多轉子離心拋雪機的機械結構設計

李艷龍，徐朝陽，李文龍，王玉博，楊 虎,陳 雪

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

在我國東北方地區，每年都有大量降雪[1]，給人們的正常出行帶來很多不便，目前除雪大多以人力為主，近年來，隨著機械化的興起，國內外出現很多除雪機械[2]，使用較多的是用于公路、街道、廣場等大型場所的重型除雪機[3]，該類機器效率高，操作方便，但也存在體積大，不能針對小范圍區域作業等缺點，我國人口居住密集，道路較窄，除雪多以城鎮為主，為此小型拋雪機將會受到家庭用戶的青睞.

現今市場上出現了很多小型除雪機[4]，其大多數體積小巧，功能強勁，此類拋雪機一般用于小區、公園等小范圍區域，其工作時只需清理出一條道路即可.而現有的除雪機也存在很多弊端，除雪機只設有一個離心轉子和鏟雪槳配合使用，在清雪時容易留下盲區，拋雪過程無法進行定點拋射，在工作區域時常會有堅硬物體(如石頭，磚塊)極易對鏟雪槳造成破壞.針對以上缺陷，本文設計一種智能化的拋雪機，使用效率高，可以解決目前除雪機的技術弊端.

1 多轉子離心拋雪機方案設計

多轉子離心拋雪機由汽油機提供動力，汽油機連接驅動輪進行前進，并由使用者把持扶手進行操控，機器正常工作時，由位于機器前方的鏟雪槳將雪聚集卷入離心風機處，并通過離心轉子高速旋轉產生的壓強差將雪進一步拋出，拋雪管位于機器后方采用可彎曲設計，以實現小范圍內的定點拋射.由于拋雪機工作區域時常伴隨障礙物出現，為延長鏟雪槳壽命，鏟雪槳可以進行高度調節，當遇到障礙物時，鏟雪槳會在控制系統作用下進行高度調節，鏟雪槳軸通過在轉動軌跡內旋轉以達到高度調節目的，此外拋雪機整體外部均設有外殼進行保護.

2 集雪系統結構設計

集雪系統由鏟雪槳、離心轉子、槳片保護殼構成，主要包括鏟雪槳“集”雪和離心轉子“吸”雪兩個過程，拋雪機采用三組鏟雪槳和離心轉子配合(如圖1所示)，由汽油機帶動鏟雪槳軸旋轉，拋雪機在除雪時，由鏟雪槳[5]把雪打散處理，打散后的碎雪通過三組對稱安裝的鏟雪槳片集中于離心風機處，由于拋雪機不斷前進，積雪逐漸增多，在離心風機的作用下，散雪會陸續進入離心管道處等待拋雪系統處理.

圖1 三組鏟雪槳、離心風機示意圖

2.1 多組鏟雪槳設計

拋雪機設有三組鏟雪槳，每組均采用對稱設計，通過汽油機帶動鏟雪槳軸使鏟雪槳高速旋轉，鏟雪槳采用螺旋狀設計(如圖1所示)，能夠高效的將雪向對稱軸處聚集并進行“卷起”，以便于離心風機的“吸入”.

2.2 多轉子設計

轉子是指離心風機的離心轉子[6]，當鏟雪槳將雪卷起后，雪會隨著鏟雪槳旋轉而進入離心風機處，通過離心轉子高速旋轉產生壓強差，將雪進一步“吸入處理”，拋雪機設有三組離心轉子，與鏟雪槳對稱軸在位置上一一對應，更好的將雪由“卷起”到“吸入”，減少盲區，提高效率.

離心轉子采用三葉片式設計(如圖2所示)，葉片呈曲面狀，更大程度的產生風力，葉片由電機進行驅動，拋雪機葉片直徑120 mm，葉片厚度為45 mm.

圖2 離心轉子示意圖

離心風機葉片是拋雪機的吸雪工具，不同規格的葉片拋雪能力不同，需求的功率也不相同，按公式(1)計算的拋雪功率所得值與實際結果較為接近，原文獻中介紹的公式已經經過實際測試驗證，機械效率等問題已經考慮在內.

計算公式如下：

(1)

V2=d2n2/60

(2)

式中：ΡB為葉片消耗功率(kw)；μf為雪與鋼板的動摩擦系數；K2為葉片形狀系數；ρ為雪密度；Qb為葉片體積，d2為拋雪管長度；ε為積雪密度變化系數；V2為葉片線速度(m/s)；n2為葉片轉速(r/min).

3 拋雪系統設計

本拋雪機工作環境大多為小范圍場所，能夠清理出一條道路供人行走即可，拋雪機在拋雪時一般將雪拋到路邊綠化帶為宜，在公路上時使用效果是比較理想的，但是在家里庭院、小區等場合使用時，由于房屋密集，地勢復雜，拋雪地點需要謹慎選擇，為此拋雪機拋雪筒上部分采用波紋管式設計，可以隨意調節拋雪的高度和角度，方便操作者根據綠化帶的位置來調節拋雪筒的高度和角度，從而調節拋雪的位置，達到落點可控效果.

(a) 結構圖

(b) 外形圖圖3 拋雪管示意圖

拋雪管分為上、下兩部分(如圖3(a)所示)，下部分設有三個支管，每根支管均設有離心風機，支管后部匯聚成一根總管道，拋雪管上部分采用塑膠材質波紋管(如圖3(b)所示)，強度較大，能夠承受離心轉子產生壓強差帶來的沖擊[7]，拋雪管彎曲變形可以很快復原，使用壽命強，效果好.為減小雪在其中運動時的阻力，拋雪筒的直筒部分與集雪器的上擋板制成一個零件，連接處以圓角光滑過渡，且材料選用高光潔度、高韌性的玻璃鋼.拋雪筒處于集雪器中部，方向應與擋板的半封閉圓筒相切，這個方向雪可以得到充分的初速度后從此拋出.拋雪筒軸線應處于集雪螺旋軸螺旋面中部，這樣雪在離開集雪器進入拋雪筒時可少受阻力，為提高拋雪距離，拋雪筒出口處有橢圓狀的光滑開口以保證雪在離開拋雪筒轉彎時少受阻力.

拋雪距離公式如下：

(3)

V2=πd2n2/60，

(4)

式中：L為拋雪距離(m)；V2葉片線速度(m/s)；g為重力加速度(m/ s2)；φ為拋雪角度；π為圓周率；d2為拋雪管長度；n2為葉片轉速(r/min).

當φ=45°時，L取值最大.說明相同的初速度只有在45°斜上拋時拋的距離最遠，故揚雪角取45°最合理.

4 智能控制系統設計

拋雪機工作地面大多數凹凸不平，地面時常會有磚頭、瓦片等障礙物體[8]，拋雪機在工作時螺旋槳高速旋轉，極易碰到障礙物，對槳片造成損壞減少壽命，為此本拋雪機設有保護程序，由超聲波傳感器、步進電機、旋轉軌道、鏟雪槳軸、單片機程序構成.在螺旋槳軸處設有超聲波傳感器[9]，機器未投入使用以前，通過根據超聲波避障模塊[10]的深入學習，了解到工作環境中的障礙物特性(以石頭、水泥為主)，把這些特征輸送給傳感器以進行后續的識別.在螺旋槳保護殼兩側設有旋轉軌道，旋轉軌道處連有步進電機，當傳感器識別到地面有障礙物時會給單片機控制系統發出信號[11]，控制系統帶動步進電機開始工作，使旋轉軸在旋轉軌跡內旋轉，以進行高度調節，達到保護槳片的目的.

鏟雪槳軸在旋轉軌道內往復運動，進而實現對鏟雪槳到地面高度的調節(如圖4所示).

當鏟雪槳越過障礙物時，傳感器會將信號再次發給控制程序，步進電機通過反向轉動，將鏟雪槳回到原始高度，并通過傳感器將鏟雪槳離地面高度調節為最佳高度，鏟雪漿完成高度調節.

5 多轉子離心拋雪機整體結構設計

多轉子離心拋雪機整體結構如圖5所示，主要包括集雪系統、拋雪系統、動力系統和智能控制系統四部分，拋雪機在工作時由汽油機提供能力，采用后輪制動方式，鏟雪槳多組設計，減少盲區提高效率，拋雪管采用可彎曲設計，能夠對拋雪地點進行小范圍內的定點拋射，拋雪機內部設有鏟雪槳保護智能控制程序，能夠實時保護槳片不受障礙物破壞，拋雪機底盤處設有減震片，外表美觀協調，使用便捷高效.

6 結 論

設計了一款適用于小區、公園等小范圍區域的小型家用拋雪機，體積小巧，使用靈活，與現有的除雪機器相比，主要優點在于：

(1)采用多組鏟雪槳片與離心扇葉配合使用，將碎雪集中到吸雪孔，保證了集雪水平，減少盲區，提高效率.

(2)出雪口處采用塑膠波紋管，能夠改變拋雪軌跡，達到小范圍落點可控目的.

(3)設有鏟雪槳保護控制程序，漿片能夠自動避開障礙物，極大程度上減少損耗，增加機器壽命.