智能屋顶除雪机的设计研究

马 杰

（陕西工业职业技术学院 机械工程学院，陕西 咸阳 712000）

在我国北方地区，每年都有3～5 个月的雪季，东北地区降雪更大、时间更长。现今的住房建筑等多为钢筋混凝土浇筑或是金属桁架结构，但是北方农村一些砖瓦土房，下雪后如果落雪不能及时得到清除，由于农村自建房屋承重较差，有可能直接将房屋压塌；对于钢筋混凝土浇筑、金属桁架结构的房屋，则会因热胀冷缩作用从而对房屋产生破坏，使钢筋疲劳从而降低强度，若是积雪堆积过多，房屋建筑很可能承受不住积雪重量而导致倒塌事故。综上，房屋建筑的除雪工作就显得尤其重要。

我国对除雪机械的开发、生产都比较晚，因此还处于起步阶段。目前，我国的城市道路、公路和房屋建筑冬季除雪大部分仍沿用传统的养护方式，常见的如人工撒盐方式或人工和小型除雪设备相结合的形式进行积雪清除。高速公路和一级公路已经开始使用大型专用除雪机械，在冬季对公路进行养护。但是，除雪设备在数量和品种、规格上还很少，并且除雪装置大部分依赖进口。机械化、智能化等总体水平远远落后于发达国家。且目前学者关于道路除雪机的研究较多，对于屋顶除雪机的研究较少。龚可祎，谢静杨等设计了一种基于inventor 和慧鱼创意组件实现三维设计和模型搭建的双向绞龙屋顶冰雪清除机，但其结构复杂，成本较高。何龙，潘江如等人设计了一种全自动除雪机器人能够实现全自动路线规划和导航除雪,但不适用于屋顶积雪清除。

目前在国内，针对屋顶积雪的清除通过人工手动直接除雪的方式为主，这种除雪方式耗时耗力并且危险系数又高，特别是冬季夜晚突发暴雪的情况下，很容易对建筑物造成破坏，因此设计一款屋顶智能除雪机迫在眉睫。

1 除雪机整体原理

机械法是通过机械装置在运动的过程中直接作用，清除落雪消除积雪可能带来的危害。虽然这种积雪方式对积雪的清除效率较低，但是对环境和植被无任何其他附加影响，直接将落雪转移或是运送到需要的地方，进行回收利用，应用范围比较广。因此，本文认为：机械除雪法是未来除雪的发展趋势，适用于各个领域、不同规格的除雪机器会不断涌现出来，不断丰富除雪机械这个大家族。

基于以上背景分析，本文设计一种智能屋顶自动除雪机，采用机械结构进行积雪清除，同时加入智能控制，无需人为控制启停，设备直接自行检测触发，解放人力的同时提高工作效率。整个装置由程序控制，在屋顶角落处设置一传感器进行积雪重量检测，当传感器检测到积雪达到一定重量时，智能控制电机启停，程序触发电机开始运行，带动装置对屋顶面上的积雪进行清除，当积雪减少时，电机自动断开停止工作。这样可成功解放人力，采用机械化设备进行除雪，并且即使晚上突发强降雪，也不必担心屋顶积雪过多，对房屋造成破坏。

2 除雪机结构设计

此屋顶自动除雪装置机械部分由两大部分组成，除雪机构及积雪输送机构。

（1）除雪机整体结构的设计。通过X 向、Y 向和Z 向电机配合驱动，带动除雪板将积雪清除。整个装置通过三个电机驱动，中间通过光杆连接，传动单元采用带传送、辅助以导轨滑块机构。

（2）积雪传送装置的设计。在屋顶外沿设置积雪传送装置，通过输送带机构，将从屋顶清除的积雪运走。

设备整体安装图如（图1）。

图1 装配示意图

2.1 除雪结构设计

本次除雪模块，通过X 向、Y 向和Z 向电机配合驱动，整体采用皮带传动配合导轨传动，除雪机构采用刮刀模块进行积雪刮除。在刮板除雪过程中，考虑到受力及积雪量问题，一个房屋平面分成4 列，一列一列清除。

X 向电机通过驱动光杆轴，带动两端带轮运转，从而带动刮刀系统沿X 向移动，进行房屋积雪的清除。本部分运动清雪主要是将房面积雪从最里面逐步推至房沿外。Y 向电机主要与X 向配合移动，在Y 向移动，一列一列移动，保证房屋整个平面的积雪清除。Z 向电机的设计，一方面是根据积雪厚度及当地降雪含水量进行刮刀高度的调整，一方面是方便刮刀退回时的抬起。

整体结构原理如（图2）。Y 向整体结构通过支撑板架接于X 向滑块之上；Z 向升降机构整体放置于Y 向导轨上；刮雪刀连接在Z 向装置上。2 号电机通过联轴器带动光杆轴转动，进而通过带轮带动导轨滑块在X 向的移动；进而带动Y 向除雪机构沿X 向移动，进行积雪的清除。3 号电机通过皮带轮带动Z 向装置整体沿Y 向移动，配合X 向的除雪。1 号电机则控制Z 向装置的升降。整个装置的运动过程先沿X 向刮雪，后原路返回；在沿Y 向移动一个刮刀宽度的距离，再沿X 向移动除雪，直到完成整个屋顶平面积雪的清除。

图2 除雪结构原理图

2.2 积雪传送装置设计

由于用于屋顶除雪，需要将从屋面推下的积雪送走。因此本装置设置有积雪传送机构。刮刀清除的屋顶积雪推至传送带上，通过传送带将积雪运送到固定位置。除此之外，加入了输雪机构X 向的移动，保证在有落雪的时候传送带再从房檐出来进行积雪输送工作，当晴天、下雨天等，传送带收在屋檐下，从而有效地提高其使用寿命。

其结构原理图如（图3），整个装置置于屋檐下方。整体由电机驱动，通过带传动带动运转。四号电机通过同步轮及皮带带动光杆轴的转动；在皮带轮和同步轮的作用下，带动传送带沿X 向移动。从而保证在下雪天的时候再将传送带移动出来工作。5 号电机通过联轴器，带动齿轮轴转动，从而带动传送带沿Y 向移动，进行积雪的转移。

图3 积雪传送装置原理图

3 控制部分设计

设计过程中采用重量传感器进行积雪量检测，由一个51 单片机进行控制，利用51 单片机实现电机的精确定位。通过一个单片机，控制不同电机的顺序启动，从而实现屋顶除雪机整体的控制，进而实现除雪和送雪运动。

将编制好的程序下载到控制板上，没有降雪时整个装置处于断开状态。一旦传感器检测到积雪到达初始设定量时，触发单片机程序，启动电机开始运行进行除雪、送雪工作。当检测到积雪量减少时，程序断开，电机停止工作。整个控制流程框图如（图4）。

图4 控制流程图

4 小结

此款智能屋顶除雪机，采用了积雪检测模块，有效实现无人值守的自动化除雪；输雪模块可前后移动，便于延长传送带的使用寿命；采用单片机自动控制，构造简单，成本较低。同时采用同步带传动，适用于大尺寸传动，是一种简单、实用的除雪装置，解放了人力，实现自动除雪。