羅春陽(yáng)，唐 爽，王開(kāi)寶，王明旭，賈誠(chéng)心，曾永陽(yáng)，陸 月，王立才，郭慶東

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.兵器工業(yè)集團(tuán)524廠(chǎng)，吉林 吉林 132021)

我國(guó)北方地區(qū)冬季降雪時(shí)間長(zhǎng)、雪量大、范圍廣，每年降雪長(zhǎng)達(dá)3～5個(gè)月，道路積雪給居民生活帶來(lái)極大不便.國(guó)外多雪國(guó)家已有針對(duì)道路積雪清理設(shè)備開(kāi)發(fā)與研究的公司，例如德國(guó)的SCHMIDT、丹麥的Epoke、美國(guó)的Henderson、瑞士的BOSCHUNG等，這些公司研發(fā)的除雪設(shè)備主要以雪鏟式、犁式、旋切式或吹雪式除雪機(jī)為主[1].我國(guó)除雪設(shè)備的研發(fā)起步較晚，在借鑒國(guó)外先進(jìn)除雪設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)自然狀況，研發(fā)出了一系列大型除雪設(shè)備，如吉林省北歐重型機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的CZ-2420-2E型除冰雪機(jī)、哈爾濱雪狼除雪機(jī)械設(shè)備有限公司開(kāi)發(fā)的雪狼1號(hào)除雪機(jī)等[2].上述除雪設(shè)備清雪效率高、作業(yè)面積大，但通常以卡車(chē)或者工程車(chē)輛作為主機(jī)，設(shè)備龐大、操控不靈活.城市居民小區(qū)和校園道路狹窄、障礙物多，無(wú)法使用大型除雪設(shè)備進(jìn)行清雪作業(yè)[3-4].現(xiàn)有的小型化道路清雪裝置多以人工手推式作業(yè)為主，在寒冷的室外，工作環(huán)境惡劣；清雪裝置功能集中在清雪，未考慮積雪轉(zhuǎn)運(yùn)需求，松散的雪堆需占據(jù)大量的地面空間，不便于存放及轉(zhuǎn)運(yùn).本文基于小區(qū)、校園等狹小環(huán)境道路積雪清理及轉(zhuǎn)運(yùn)需求，在研究雪的物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上[5-7]，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一款集清雪、送雪、壓雪、碼雪功能于一體的小型化道路積雪清掃壓實(shí)裝置，實(shí)現(xiàn)了除雪機(jī)械的智能化，并兼顧了積雪的轉(zhuǎn)運(yùn)需求，該裝置可為冬季路面積雪的高效轉(zhuǎn)運(yùn)和就地處理提供新的解決途徑.

1 裝置功能及性能要求

針對(duì)小型化道路積雪清掃壓塊裝置的應(yīng)用場(chǎng)合、市場(chǎng)需求、清除裝置類(lèi)型和處理方式等，確定裝置的設(shè)計(jì)要求[8-10]：

1)使用場(chǎng)合.適用于中、小型道路，即寬度較窄且大型除雪工程機(jī)械不能工作的道路，如校園、居民區(qū)、醫(yī)院和公園內(nèi)道路等.

2)道路清雪裝置類(lèi)型.類(lèi)似拋雪式除雪機(jī)，該裝置使用清雪滾刷清理道路積雪，需配裝有拋雪泵、清雪鏟和螺旋扇葉，能夠?qū)⒙访娓⊙┘刑幚?

3)積雪處理方法.將路面松散的浮雪收集后壓實(shí)成具有一定密實(shí)度的雪磚，并成堆整齊碼放，以便后期轉(zhuǎn)運(yùn)和清理.

4)整機(jī)要求.裝置具有多功能、低成本、高效率、小型化和低功率等特點(diǎn).

小型化道路積雪清掃壓塊裝置性能指標(biāo)要求見(jiàn)表1.

表1 小型化道路積雪清掃壓塊裝置性能指標(biāo)

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的小型化道路積雪清掃壓塊裝置集道路清雪、積雪壓實(shí)、碼垛功能于一體，主要由行走功能單元、清雪功能單元、積雪壓實(shí)功能單元、雪磚碼放單元組成，見(jiàn)圖1.

圖1 小型化道路積雪清掃壓塊裝置組成

行走功能單元是裝置實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，主要由履帶輪、機(jī)體和控制部分組成.行走電機(jī)輸出軸與底盤(pán)驅(qū)動(dòng)輪固定連接，通過(guò)輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)履帶底盤(pán)行走.采用履帶底盤(pán)的優(yōu)勢(shì)是承載能力強(qiáng)、牽引力大、運(yùn)行平穩(wěn)、靈活性高.

清雪功能單元是裝置的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)集雪和拋雪兩大功能.裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)為市場(chǎng)上常見(jiàn)的絞籠式清雪機(jī)樣式，通過(guò)懸掛支耳與整機(jī)底盤(pán)連接，利用皮帶驅(qū)動(dòng)拋雪葉片工作，實(shí)現(xiàn)集雪和拋雪操作[11-12].

積雪壓實(shí)功能單元是小型智能化清雪壓塊機(jī)器人的關(guān)鍵組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)將松散的雪壓縮成具有一定密實(shí)度的雪磚.裝置分為落料系統(tǒng)(上部)和壓實(shí)系統(tǒng)(下部)兩大部分，分別見(jiàn)圖2、圖3.

雪磚碼放單元實(shí)現(xiàn)將壓制完成的雪磚堆疊存放于雪磚托板之上，在絲杠與升降絲杠電機(jī)帶動(dòng)下將雪磚放置于指定區(qū)域，以便于后期集中轉(zhuǎn)運(yùn)，見(jiàn)圖4.

小型化道路積雪清掃壓塊裝置通過(guò)前端的清雪鏟收集雪，螺旋扇葉在電機(jī)帶動(dòng)下將雪送至料斗，在料斗中將雪二次打碎，均勻地進(jìn)入積雪壓實(shí)單元的雪倉(cāng)中，便于雪磚壓實(shí).同時(shí)，由曲柄帶動(dòng)的壓雪板在電機(jī)帶動(dòng)下對(duì)松散的雪進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)，直至達(dá)到密實(shí)度檢測(cè)板設(shè)定的密實(shí)度.曲柄會(huì)保持在最大長(zhǎng)度位置，雪倉(cāng)在左、右滑移絲杠帶動(dòng)下向前端運(yùn)動(dòng)一個(gè)預(yù)定距離，使壓實(shí)完成的雪磚落在碼放單元的升降托盤(pán)上，隨后在升降絲杠的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)一個(gè)單位，以便壓實(shí)下一個(gè)雪磚，直至可碼放雪磚達(dá)到最大數(shù)量，最后將雪磚整齊疊放于指定區(qū)域.整個(gè)工作過(guò)程都由控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各部分完成，工作流程見(jiàn)圖5.

3 機(jī)械系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

3.1 積雪壓實(shí)功能單元

積雪壓實(shí)單元主要分為兩部分：落料裝置和壓實(shí)雪磚裝置，見(jiàn)圖6.落料裝置主要由料斗、攪拌軸、支撐架及攪拌電機(jī)組成；壓實(shí)雪磚裝置主要包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、壓雪板、脫模電機(jī)、雪倉(cāng)、絲桿和密實(shí)度檢測(cè)板.積雪壓實(shí)功能單元安裝在一個(gè)支撐框架平臺(tái)上，與行走功能單元相連.

圖6 積雪壓實(shí)功能單元三維結(jié)構(gòu)

雪磚壓實(shí)的過(guò)程實(shí)際上是一組連貫的往復(fù)運(yùn)動(dòng).曲柄搖桿機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定、制造方便、工作空間較小、結(jié)構(gòu)緊湊.曲柄搖桿壓制執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7.兩塊曲柄由曲柄軸連接，搖桿的末端設(shè)有與壓雪板連接的結(jié)構(gòu).曲柄1與壓實(shí)電機(jī)相連，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄再帶動(dòng)搖桿，將動(dòng)力傳遞給壓雪板，使其在雪槽內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng).

圖7 曲柄搖桿壓制執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

壓雪板設(shè)計(jì)成抽屜形，使壓雪板在雪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定，上方的擋板還能防止雪下漏在擋板后方.當(dāng)壓雪板處于初始位置時(shí)，雪由料斗落入雪槽中；當(dāng)壓雪板推雪動(dòng)作完成后，壓雪板上方的擋板會(huì)將雪槽上的進(jìn)雪口堵住，防止雪下漏，使雪始終落于壓雪板前方，擠壓成雪磚.雪倉(cāng)及壓雪板工作狀態(tài)見(jiàn)圖8.

圖8 雪倉(cāng)及壓雪板工作狀態(tài)

密實(shí)度檢測(cè)板后方設(shè)有壓力傳感器，固定在堵雪板上，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)壓力，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后，該裝置能夠?qū)⑿盘?hào)反饋給擠雪電機(jī).密實(shí)度檢測(cè)板安裝位置見(jiàn)圖9.

圖9 密實(shí)度檢測(cè)板安裝位置

在雪倉(cāng)底部設(shè)有一對(duì)滑軌，將雪倉(cāng)重量轉(zhuǎn)移到滑塊上，避免雪倉(cāng)與支撐平臺(tái)直接摩擦，使雪磚更容易脫模.

3.2 雪磚碼放單元

雪磚碼放單元主要實(shí)現(xiàn)將壓實(shí)完成的雪磚放置在雪磚托板上，再通過(guò)絲杠的傳動(dòng)將其放置于地面上，實(shí)現(xiàn)雪磚碼放.雪磚碼放單元主要包括雪磚托盤(pán)、升降絲杠和控制電機(jī)、升降光杠、升降絲杠同步帶，見(jiàn)圖10.

升降同步皮帶的主要作用是將動(dòng)力分配給左、右兩邊的絲杠，使其同步工作，包括帶輪、皮帶、張緊輪支座等，可以通過(guò)調(diào)節(jié)張緊輪支座控制皮帶的張緊程度，使其兩端的絲杠處于同步工作狀態(tài)，避免由于皮帶與帶輪型號(hào)不匹配導(dǎo)致的問(wèn)題.升降絲杠同步帶傳動(dòng)見(jiàn)圖11.

4 壓實(shí)機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

4.1 密實(shí)度最小成磚壓力

壓強(qiáng)與施加力F的關(guān)系：

F=p×S，

式中：p為抗壓強(qiáng)度；S為雪磚壓縮面面積.

壓縮機(jī)構(gòu)本質(zhì)是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，電機(jī)給曲柄提供轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓縮.為了測(cè)量獲得額定壓縮力時(shí)需要的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，可預(yù)先設(shè)定滑塊獲得的壓力，從而得出電機(jī)轉(zhuǎn)矩.

將壓縮機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成如圖12 a的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中，AB為曲柄，BC為連桿，設(shè)定變量θ、α、β(0≤θ≤π).力學(xué)分析如圖12 b，F(xiàn)B對(duì)A點(diǎn)的力矩與電機(jī)轉(zhuǎn)矩相等，F(xiàn)Cx是FC的水平方向分力.

圖12 雪磚壓實(shí)機(jī)構(gòu)受力分析

基于力學(xué)平衡關(guān)系及幾何位置關(guān)系可知：

Me=AB×sinα×FB，

整理后可得

α=π-θ+β.

其中：Me為動(dòng)力源提供的驅(qū)動(dòng)力矩，N·m.

(1)

(2)

式(1)是Me關(guān)于唯一變量θ的關(guān)系式，式(2)是式(1)的逆關(guān)系.利用MATLAB軟件，對(duì)式(2)進(jìn)行運(yùn)算繪圖，可以得到圖13.由于θ趨于0或π時(shí)，Me趨于無(wú)窮大，因此，舍去兩端，便于圖像觀(guān)察.

圖13 雪磚壓制力MATLAB數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)施加在雪磚上的正壓力滿(mǎn)足FCx≥36 kN(由雪磚抗壓強(qiáng)度與雪磚壓縮面面積乘積所得)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)松散雪的壓實(shí)成型.由圖13可知：當(dāng)曲柄AB與機(jī)架的夾角θ≥2.818 rad時(shí)，可獲得最低密實(shí)度的雪磚.曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，雪磚密實(shí)度將進(jìn)一步提高.通過(guò)堵雪板上安裝的壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)指定密實(shí)度雪磚的壓制.

4.2 基于Adams的雪磚壓制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

利用Adams軟件，根據(jù)雪磚壓制機(jī)構(gòu)的基本原理構(gòu)建剛體模型，見(jiàn)圖14，約束關(guān)系見(jiàn)表2.

圖14Adams簡(jiǎn)化模型Fig.14Adams simplified model表2 約束關(guān)系Tab.2 Constraint relationships約束名稱(chēng)構(gòu)件1構(gòu)件2約束副放置位置Joint1曲柄機(jī)架旋轉(zhuǎn)接觸點(diǎn)Joint2曲柄連桿旋轉(zhuǎn)接觸點(diǎn)Joint3連桿沖頭旋轉(zhuǎn)接觸點(diǎn)Joint4滑槽機(jī)架鎖定接觸點(diǎn)Joint5沖頭滑槽移動(dòng)接觸點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)加載.在曲柄軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)副上加載旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)工作要求設(shè)定轉(zhuǎn)速為30 r/min.沖頭參數(shù)(位移、速度、加速度)曲線(xiàn)見(jiàn)圖15.

圖15 沖頭運(yùn)動(dòng)參數(shù)

結(jié)合沖頭行程軌跡，得出有效沖壓過(guò)程，見(jiàn)圖16.由圖16可見(jiàn)：運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)位置并不是沖程的起點(diǎn).針對(duì)圖像進(jìn)行組合分析，見(jiàn)圖17，其中，綠色框線(xiàn)標(biāo)注范圍為沖頭工作的半周期.由圖17可得沖程加速度為147.6 mm/s2，結(jié)合軟件測(cè)算可知，沖頭在工作過(guò)程中的沖壓力為42.7～53.2 kN，達(dá)到了雪磚壓制力FCx≥36 kN的要求，可以保證雪磚壓制成型.

5 小結(jié)與討論

本文基于小區(qū)、校園等狹小環(huán)境道路積雪清理及轉(zhuǎn)運(yùn)需求，在分析雪物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，研制了一款集清雪、送雪、壓雪、碼雪功能于一體的小型化道路積雪清掃壓實(shí)裝置.該裝置可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)雪的清理和壓塊碼垛整理，可為冬季路面積雪的高效轉(zhuǎn)運(yùn)和就地處理提供新的解決途徑.本文詳細(xì)論述了小型化道路積雪清掃壓塊裝置的設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)積雪壓實(shí)、雪磚碼放單元等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì).在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件仿真分析了雪磚壓制機(jī)構(gòu)的工作可行性，驗(yàn)證了裝置工作和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性.本文設(shè)計(jì)的裝置可為小區(qū)、校園等狹小環(huán)境積雪的高效轉(zhuǎn)運(yùn)和就地處理提供新的解決途徑.由于受試驗(yàn)條件限制，僅對(duì)裝置進(jìn)行了理論研究、仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上完成了物理樣機(jī)的研制，但暫未開(kāi)展除雪效率、壓實(shí)及碼垛性能測(cè)試，還有待于在真實(shí)除雪狀態(tài)下進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證.