中：g為重力加速度(m/s2) ；M1為執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量(kg) ； U 為摩擦系數(shù)；。為屋頂夾角( ) ;M3為保溫機(jī)構(gòu)重物質(zhì)量(kg)o轉(zhuǎn)矩T2計(jì)算：T2-F1D2,式中D為轉(zhuǎn)軸直徑(m)o根據(jù)以上分析與實(shí)際條件相結(jié)合，確定各式中變量為g=9. 8m/s2, u =1. 4, 0=60 , Ml=15kg, M2=6kg, M3=5kg,D=0. 03mo根據(jù)以上參數(shù)和給出的公式，分別計(jì)算出下行階段和上行階 段轉(zhuǎn)矩：Tl=2.94N/m, T2=3. 05N/mo2. 3雪鏟支撐架選型與校核考慮到雪鏟等零件需要支撐結(jié)構(gòu)，綜合因

24、素選用鋁型材作為 支架。通過鋁型材手冊選用GB4040型號(hào)鋁型材。目前，對 仿真模型進(jìn)行靜態(tài)有限元分析的軟件中ANSYS具有較高的穩(wěn) 定性與準(zhǔn)確性15,利用ANSYSWorkbench對鋁型材支架進(jìn) 行校核分析，網(wǎng)格劃分，雪鏟支撐架整體變形、應(yīng)力圖如圖 8和圖9所示。由圖8可知，鋁型材支架最大變形發(fā)生在中間位置，最大變 形量為0. 019619mm,遠(yuǎn)小于允許最大變形量1mm,滿足設(shè)計(jì) 要求。由圖9可知，鋁型材支架最大應(yīng)力發(fā)生在兩端，最大應(yīng)力為 2. 3611MPa,遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力180MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。2. 4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)屋頂自動(dòng)除雪機(jī)控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、人機(jī) 交互界面（HMI）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器