新型多功能户外自动除冰车结构设计与分析
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摘 要：针对冬季寒冷地区受雨雪天气影响地面会经常出现积雪结冰的情况，导致行人非常容易跌倒，尤其户外台阶积冰很难清除的问题，该文设计一款新型多功能户外自动除冰车。其整体体积小巧，重量轻，单人即可搬运及操作。除冰机自带驱动装置，无需使用其他机械驱动，可直线行进或曲线行进以适应多种工况。驱动装置采用履带形式，可以为除冰机提供可靠的的动力输出。
关键词：多功能 自动除冰 驱动装置 履带结构
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0061-03
1 研制背景及意义
传统的除冰方法是用铁锹等工具敲击除冰，传统方法不能有效地将台阶积冰清除干净，不仅费时费力而且对台阶表面伤害较大。目前市面上应用的除冰机主要是用于宽阔路面，需配合铲车等重型机械使用，体积庞大，无法用于户外台阶除冰。
徐晓芬等人[1]针对南方冬季路面的浮雪和薄冰，设计了一种安装雪铲、刨冰装置、扫雪绞龙等铲雪除冰装置的可实现快速改装的新型道路铲雪除冰车。夏建满等人[2]针对机场跑道、公路等除冰效率低、费用高等问题，介绍了一种新型除冰（雪）车结构及其功能特点。李天生等人[3]针对目前国内外的除雪或除冰车结构复杂、售价高等各项技术问题，成功研制了一台多功能的扫雪除冰车。该车同时具有前螺旋扫雪，中间破冰滚筒除冰，后扫冰机构收集破碎冰块的多重功能。实践证明该扫雪除冰车外形、尺寸小、功能全、操作简单和性價比高，最后分析了其应用前景。林长青等人[4]对微波除冰车的设计及实施方式进行探讨，以进一步了解微波除冰车的工作原理，为在实际工作中的推广及应用提供参考。
该文设计了一款适用于各类户外台阶，在除冰过程中对台阶表面伤害小、效率高的新型多功能户外自动除冰车，解决了冬季寒冷地区户外台阶结冰后除冰难的问题，弥补了现有除冰机体积庞大、只能用于宽阔路面的不足，使户外台阶除冰更便捷、效果更好，方便大众出行。车体整体体积小巧，重量轻，单人即可搬运及操作。除冰机自带驱动装置，无需使用其他机械驱动，可直线行进或曲线行进以适应多种工况。除冰车通过刨冰爪的高频敲击使台阶表面结冰碎裂并与台阶分离;旋转除冰刷将刨冰装置分离的碎冰清除并刷去残留在台阶上的余冰;刮板端部设有软胶皮，可以刮净残留冰渣;驱动装置采用履带形式，可以为除冰机提供可靠的动力输出。
2 除冰车的组成及工作原理
2.1 除冰车简介
多功能户外台阶除冰车主要分为前中后三个部分，包括机架、刨冰装置、旋转除冰刷、刮板、驱动装置、控制电路、锂电池，刨冰装置、旋转除冰刷、刮板、驱动装置依次固定在机架上形成整体机械结构;控制电路和锂电池固定在驱动装置上;旋转除冰刷四角的光轴通过直线轴承与机架连接，旋转除冰刷依靠自身重力上下滑动，使旋转除冰刷在不平路面实现自补偿并通过自身重力对钢刷施加压力。该除冰车外形尺寸为长度×宽度×高度=550～650mm×250～350mm×180～250mm，重量13～20kg。
2.2 刨冰工作原理
刨冰装置位于车体的前半部分，主要结构由带减速器的24V电机、链轮轴、传动链、凸轮轴、凸轮、刨冰爪、压簧、支架、支撑轮和支撑座组成。其中24V电机通过联轴器带动链轮轴转动，传动链与链轮轴、凸轮传动轴啮合，链轮轴通过传动链带动凸轮轴转动，若干个凸轮固定在凸轮轴上;刨冰爪与支撑轴活动铰接，刨冰爪尾端设有压簧，通过预压缩压簧增加刨冰力，刨冰爪前端设有冰铲，凸轮驱动刨冰爪振动，冰铲刨冰;支撑轴固定在支撑座上，支撑座与支架之间设有吸震垫，24V电机、链轮轴、凸轮轴与支架连接，支架与机架固定连接;支撑轮固定在支架底部，用以支撑刨冰装置。
2.3 旋转除冰刷工作原理
旋转除冰刷位于车体的中间部分，主要结构由前后两排钢刷、力矩电机、齿轮、光轴、钢刷轴和支撑架组成，工作时，前两排钢刷旋转方向相反，钢刷轴底端与钢刷通过止付螺丝连接，力矩电机通过齿轮及传动链带动钢刷轴转动，光轴设置在支撑架四角，光轴两端与支撑架固定连接;支撑架与钢刷轴通过轴承连接。刮板与旋转除冰刷配合使用共同完成清理工作。刮板主要由刮板架、软胶皮和压板组成，其中软胶皮通过螺钉固定在刮板架与压板之间，软胶皮底沿低于刮板架和压板的底沿;刮板架固定在机架上，且与台阶除冰机行进方向成角为α，α=5o—25°
2.4 驱动装置工作原理
驱动装置位于车体的后半部分，驱动装置主要包括两个24V减速电机、履带、主动轮、从动轮，24V减速电机采用独立驱动模块进行驱动，两个24V减速电机分别驱动两侧的履带;单侧的履带由一个主动轮及三个从动轮支撑构成三角形结构，履带与主动轮、从动轮相互啮合，主动轮设置在三角形结构的顶部;24V减速电机通过驱动主动轮带动履带。为执行机构提供动力。
2.5 除冰车智能装置
除冰车可实现自动控制，障碍识别，自动升降等功能。充分体现了机电控制、红外识别等多项技术的综合应用，具有一定的学术价值和社会效益。
3 三维设计
自动除冰车依靠SolidWorks设计分析方法，对除冰车的各部分机构及整车机构进行三维设计，形成了三维图;同时对整体设备进行了进一步的完善和改进，并用ANSYS初步进行了应力分析，使项目进一步可行可靠，具有实用价值。
4 创新点及应用
4.1 创新点
（1）自主创新设计的一个新型多功能户外自动除冰车。相比传统除冰机构更具有高效性，可以更好的配合清理装置进行清雪工作。
（2）自动除冰车整体体积小巧，重量轻，单人即可搬运及操作。
（3）除冰机自带驱动装置，无需使用其它机械驱动，可直线行进或曲线行进以适应多种工况。
（4）驱动装置采用履带形式，可以为除冰机提供可靠的的动力输出。
4.2 应用
与我国国内除冰车现阶段相比，该自动除冰车具有多功能化、自动控制、整体轻巧，动作灵敏等特点，对该除冰车的使用途径广泛，应用前景广阔，实用性强等优势。
参考文献
[1] 徐晓芬，过学迅，何波勇.新型道路铲雪除冰车设计[J].专用汽车，2010（8）：44-46.
[2] 夏建满，伍汉清.一种新型除冰（雪）车[J].专用汽车，2007（4）：41-43.
[3] 李天生，李方，曾理，等.多功能小型扫雪除冰车的研制[J].机械设计与制造，2011（8）：129-131.
[4] 林长青.微波除冰车的设计与实施方式[J].山东工业技术，2016（17）：176.
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