一种新型除雪除冰车的设计*

王 亮，雷亚江，林小军，牛玉艳，贾海深

(1.兰州工业学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州电源车辆研究所有限公司，甘肃 兰州 730050)

我国疆域辽阔，公路运输是不可或缺的交通运输方式。冬季我国北方地区降雪较多，易产生大面积的积雪，持续的低温气候使得道路积雪结冰，极易发生交通事故或交通拥堵，导致人们出行不便。我国也一直致力于探索高效、环保的除雪融冰措施。目前，我国采取的除雪措施主要有人工除雪、机械除雪、融雪剂除雪、电热法除雪等方法[1]。人工除冰雪是最原始的除冰雪方式，可以彻底干净地清除冰雪，但其劳动强度大且效率低下，尤其是大量人员在道路上作业，影响交通通行及工作人员人身安全。融雪剂除雪主要是通过向路面上的积雪喷撒融雪剂，降低雪的熔点，使其易于融化来达到除雪的目的。在除雪作业中使用融雪剂可以在一定程度上有效清除冰雪，但费用大，长期大量使用不但会腐蚀车辆底盘，缩短公路、桥梁寿命，而且还会对周边环境造成污染，因此，就未来发展趋势看，融雪剂的使用将会受到越来越严格的限制，使用量及使用范围将非常有限[2-3]。热力除雪包括地热管法、红外加热法、导电混凝土法[4]等。地热管法是利用地热融雪的方法，但加热管道建设安装过程复杂，很难进行推广使用。红外加热法在实际使用过程中被逐渐验证不适合应用于道路除冰除雪，主要原因是地面升温缓慢，效率低下。导电混凝土法的工作原理是通过在普通混凝土中添加合适的导电材料，使混凝土具有良好的导电性，利用电热效应使路面温度升高，达到除冰雪的效果，此种方法混凝土制作工艺复杂，价格贵，难以推广使用[5]。不同的除雪除冰方法各有利弊，因此设计一种除雪除冰效率高、对道路损伤小、使用方便、操作简单的除雪除冰设备就很有必要了。

1 新型除雪除冰车的整体结构

新型除雪除冰车主要有载具(二类汽车底盘)、发电机组、液压系统、液压缸、平动机构、风筒组件、方舱、电气控制等几部分组成[6]。整体结构如图1所示。载具的作用是作为移动平台，可以运载整个设备行驶在各个道路中，提高设备的灵活性。方舱是容纳发电机组、液压组件、平移机构、风筒等部件，在平时不使用设备时，起到防风防雨防尘的作用。发电机组是给整个系统运行提供电力，是整个设备的能源中心。液压系统是给平移机构的运动施加载荷。平动机构可以实现风筒从方舱中伸出和回收。风筒组件是把高速高温气体吹向地面实现除雪除冰。

图1 除雪除冰车结构图

2 除雪除冰车的工作原理

除雪除冰车的工作原理如下：发电机机组是由柴油机和发电机组成，柴油机起动后带动发电机转动，输出交流电，给整个系统运行提供电力，油箱给柴油机供油。控制系统实现整个系统启停、各个部件的工作。当需要除雪除冰时，液压控制系统给液压缸发出动作信号，活塞杆伸出，推动风筒组件伸出车厢。然后，电气控制系统给风筒组件发出启动信号，风筒组件启动，吹出高速高温气体，融化道路冰雪，实现除雪除冰。整个机构运动简图如图2所示。

图2 除雪除冰机构运动简图

运用机械原理知识，计算整个机构运动的自由度：

n=8，PL=11，

F=3n-2PL-PH=3×8-2×11=2

整个机构的自由度是2，需要2个原动件驱动，整个机构才能有确定运动，而在整个机构中，只有液压缸一个原动件，机构没有确定运动，因此需要对整个机构施加额外的控制才能有确定的运动[7]。

3 主要部件的工作原理

3.1 平动机构(变胞机构)的工作原理

平动机构的组成如图3所示，主要有液压缸、电磁铁1、电磁铁2、挂架、连杆1、V形连杆、衔铁、水平槽钢等部分组成。平动机构工作过程分为2个：一是机构的伸出动作，二是机构的回收动作。机构的伸出动作原理如下：水平槽钢与通电电磁铁1相互吸引，使得整个平行四边形机构静止不动，变为机架的一部分，液压系统通过控制液压泵给液压缸输入液压油，活塞伸出，带动V形连杆，连杆1运动，进而推动挂架相对于水平槽钢移动，使风筒组件伸出车厢外。当挂架运动到一定位置时，挂架上的电磁铁2与水平槽钢上的衔铁接触，两者在电磁力的作用下互相吸引，挂架和整个平行四边形机构变为一个整体，同时在电气控制系统互锁电路的作用下[8]，电磁铁1断电，与水平槽钢分离。活塞杆继续伸出，整个平行四边机构及风筒组件伸出车厢，结构变成如图4所示。

图3 平动机构结构

图4 风筒伸出车厢图

在电磁铁1和电磁铁2分别作用时，整个平动机构的组成会发生变化，包括自由度数目和组成机构的构件数目，是一种变胞机构[9]。变胞机构是指机构若在运动过程中其自由度、活动构件数或机构的结构能发生变化，意指具有类似生物学的胚胎演变或细胞重构的特性，可实现不同工作状态对机构构型的不同要求，具有高度的结构折叠和自重构特点。在电磁铁1作用时，水平槽钢与电磁铁相互吸引成为一体，这时平行四边形机构的3个杆固定，变为机架的一部分，机构运动简图如图5所示。

计算机构的自由度，机构自由度F=1，机构有确定的运动：

n=5，PL=7，

F=3n-2PL-PH=3×5-2×7=1

当电磁铁2工作时，挂机架和水平槽钢固定连接，电磁铁1断电，整个运动机构的简图变为如图6所示，计算机构自由度，机构自由度F=1，机构有确定的运动：

n=7，PL=10，

F=3n-2PL-PH=3×7-2×10=1

图6 电磁铁2工作时机构运动简图

当电磁铁1和电磁跌2分别工作时，机构的组成会发生变化，构件数也会不同。如果不采用变胞机构，就要添加一个液压缸来推动挂架的移动，导致设计和制造成本的增加，整体重量的增加，液压控制系统也会变复杂。

3.2 风筒组件的工作原理

风筒是整个除雪除冰车的关键，结构组成主要有3部分：风扇、壳体和PTC发热组件(见图7)。工作时，风扇先启动，发热组件后启动，发热组件产生的高温热量经由风扇吹出的高速气流带出，吹向地面，融化地面的冰雪[10]，实现除雪除冰功能。

图7 风筒结构组成

4 结语

新型除雪除冰车的设计结合了电气、液压和机械等多个学科的知识。以移动电源车为载具，通过吹风机似的风筒组件实现快速除雪除冰。设计中应用SolidWorks软件的三维设计功能，对整个设备的空间部件进行初步设计。整个设备结构设计合理，构件组成变化的机构自由度与原动件数量相等，机构能够正确运动。新型除雪除冰的设计可以为特种设备开发企业提供技术的参考，为开发新的设备提供思路。