新型彩钢瓦屋顶除雪机设计

牛虎利 郑帅杰 赵自更 张嘉钰

摘 要：为了解决由积雪引起的彩钢瓦屋顶坍塌现象，设计一种新型彩钢瓦屋顶除雪机。提出了推移式除雪和隔热保温的总体设计方案，制定了除雪和隔热保温工艺路线，对除雪机进行了结构设计、样机测试和控制设计等。使用UG软件对除雪机进行三维建模;采用ANSYS Workbench对零件进行有限元分析，检验设计的合理性;采用西门子S-200 SMART PLC作为核心控制器，完成控制原理图设计，及驱动装置、人机交互设备和各类传感器选型。结果表明，所设计的除雪机可以实现彩钢瓦屋顶的自動除雪，与人工相比效率高、安全性高、操作方便，并无除雪不均的问题出现。除雪机的设计改变了传统人工除雪方式，其结构可靠、容易操作、效率较高，可为其他斜屋顶的自动除雪提供一种新的解决方案。

关键词：机械设计其他学科;彩钢瓦;积雪;除雪机;UG ;ANSYS Workbench

中图分类号：TH12   文献标识码：A

DOI：
10.7535/hbgykj.2022yx03006

Design of a new type of snow remover for the color steel tile roof

NIU Huli，ZHENG Shuaijie，ZHAO Zigeng，ZHANG Jiayu

（College of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to solve the collapse of color steel tile roof caused by snow accumulation，a new type of color steel tile roof snow remover was designed.The overall design scheme for sliding snow removal and thermal insulation was put forward，the snow removal and thermal insulation process route was formulated，and the structure design，prototype test and control design of the snow remover were carried out.UG software was used to carry out three-dimensional modeling of the snow remover.ANSYS Workbench was used to perform finite element analysis on the parts to check the rationality of the design.Siemens S-200 SMART PLC was used as the core controller to complete the design of the control schematic diagram，and the selection of driving devices，human-computer interaction equipment and various sensors.The results show that the designed snow remover can realize automatic snow removal of the color steel tile roof，which is more efficient，safer and easier to operate than manual operation，and there is no uneven snow removal problem.The design of the snow remover has changed the traditional manual snow removal method，and its structure is reliable，easy to operate，and highly efficient.It can provide a new solution for the automatic snow removal of other inclined roofs.

Keywords：

mechanical design of other disciplines;color steel tile;snow accumulation;snow remover;UG;ANSYS Workbench

暴雪作为冬春季最重要气象灾害之一[1]，对建筑结构产生巨大影响，积雪重量过大，极容易造成房屋倒塌的事故发生。同时冰雪融化时，在房檐结成冰锥，危及行人安全。屋顶除雪使用撒盐、融雪剂等[2-4]方法，效果均不明显。目前常用的有效措施是使用铲子除雪，但铲子尖锐部分具有损坏屋面的保护膜，从而降低屋面使用寿命。对于斜屋顶（斜顶棚）的除雪工作而言，人工攀爬除雪，不但费时费力，还具有极大的危险性。如图1所示。

赵丽丽[5]研制了推扫一体式散雪除雪机，具有结构简单、操作方便、成本低廉的优势，满足不同地区的除雪需要。孙玉凤等[6]在分析国内外除雪机原理的基础上，提出了一种抛扬式除雪机动力系统设计方案，集成了切削、集中、推移和抛投等多种功能。郝志勇等[7]为解决屋面积雪压塌温室问题，设计了一种新型温室除雪机，该设备驱动简单、除雪效率高、便于安装。在此基础上，本文借鉴类似除雪设备的结构和除雪方式，设计了一种新型彩钢瓦屋顶除雪机，解决了斜屋顶除雪作业中存在的费时费力、安全隐患等问题，可为彩钢瓦屋顶提供一种高效、低成本的除雪设备[8]。

1 彩钢瓦屋顶除雪机方案设计

1.1 工作原理

新型彩钢瓦屋顶除雪机采用推移式除雪，除净率较高[9-10]。在工作中，通过电机正反转带动绳索实现除雪机构升降，清理屋顶积雪。保温隔热性能对室内居住起至关重要的作用[11]，因此除雪设备还增添了保温功能。在无雪天气，利用保温机构将保温层覆盖屋顶，起到冬暖夏凉效果。由于除雪机在彩钢瓦屋顶上作业，对其有明确要求，具体设计要求如下：1）能在彩钢瓦屋顶上正常行走;2）能将屋顶积雪清理干净;3）可自动化式完成除雪作业。

1.2 设计要求

能够稳定地完成不同时间段除雪工作，实现接收降雪信号的精准控制;保证除雪率高、移动方便、稳定性好;同时增加保温装置，保证冬暖夏凉的效果。具体参数要求如表1所示。

1.3 工艺方法和结构组成

全天随时工作，无雪天气，启动电机驱动绳索使保温层铺展开来;降雪天气，设备接收到指令收起保温层，根据积雪达到20 cm厚度启动电机驱动绳索进行除雪，具体组成部分如图2所示。

2 理论计算和控制系统设计

2.1 结构设计

如图3所示，按照民房尺寸设计，除雪机采用拼接式安装。除雪机由除雪机构、滑轮组机构、保温机构、驱动机构组成。其中驱动机构由固设于屋体墙壁上的电机组成，滑轮组机构由安装于彩钢瓦屋顶的滑轮、第1牵引绳以及第2牵引绳组成。通过电机的正转，电机的输出轴卷绕牵引第1牵引绳[12]，带动除雪机构和保温机构在彩钢瓦屋顶向上滑动;通过电机的反转，电机的输出轴卷绕牵引第2牵引绳，带动除雪机构和保温机构在彩钢瓦屋顶向下滑动。

如图4所示，除雪机构由雪铲、铝型材支架、导轨、滑块、回转轴承组成。铲雪部分采用拼接型犁式雪铲[13]，每个雪铲依据角件安装于铝型材支架上，可调整雪铲在铝型材支架上的位置;导轨依据彩钢瓦屋顶的倾斜角度倾斜安装于屋顶上;滑块滑动设置于所述导轨上;回转轴承增加了除雪机构自由度，解决除雪过程卡顿问题，设置于所述滑块上，并与铝型材支架连接。

如图5所示，保温机构采用卷筒式保温层[14]。保温机构由保温层、特制轴承座、小钢管组成。保温棉卷的一端与辊子相连，保温棉卷的另一端与铝型材支架的一端相连。保温棉卷绕过小钢管保持屋面贴合。在除雪机构位于彩钢瓦屋顶的下沿时，依靠重物的重力将保温棉卷牵引平铺于斜屋顶的上部。

2.2 运动分析

雪铲接触面与彩钢瓦屋面紧密相连，利用电机提供动力推动雪铲将浮雪从彩钢瓦屋面清除。因此，对彩钢瓦屋面除雪机的摩擦系数、浮雪密度、浮雪厚度、作业速度等因素进行分析与计算。

1）下行阶段

要满足的条件：钢丝绳拉力F1与屋顶所受压力G要大于下行阶段摩擦力f与保温装置拉力F2，图6为下行阶段受力示意图。

分析执行机构能实现下行运动，满足以下关系：

F1+Gcos θ>F2+f，

其中：

G=g（M1+M2），f=μGsin θ，F2=gM3，

式中：g为重力加速度（m/s2）;M1为执行机构质量（kg）;M2为积雪质量（kg）;μ为摩擦系数;θ为屋顶夹角（°）;M3为保温机构重物质量（kg）。

转矩T1计算：

T1=F1D2，

式中D为转轴直径（m）。

2）上行阶段

要满足的条件：钢丝绳拉力F1与保温装置拉力F2要大于上行阶段摩擦力f与屋顶所受压力G，图7为下行阶段受力示意图。

分析执行机构能实现下行运动，满足以下关系：

F1+F2>Gcos θ+f，

其中：

G=gM1，f=μGsin θ，F2=gM3，

式中：g为重力加速度（m/s2）;M1为执行机构质量（kg）;μ为摩擦系数;θ为屋顶夹角（°）;M3为保温机构重物质量（kg）。

转矩T2计算：

T2=F1D2，

式中D为转轴直径（m）。

根据以上分析与实际条件相结合，确定各式中变量为g=9.8 m/s2，μ=1.4，θ=60°，M1=15 kg，M2=6 kg，M3=5 kg，D=0.03 m。

根据以上参数和给出的公式，分别计算出下行阶段和上行阶段转矩：T1=2.94 N/m，T2=3.05 N/m。

2.3 雪铲支撑架选型与校核

考虑到雪铲等零件需要支撑结构，综合因素选用铝型材作为支架。通过铝型材手册选用GB4040型号铝型材。目前，对仿真模型进行静态有限元分析的软件中ANSYS具有较高的稳定性与准确性[15]，利用ANSYS Workbench对铝型材支架进行校核分析，网格划分，雪铲支撑架整体变形、应力图如图8和图9所示。

由图8可知，铝型材支架最大变形发生在中间位置，最大变形量为0.019 619 mm，远小于允许最大变形量1 mm，满足设计要求。

由图9可知，铝型材支架最大应力发生在两端，最大应力为2.361 1 MPa，远小于许用应力180 MPa，满足设计要求。

2.4 控制系统设计

屋顶自动除雪机控制系统由可编程逻辑控制器（PLC）、人机交互界面（HMI）、电机驱动器、電机、各类传感器等部分组成。控制系统结构如图10所示，利用计算机编写好程序后下载至PLC，PLC给步进电机驱动器脉冲信号控制电机正反转，完成除雪动作。PLC通过读取行程开关信号对雪铲的运动位置进行保护，当雪铲超出行程时，PLC获取超程信号，发出停止电机信号。同时PLC将电机运动信息反馈至人机交互界面，通过人机界面上显示雪铲的位置及当前除雪工作的任务进度。

2.4.1 控制系统硬件选型及接线原理

根据除雪机工作原理、控制系统方案及所要实现的动作和必要信息的读写，并考虑系统的稳定性、数据处理能力及程序编写的难易程度，采用PLC作为核心控制，并进行其余控制系统硬件选型，如表2所示。

其电气接线原理如图11所示，主要是以PLC 的接线为主，根据本系统需要控制一个步进电机及需要的输入输出点数，采用一个PLC进行控制。控制回路采用24 V电源供电，其中信号输入端I0.1，I0.2接口处的S1，S2为除雪电机正负限位开关，I0.3，I0.4接口处的S3，S4为除雪电机行程开关，I0.5处的EBO1为急停按钮;信号输出端Q0.0，Q0.2，Q0.4接口处的101，102，103为步进电机驱动器输入端口，Q0.6接口处为系统警报指示灯。

2.4.2 控制系统方案设计

自动除雪机通过PLC读取工作人员所输入人机交互界面的数据进行除雪运动，数据包括扫雪运动间隔，任务开始时间及任务结束时间。利用限位开关实现电机正反转自动切换，利用行程开关保证除雪机安全工作。控制系统工作流程如图12所示。

如上述控制流程图，屋顶除雪机上电启动后，系统首先进行参数初始化，并执行回零动作，其次进行工作参数设置，共包括两种工作模式：一是设置除雪时间间隔t及除雪次数X，即为执行除雪次数递减程序，当PLC判断除雪次数X<0时，当前任务停止;二是设置除雪时间间隔t、任务开始时间T1及任务开始时间T2，即执行时间进程除雪程序，当PLC判断当前时间T>T2时，当前任务停止。在整个工作过程中若除雪装置触碰两端行程开关，则停止运行，并啟动报警指示灯。

3 实验效果验证

民房（彩钢瓦房屋）结构大，实验结果不易记录。本样机实验采用小型彩钢瓦房屋进行除雪机平台搭建，如图13所示。

同时也进行了除雪模拟实验，如图14和图15所示。除雪实验数据如表3所示。

通过表3实验数据可知，一次除雪过程所用时间平均约为25.548 s，下行阶段用时平均约为10.218 s，上行阶段用时平均约为15.33 s，除雪前积雪标准质量为15 kg，除雪后回收除掉的积雪和小部分融水质量平均为14.14 kg，除雪率约为94.27%。实验测试数据非常好，本除雪机设计可行。

在彩钢瓦屋顶除雪时，人工由于操作困难，一次工作时长约为1 h，通常上午和下午各1次除雪;而除雪机一次工作时长约为25.548 s，可以进行24 h作业，综合对比除雪机的效率高、操作方便、安全性高。

4 结 语

本文对积雪引起彩钢瓦房屋坍塌现状，设计了一种新型彩钢瓦屋顶除雪机，该除雪机面对暴雪天气可以及时自动清理屋顶的积雪，从而避免了积雪对房屋的破环，解决了传统人工除雪的危险度高、效率低以及夜间除雪局限性等问题，同时该除雪机增加了保温功能，保证了室内保温隔热的功能。

1）完成了新型彩钢瓦屋顶除雪机的整体设计。通过技术需求制定了该除雪机的工艺方法，制定了除雪机构、滑轮组机构、保温机构、驱动机构，同时绘制了整体除雪机的结构模型和控制系统。对该除雪机的机械结构和关键零部件进行了理论设计计算以及有限元分析。新型彩钢瓦屋顶除雪机的研究设计推动了除雪行业的技术创新，解决了传统人工操作方式，实现了彩钢瓦屋顶自动除雪。

2）增添了保温功能，在无降雪天气，将保温层铺展到屋面，可以很好地实现室内保温隔热的功能。

3）通过样机实验得出除雪率达到94.27%，实验结果验证了该结构的可行性且达到了实际使用效果。为除雪行业的发展提供了一个新的方向，具有良好的应用价值意义。

但是本文中研究的除雪机还有不足，仍要继续优化改进：

1）新型彩钢瓦屋顶除雪机实现了整体结构设计，同时对关键零部件进行检测以满足使用要求，但是还要对文中未检测的机构进行理论和实验验证;

2）设计了控制系统，通过手动操作触摸屏来除雪，还需要添加降雪检测模块，来完成自动检测降雪并除雪;

3）在进行样机实验过程中，除雪功能达到了使用要求，还需要为暴露在外界的机械结构增添保护壳，以延长使用寿命。

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