一種新型除雪除冰車的設計*

王 亮，雷亞江，林小軍，牛玉艷，賈海深

(1.蘭州工業學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州電源車輛研究所有限公司，甘肅 蘭州 730050)

我國疆域遼闊，公路運輸是不可或缺的交通運輸方式。冬季我國北方地區降雪較多，易產生大面積的積雪，持續的低溫氣候使得道路積雪結冰，極易發生交通事故或交通擁堵，導致人們出行不便。我國也一直致力于探索高效、環保的除雪融冰措施。目前，我國采取的除雪措施主要有人工除雪、機械除雪、融雪劑除雪、電熱法除雪等方法[1]。人工除冰雪是最原始的除冰雪方式，可以徹底干凈地清除冰雪，但其勞動強度大且效率低下，尤其是大量人員在道路上作業，影響交通通行及工作人員人身安全。融雪劑除雪主要是通過向路面上的積雪噴撒融雪劑，降低雪的熔點，使其易于融化來達到除雪的目的。在除雪作業中使用融雪劑可以在一定程度上有效清除冰雪，但費用大，長期大量使用不但會腐蝕車輛底盤，縮短公路、橋梁壽命，而且還會對周邊環境造成污染，因此，就未來發展趨勢看，融雪劑的使用將會受到越來越嚴格的限制，使用量及使用范圍將非常有限[2-3]。熱力除雪包括地熱管法、紅外加熱法、導電混凝土法[4]等。地熱管法是利用地熱融雪的方法，但加熱管道建設安裝過程復雜，很難進行推廣使用。紅外加熱法在實際使用過程中被逐漸驗證不適合應用于道路除冰除雪，主要原因是地面升溫緩慢，效率低下。導電混凝土法的工作原理是通過在普通混凝土中添加合適的導電材料，使混凝土具有良好的導電性，利用電熱效應使路面溫度升高，達到除冰雪的效果，此種方法混凝土制作工藝復雜，價格貴，難以推廣使用[5]。不同的除雪除冰方法各有利弊，因此設計一種除雪除冰效率高、對道路損傷小、使用方便、操作簡單的除雪除冰設備就很有必要了。

1 新型除雪除冰車的整體結構

新型除雪除冰車主要有載具(二類汽車底盤)、發電機組、液壓系統、液壓缸、平動機構、風筒組件、方艙、電氣控制等幾部分組成[6]。整體結構如圖1所示。載具的作用是作為移動平臺，可以運載整個設備行駛在各個道路中，提高設備的靈活性。方艙是容納發電機組、液壓組件、平移機構、風筒等部件，在平時不使用設備時，起到防風防雨防塵的作用。發電機組是給整個系統運行提供電力，是整個設備的能源中心。液壓系統是給平移機構的運動施加載荷。平動機構可以實現風筒從方艙中伸出和回收。風筒組件是把高速高溫氣體吹向地面實現除雪除冰。

圖1 除雪除冰車結構圖

2 除雪除冰車的工作原理

除雪除冰車的工作原理如下：發電機機組是由柴油機和發電機組成，柴油機起動后帶動發電機轉動，輸出交流電，給整個系統運行提供電力，油箱給柴油機供油。控制系統實現整個系統啟停、各個部件的工作。當需要除雪除冰時，液壓控制系統給液壓缸發出動作信號，活塞桿伸出，推動風筒組件伸出車廂。然后，電氣控制系統給風筒組件發出啟動信號，風筒組件啟動，吹出高速高溫氣體，融化道路冰雪，實現除雪除冰。整個機構運動簡圖如圖2所示。

圖2 除雪除冰機構運動簡圖

運用機械原理知識，計算整個機構運動的自由度：

n=8，PL=11，

F=3n-2PL-PH=3×8-2×11=2

整個機構的自由度是2，需要2個原動件驅動，整個機構才能有確定運動，而在整個機構中，只有液壓缸一個原動件，機構沒有確定運動，因此需要對整個機構施加額外的控制才能有確定的運動[7]。

3 主要部件的工作原理

3.1 平動機構(變胞機構)的工作原理

平動機構的組成如圖3所示，主要有液壓缸、電磁鐵1、電磁鐵2、掛架、連桿1、V形連桿、銜鐵、水平槽鋼等部分組成。平動機構工作過程分為2個：一是機構的伸出動作，二是機構的回收動作。機構的伸出動作原理如下：水平槽鋼與通電電磁鐵1相互吸引，使得整個平行四邊形機構靜止不動，變為機架的一部分，液壓系統通過控制液壓泵給液壓缸輸入液壓油，活塞伸出，帶動V形連桿，連桿1運動，進而推動掛架相對于水平槽鋼移動，使風筒組件伸出車廂外。當掛架運動到一定位置時，掛架上的電磁鐵2與水平槽鋼上的銜鐵接觸，兩者在電磁力的作用下互相吸引，掛架和整個平行四邊形機構變為一個整體，同時在電氣控制系統互鎖電路的作用下[8]，電磁鐵1斷電，與水平槽鋼分離?；钊麠U繼續伸出，整個平行四邊機構及風筒組件伸出車廂，結構變成如圖4所示。

圖3 平動機構結構

圖4 風筒伸出車廂圖

在電磁鐵1和電磁鐵2分別作用時，整個平動機構的組成會發生變化，包括自由度數目和組成機構的構件數目，是一種變胞機構[9]。變胞機構是指機構若在運動過程中其自由度、活動構件數或機構的結構能發生變化，意指具有類似生物學的胚胎演變或細胞重構的特性，可實現不同工作狀態對機構構型的不同要求，具有高度的結構折疊和自重構特點。在電磁鐵1作用時，水平槽鋼與電磁鐵相互吸引成為一體，這時平行四邊形機構的3個桿固定，變為機架的一部分，機構運動簡圖如圖5所示。

計算機構的自由度，機構自由度F=1，機構有確定的運動：

n=5，PL=7，

F=3n-2PL-PH=3×5-2×7=1

當電磁鐵2工作時，掛機架和水平槽鋼固定連接，電磁鐵1斷電，整個運動機構的簡圖變為如圖6所示，計算機構自由度，機構自由度F=1，機構有確定的運動：

n=7，PL=10，

F=3n-2PL-PH=3×7-2×10=1

圖6 電磁鐵2工作時機構運動簡圖

當電磁鐵1和電磁跌2分別工作時，機構的組成會發生變化，構件數也會不同。如果不采用變胞機構，就要添加一個液壓缸來推動掛架的移動，導致設計和制造成本的增加，整體重量的增加，液壓控制系統也會變復雜。

3.2 風筒組件的工作原理

風筒是整個除雪除冰車的關鍵，結構組成主要有3部分：風扇、殼體和PTC發熱組件(見圖7)。工作時，風扇先啟動，發熱組件后啟動，發熱組件產生的高溫熱量經由風扇吹出的高速氣流帶出，吹向地面，融化地面的冰雪[10]，實現除雪除冰功能。

圖7 風筒結構組成

4 結語

新型除雪除冰車的設計結合了電氣、液壓和機械等多個學科的知識。以移動電源車為載具，通過吹風機似的風筒組件實現快速除雪除冰。設計中應用SolidWorks軟件的三維設計功能，對整個設備的空間部件進行初步設計。整個設備結構設計合理，構件組成變化的機構自由度與原動件數量相等，機構能夠正確運動。新型除雪除冰的設計可以為特種設備開發企業提供技術的參考，為開發新的設備提供思路。