南方行道树除雪设备的设计与研究

摘 要：基于对南方冬季普遍存在的行道树积雪问题进行深入的研究思考，考察了现实当中积雪对于行道树的压垮情况。根据收集的信息和模型进行了行道树除雪设备的原理性设计，并且制作出初步的设计模型，用于清理我国南方的行道树积雪清理。

关键词：行道树；积雪清理；自动化；使用说明

在现代都市中，行道树作为道路两边的绿化已经越来越普遍，在我国南方载种的行道树基本上以香樟等常绿乔木为主。这类树木具有树冠大、树茎高大等特点。在近几年湖州冬季屡屡受到极寒天气的影响，行道树经常会出现被积雪压塌的情况，造成了不小的损失，而此款设备就能解决这个问题，它能够有效的进行行道树的积雪清理，防止过度积雪对行道树产生伤害，从而避免了人们因上述原因而造成的一些损失。

同时，它也避免了一些不必要的困难，可以将设备固定安装在皮卡等移动设备的后面，可以随着车辆的移动而且移动，有效避免了移动产生的困难，可以非常方便的处理积雪，同时它也可以适应不同高度不同需求的树木，减少了人工操作产生的困难和不便。

1 功能简介

除雪设备通过固定在移动车辆上，通过传感器来确定树木树冠的高度，通过内部电路系统来调节输出电路上的电机旋转角度。通过三组电机和电位器的协作来带动内部的机械结构，将扫雪的圆盘送到树冠高度，再驱动扫雪圆盘将树冠上的积雪扫落下来。实现行道树积雪处理的自动化处理，有效解决了人工处理积雪危险性大，效率低下的问题。即解决了行道树积雪这一现实生活中的实际问题。

2 “智能窗”的主要结构

3 “智能窗”的物理原理

3.1 行道树树冠高度调节系统

利用了三自由度的机械臂系统来调节清扫转盘的高度。即利用用大扭力减速电动机带动曲杆结构，同时带动结构上的电位器同步旋转，以确定旋转的角度，以反馈控制机械臂的高度。电路部分利用电位器的反馈和对于树冠高度判断进行运动，当电机打开时减速电机运动控制机械臂的运动，自动将清扫的盘子上升到树冠高度，感应器感应到树冠时反馈给控制电路，控制电路防止电路再次返回。

3.2 震动除雪扫雪结构

利用摆轮组、圆柱直线导轨、减速电机等组合成一个圆盘扫雪除雪装置，利用转动的圆盘和圆盘上的扫雪刷子可以将树冠上的積雪清理下来，而内置的摆轮则可以很好的给与刷子一个周期性的震动，可以有效防止刷子和树枝纠缠以及雪的积累。同时，电路部分利用电位器来感应减速电机的状态，当感应到有树枝纠缠时便会停止电动机，利用加大震动其内部机械结构的运动，完成解开树枝纠缠的作用。

4 “智能除雪设备”模型的制作方法

（1）利用三维软件设计绘图，确定尺寸和内部结构。

（2）①自动控制系统：在依据实际的需求，设计出基本的电路控制。依靠于数字电路设计基本电路，利用arduino作为控制器，逐步搭建控制器系统、上位机程序、驱动部分模块以及传感器反馈。最后连接12v电源以及降压模块，调试程序功能。

②机械部分制作：按照强度结构将 零件分为三组：第一组强度结构比较小用3d打印去制作，另外一部分结构强度比较大用铝合金加工制作。第三部分易损耗用高碳高进行cnc加工防止磨损。组装调试。

（3）连接电路。

5 使用说明

（1）安装好后，设备处于待机状态；

（2）使用时，按下使用开关，控制电路件开始发出指令，电机启动；

（3）传感器测量树冠高度，电位器返回数据，电机根据实际情况来控制电机转动；

（4）有高度偏差时，允许人工参与校准，调节电机高度，高度合适时，电子控制元件开始发出指令，电刷开始运动，开始自动除雪；

（5）无需除雪时，机械臂均可折叠收纳。

6 相关拓展

随着我国经济的快速发展，道路交通也越来越成为经济发展的基础，行道树无论作为绿化装饰还是平时隔离消声的作用都日渐增强。保持道路空气新鲜，拥有健康的道路驾驶环境也越来越成为现代人的共识。然而在现在的生活中，极端天气的几率不断增加，行道树被积雪压垮的新闻屡见不鲜。为道路交通部门的运作增加了负担和道路安全增加了不确定因数。

本文介绍的除雪设备可以利用一般的卡车承载，利用汽车自身电能为此款除雪设备提供能源，有效提高了道路维护的效率。减少了安全隐患和维护成本。

此款智能窗主要是针对城市道路交通开发的一种功能专一的产品，其具有非常强大的需求。在现在的城市中对于此问题的处理仍出于空白阶段，依靠人工除雪效率低、成本高。供需处理不平衡，仍需要进行大量的处理才能完成。而此设备可有效的完成处理积雪，为道路安全提供了保障。

参考文献：

[1]黄华梁，彭文生.机械设计基础.高等教育出版社，2001.

[2]杨芳春.电机传动.高等教育出版社，1995.

作者简介：傅子耀（2005-），男，浙江湖州人，浙江省杭州市杭州二中白马湖学校初一学生。

指导老师：呼格吉乐（1980-），男，蒙古族，内蒙古通辽人，高级实验师，工程硕士学位，湖州师范学院省级物理实验教学示范中心，从事物理实验教学与物理教学仪器开发；王一超（1996-），男，汉族，浙江绍兴人，湖州师范学院物理系大三学生。