基于振动力学与智能物联的柔性除雪薄膜设计

李志龙 陈嘉欣 赵一帆 粟小艳 朱宇

摘 要：北方寒冷地区，冬季降雪会造成屋顶被积雪覆盖，而且积雪难以清除。基于此，本文提出设计一种基于振动力学与智能物联的柔性除雪薄膜。其间从除雪机理、结构功能的实现等方面进行系统分析，并将其与传统常规的除雪方法和除雪设备进行了对比。结果表明，相对于常规的除雪设备，该设计具有功耗低、结构稳定性高、使用及维护成本低、实用性高等优势。

关键词：除雪薄膜;振动力学;智能物联;除雪设备

中图分类号：U418文献标識码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0049-04

Abstract： In cold northern areas， snowfall in winter will cause the roof to be covered with snow， and the snow is difficult to remove. Based on this， this paper proposed to design a flexible snow removal film based on vibration mechanics and intelligent IoT. In the meantime， systematic analysis was carried out from the aspects of snow removal mechanism， structural function realization， etc.， and it was compared with traditional conventional snow removal methods and snow removal equipment. The results show that compared with conventional snow removal equipment， this design has the advantages of low power consumption， high structural stability， low use and maintenance costs， and high practicability.

Keywords： snow removal film;vibration mechanics;intelligent IoT;snow removal equipment

近年来，温室气体大量排放，导致全球变暖，自然灾害频发，在冬季，与降雪有关的城市次生灾害事件逐渐显露，降雪造成的损失日渐突出，严重影响城市经济生活的正常运转。与降雪相伴而生的另一个问题是除雪，每年人们会花费大量精力进行除雪。目前，屋顶除雪仍面临着除雪方法原始，除雪设备体积大、能耗高、可靠性低等问题[1]。针对这些问题，本文提出了一种基于振动力学与智能物联相结合的柔性除雪薄膜装置，这种设计可在保证除雪效率的同时，极大地降低工作能耗，减小整体体积，提高结构稳定性。

1 除雪机理对比

1.1 传统除雪方案及优缺点

根据不完全市场调查数据及实际调查走访得知，当前市面上的屋顶除雪方案主要有以下几类：电动机械型、抽吸与吹气型、利用重力型、化学杂质型等。除雪器大致有以下几种：传送带除雪器、热水或暖气管道导热或电加热膜蒸发除雪器、拱形或尖顶屋顶自动滑落除雪器、类似汽车雨刮的除雪器、化学融雪盐融雪器[2]。接下来详细分析其中几类常见的屋顶除雪器。

1.1.1 电动机械类。北京农业机械研究所、京鹏环球温室工程技术有限公司曾针对北方地区冬季温室屋顶积雪，设计并研制了一款整体传输式温室屋顶除雪装置。其利用电机与传动装置协同刮雪器、幕布进行机械式除雪[3]，外形与结构如图1和图2所示。

这种屋顶除雪器具有高效及时、结构稳定、运行费用低等优点。但其缺点也较为显著，该种除雪器体积和重量大，运行功率与前期架设成本高，应用领域窄。

1.1.2 融雪解决方案。人们可以采用太阳能热水器融雪法和暖气融雪法除雪，热水阵列管道和暖气阵列管道分别如图3、图4所示[4-5]。太阳能热水器融雪法是在屋顶铺设细小的阵列管道，利用太阳能热水器辅助提供热源，使雪块分解融化流落至地面。暖气融雪法同太阳能热水器融雪法类似，铺设类似于地暖形式的矩阵暖气管道系统，接通城市供暖系统，利用暖气提供热源，融化积雪，达到除雪效果。

太阳能热水器融雪法具有突出的优点，冬季阳光充足地区前期一次铺设热水管道，后期几乎可以做到零费用运行。该种方法在暴风雪和夜晚降雪天气可以很好地提供除雪服务。但是，夜晚出现暴雪天气或数日连续降雪时，太阳能无法提供热水源，必须采用电热水器供热，将消耗大量能源。暖气融雪法同样存在缺陷，为了达到较好的导热效果，其需要使用铜管或金属片进行导热，前期需要花费较大投入铺设管道，后期运行期间需要使用大量暖气，运行费用较大。

1.2 振动式除雪装置原理及结构

由于雪具有较强的黏附性，且室内温度较室外高，因此雪花最初落至屋顶时会先融化为液态水，填充于粗糙材料表面的坑洼缝隙，然后迅速同随后飘落的雪花结合凝固成冰，以至于由大量雪花堆叠而成的雪块与屋顶外表面相互粘黏，使其具有较大的阻力，难以根据自身重力随屋顶斜面滑落。

1.2.1 除雪原理。根据上述技术难点，本文提出以下屋顶除雪原理：对雪与除雪装置的接触面进行加热，使接触面形成液体润滑膜，降低阻力系数[μ]，即降低雪的黏附性，减小整体摩擦阻力[μF];通过振动马达对雪块施加一组垂直于除雪装置的X轴和Y轴的高频交变作用力，在交变力的作用下，雪块所受阻力大小以及方向时刻变化，雪块将始终处于受力不平衡状态，但雪块重力G在Y轴的分力Gy未发生改变，即雪块将在重力Gy的作用下顺屋顶斜面滑落，从而起到除雪效果，雪块受力示意图如图5所示。

1.2.2 结构设计。振动式除雪装置采用模块化夹层式结构设计，包括振动模块层、加热模块层、导热层、压力传感器模块层、温度传感器模块层、连接各种元件与不同模块的柔性电路层、起到控制作用的外部微处理器与物联通信模块、用于支撑装置结构的中层框架材料。本设计选用扁平式偏心转子马达为除雪提供动力输出。

该除雪装置各模块的相同元件采用矩阵式排列，不同模块层通过柔性电路连接，除导热层，其他各层不同模块均镶嵌于框架材料（具体材料为环氧树脂，通过浇筑方法填充于不同模块层和元件的空隙中，待环氧树脂凝固后起到框架支撑作用）中。整体结构如图6所示。

2 柔性除雪薄膜设计

2.1 工作过程

首先，柔性除雪薄膜由控制程序进行自我诊断，然后其上搭载的传感器采集环境数据，将数据信息传至控制模块，经由控制模块判断，为振动模块和辅助加热模块下达工作指令，辅助加热模块加热融化接触面积雪，振动模块振动除雪。柔性除雪薄膜装置的工作流程如图7所示。

2.2 各模块工作原理

2.2.1 自我诊断程序。通过控制各个模块的启动并结合多个传感器，对各模块进行诊断，同时校准传感器与判断程序。

2.2.2 判断程序。主要通过温度传感器检测环境温度、判断是否降雪，压力传感器检测积雪厚度。由多个交叉判断程序判定是否启动除雪功能。

2.2.3 辅助加热模块。其包括加热薄膜及导热层，加热薄膜将短时持续加热使接触面雪块融化，并在雪块与薄膜的接触界面形成一层低摩擦系数的液体薄膜，降低雪块下落时的摩擦力。

2.2.4 振动除雪模块。其包括多个振动马达，振动马达在短时间内提供横向与轴向的高频往复振动力，振动力破坏屋顶雪块原本的受力平衡状态，屋顶斜面使雪块在自身重力的作用下逐渐从屋顶滑落。

2.2.5 温度传感器。温度传感器采用DS18B20数字测温芯片，并使用单总线多节点分路，同时测量温度数据，对多个节点所测温度取均值，得出当前环境温度。

2.2.6 压力模块。压力传感器使用压敏电阻式应变片，应变片将采用多节点全桥接方式与除雪薄膜材料紧密贴合。当除雪装置上方覆盖积雪时，雪块压迫薄膜材料，使材料自身产生微小形变。应变片测力模块将实时感知和检测薄膜材料的微小形变并由其形变程度计算出当前积雪厚度。

2.2.7 复检测。当柔性除雪薄膜完成一次除雪工作后，将回到初始低功耗工作状态进行自我诊断，且始终检测环境变化。

2.3 动作关系

2.3.1 自我诊断程序中各傳感器与模块之间的动作关系。首先，逐一启动压力传感器，诊断各压力传感器故障情况，并获取第1压力状态（用于判断是否存在积雪重物的零点压力）。然后，短暂逐一启动全部振动马达，诊断各振动马达的故障情况，且压力传感器同时获取振动马达工作过程以及停止振动后的压力动态变化，并对比第1压力状态，校准积雪厚度初态值。随后，逐一启动温度传感器，获取第1环境温度（用于判断环境温度是否满足结冰条件的零点温度），然后逐一短暂启动辅助加热模块，温度传感器获取温度的动态变化，待温度趋于定值，再与第1环境温度进行比对，校准温度初值。

2.3.2 除雪工作模式下辅助加热模块与振动模块的动作关系。先启动辅助加热模块，然后启动振动模块，加热模块和振动模块交替间断启动，直至完成除雪工作。加热模块快速升温至预设定值，随后间断加热使温度维持在预值。矩阵排列的振动马达逐列间断高频振动，以接近雪块材料的共振频率。

3 运用成效

柔性除雪薄膜可以解决机械类除雪装置结构复杂、体积质量大、结构稳定性差、能耗高、适用场景应用领域狭窄的问题;同时解决热能类除雪方案中出现的除雪功能响应不及时、除雪能量输出大小无法调节、除雪效果较慢、后期维护成本较大等问题。这为各种斜面类除雪除尘需求提供一种新的解决思路，在部分领域（如温室大棚、机翼除冰除雪、光伏发电板除沙除尘）将带来一定的经济价值.

4 应用前景

本产品可适用于东北高纬度地区冬季大量积雪以及中部地区冬季屋顶冻雨结冰的场景，而且同样适用于常见的平板或弧形瓦片屋顶、公寓住宅屋顶、工厂板房的塑料铁皮材质屋顶等。对于新建住宅厂房，可将除雪装置嵌入原有的屋顶材料中;对于已建成的房屋，可将外部形状较好的除雪装置贴合安装于屋顶上。此外，柔性除雪薄膜还可应用于温室大棚除雪、光伏太阳能板除尘除雪、民航客机机翼除雪除冰等领域，在各种使用场景下都具有较高的潜在价值。

5 结语

为了快速清理冬季屋顶积雪，本文设计了一种基于振动力学与数字化智能控制的柔性除雪薄膜。其间从结构、电机振动频率、功率选配等方面进行分析，并结合常规除雪装置对比优缺点;然后用CATIA软件进行三维建模（见图8），并且完成实体模型（见图9）的搭建，使人直观地感受柔性除雪薄膜的特点。分析结果表明，柔性除雪薄膜能够克服传统除雪装置的大部分缺点，在工作能耗、安全性、操作智能化和产品实用性等方面有着较大的性能提升。

参考文献：

[1]张启君.国外除雪设备发展情况概述[J].建设机械技术与管理，2008（3）：63-66.

[2]胡海英.国内除雪方式探讨及除雪机械的发展趋势[J].林业机械与木工设备，2011（5）：8-9.

[3]周增产，龙智强，李秀刚，等.整体输送式温室屋顶除雪装置的研制[J].农业工程学报，2004（2）：239-241.

[4]于晓明，李向东，王莉莉，等.热水集中供暖系统设计与安装[J].暖通空调，2008（1）：103-109.

[5]朱林，孙炜钰，杨金钢.串联平板微热管太阳能集热器阵列的性能研究[J].北方建筑，2020（2）：45-48.