新型彩钢瓦屋顶除雪机设计.docx

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1、新型彩钢瓦屋顶除雪机设计牛虎利郑帅杰赵自更张嘉柱摘要：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ANSYSWorkbench对零件进行有限元分析，检验设计的合理性；采用西门子S-200SMARTPLC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勤除雪，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

2、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；ANSYSWorkbench中图分类号：TH12文献标识码：ADOI： 10. 7535/hbgykj. 2022yx03006DesignofanewtypeofsnowremoverforthecolorsteeltileroofNIUHuli, ZHENGShuaijie, ZHAOZigeng, ZHANGJiayu( CollegeofMechanicalEngineering ,HebeiUniversityofScienceandTec

3、hnology, Shijiazhuang,Hebei050018, China)Abstract ：Inordertosolvethecollapseofcolorsteeltileroofcausedbysnowaccumulation ,anewtypeofcolorsteeltileroofsnowremoverwasdesigned.Theoveralldesignschemeforslidingsnowremovalandthermalinsulationwasputforward ,thesnowremovalandthermalinsulationprocessroutewas

4、formulated , andthestructuredesign ,prototypetestandcontroldesignofthesnowremoverwerecarriedout. UGsoftwarewasusedtocarryoutthree-dimensionalmodelingofthesnowremover. ANSYSWorkbenchwasusedtoperformfiniteelementanalysisonthepartstochecktherationalityofthedesign. SiemensS-200SMARTPLCwasusedasthecoreco

5、ntrollertocompletethedesignofthecontrolschematiediagram , andtheselectionofdrivingdevices ,huma-computerinteractionequipmentandvarioussensors.Theresultsshowthatthedesignedsnowremovercanrealizeautomaticsnowremovalofthecolorsteeltileroofwhichismoreefficient ,saferandeasiertooperatethanmanualoperation

6、,andthereisnounevensnowremovalproblem. Thedesignofthesnowremoverhaschangedthetraditionalmanualsnowremovalmethod , anditsstruetureisreliable , easytooperate ,andhighlyefficient. Itcanprovideanewsolutionfortheautomatiesnowremovalofotherinclinedroofs.Keywords：mechanicaldesignofotherdisciplines；colorste

7、eltile；snowaccumulation；snowremover；UG；ANSYSWorkbench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

8、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

9、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20cm厚度启动电机驱动绳索进行除雪，具体组成部

10、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

11、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。保温棉卷的一端与辑子相连，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、

12、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：Fl+Gcos F2+f,其中:G=g (M1+M2), f=Gsin , F2=gM3,式中：g为重力加速度(ms2) ；M1为执行机构质量(kg) ；M2为积雪质量(kg) ； 为摩擦系数；为屋顶夹角(o ) ；M3为保温机构重物质量(kg)0转矩T1计算：T1=F1D2,式中D为转轴直径(m)o2)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

13、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：Fl+F2Gcos +f,其中：G=gMl, f=Gsi , F2=gM3,式中：g为重力加速度(m/s2)；Ml为执行机构质量(kg)； 为摩擦系数；为屋顶夹角( ) ;M3为保温机构重物质量(kg)o转矩T2计算:T2=F1D2,式中D为转轴直径(m)o根据以上分析与实际条件相结合，确定各式中变量为g=9. 8ms2, =1.4, =60o , Ml=15kg, M2=6kg, M3=5kg,D=0. 03mo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：Tl=2. 94Nm, T2=3. 05Nmo2. 3雪铲

14、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ANSYSWorkbench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. 019619mm,远小于允许最大变形量1mm,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. 3611MPa,远小于许用应力180MPa,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

15、逻辑控制器（PLC）、人机交互界面（HMI）、电机驱动器、甯机、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24V电源