双绞龙式屋顶冰雪清除装置的设计

谢 静，龚可祎，吴何畏

（湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053）

引言

我国冬季来临时，大部分地区会有3～5个月的降雪期，降雪后若不及时清理积雪，积雪会使屋顶的负重加大，甚至可能导致安全事故。同时，积雪会发生“夜冻昼化”现象，这种现象所产生的破坏应力会使墙体钢筋疲劳强度降低，从而影响房屋的使用寿命。现阶段我国屋顶除冰雪最普遍的方式就是人工除冰雪，即单纯人工作业或人工借助小型的除冰雪工具进行清除冰雪，这些方式效率低下，且存在一定的危险性，同时也无法及时清除积雪[1-2]。在机械除冰雪领域，由于国内冰雪清除机械研发起步较晚，目前多用于道路清除冰雪，产品类型和功能单一，只能专用于除冰或除雪，而屋顶冰雪清除机械才刚起步，技术尚不成熟。虽然国外屋顶除冰雪机械种类齐全，但大部分是大型除冰雪机械。采用在工程车辆上安装除冰雪设施，设备结构复杂，造价昂贵，不能被广泛应用[3-4]。本文设计了一款能够实现在暴雪天气下，自动清除屋顶冰雪的装置，该装置具有适用于现有房屋结构，破冰除雪一体化作业，自动化程度较高，冰雪清除效率高等特点。

1 设计方案

双绞龙式屋顶冰雪清除装置总体结构图如图1所示，主要由双绞龙冰雪清除机构、履带式行走机构、背负式机架、仿形刮雪铲、传动行程限位装置和STM32F103RCT6单片机控制系统等组成。

图1 总体结构图

双绞龙式屋顶冰雪清除装置工作原理。背负式机架采用铰链连接，使得冰雪清除装置可改变工作角度，使其可安装于不同的屋顶；绞龙由电机驱动，在皮带和皮带轮的传动下同步旋转。同时绞龙叶片边缘设置有可拆卸的破冰刀；履带式行走机构位于机架的下方，带动冰雪清除装置移动；在运行过程中，双绞龙和刮雪铲组合，可实现破冰除雪一体化作业；当传动行程限位装置接触到屋脊两边挡板后，控制系统控制履带式行走机构反向运动，冰雪清除装置反向工作，实现往返除雪[5-6]。

2 双绞龙冰雪清除机构

绞龙固定在屋顶的两边，采用皮带和皮带轮传动。绞龙的刃口曲线采用阿基米德螺旋曲线，并在叶片上设置了可拆卸的螺旋排列的破冰刀，旋转的螺旋装置兼有清除和推送功能。该滑切入雪的工作方式，工作平稳，可减少功率消耗，降低清除冰雪阻力，减少振动，如下页图2所示。

图2 双绞龙式冰雪清除机构图

3 刮雪铲的设计

仿形刮雪铲依靠装置前进的动力将绞龙与屋顶之间积雪铲起，刮雪铲铲体呈仿锤状，与挡雪板之间通过铰链连接，刮雪铲在重力的作用下自然下垂，且预设有扭簧接头，在遇到障碍物时刮雪铲的边缘会自动弹起，增加了装置的适应性。积雪由于受自身重力的影响，具有沿着铲体向下滑移的趋势。同时铲体的设计应尽可能使积雪远离房屋堆置。

铲面形状为渐开线型，渐开线的参数方程为：

式中：r为基圆半径，mm；α∈[0，2π]。

经计算，当刮雪铲的上曲面的切线方向与竖直方向的夹角呈75°时，可有效控制清除冰雪过程冰雪颗粒飞溅的范围。如图3所示。

图3 刮雪铲设计结构图

4 履带式行进机构的设计

该机构通过电机驱动，在屋顶表面行进。采用该机构不需要对屋顶进行大幅度的改造，即可完成对冰雪清除装置的支撑；且可有效降低对屋面造成损害[7]。当行程限位装置接触到屋脊两边挡板后，自动换向，实现往返除雪。如图4所示。

图4 履带式行走机构

5 控制系统

该设计是基于单片机的控制系统，整个系统由STM32F103RCT6单片机系统、双绞龙式屋顶冰雪清除装置机械装置、积雪厚度感应系统、显示屏等组成。在雨雪天时，系统通电，当积雪厚度达到预定值时，积雪感应系统检测到信号，传递给单片机，装置启动，刮雪铲将雪铲起，绞龙将雪从屋顶送下；冰雪清除装置沿屋面移动，当传动行程限位装置接触到屋脊两边挡板后，系统控制电机反转，冰雪清除装置开始反向运动，从而达到往返运动除雪的目的；当积雪厚度降到预定值以下时，装置自动返回，处于待机状态。按下停止运行按钮即可停止装置，见图5。

图5 冰雪清除机工作流程图

为了保证除雪安全，装置整体运行平稳可靠，系统软件须设计保护，以保证程序的可靠性，确保软件错误率最小，且当程序出错时，仍能保证系统正常运行和安全退出。本文在控制系统程序可靠性方面主要考虑以下几点：

1）当冰雪清除装置因障碍物阻挡无法移动或电机停止转动时，系统自动切断工作电源，发出警报，并将提示信息发送到用户的显示屏。

2）为了防止各种干扰造成的程序紊乱现象，在程序区的跳转指令和返回指令之后，对于未使用的ROM区域设置软件陷阱，当程序进入软件陷阱后迫使它返回初始状态，让系统尽快恢复运行。

3）确保系统有足够的时间冗余。通电后，系统会先延时一段时间，然后初始化单片机，确保系统最终复位到位。

6 结论

本文设计了主要由双绞龙冰雪清除机构、履带式行走机构、背负式机架、仿形刮雪铲、传动行程限位装置和STM32F103RCT6单片机控制系统等组成的双绞龙式屋顶冰雪清除装置，采用STM32F103RCT6单片机控制系统，实现了对该装置的整体控制。同时运用电子信息控制系统技术，以达到预期效果。

与现有的除冰雪方法相比，该装置能自动清除屋顶表面的冰雪，自动化程度较高，可安装于不同结构的屋顶，且模块化设计使该装置具有便于拆卸与安装、制造和运行成本低、适应性广等特点，适用于受暴雪干扰、屋顶积雪严重的地区，能有效解决城市建筑和住宅屋顶冰雪清除困难、工作条件受限等问题，对促进我国屋顶除冰雪机械的发展具有良好的应用前景。