可自动控制化雪装置的外观和结构设计
王东琦 刘园
摘要：利用计算机辅助建模工具，对化雪装置进行数字化3D建模，根据模型的尺寸和使用功能，对其外观和结构进行设计和分析。其活动部件采用齿轮机构连接，在结构上可使装置进行多角度翻转，保证装置的可靠性和实用性。整个装置以电动机为动力源进行传动，以温度传感器和雪量检测器为核心，基于电子控制系统，将温度变化转换为电子信号，通过电子控制系统控制电机运转，从而实现化雪装置自动控制。
关键词：工业设计；曲面造型；计算机辅助工业设计；结构设计
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2017）07-0112-02
引言
目前道路化雪方法为移除法和消融法，移除法是利用人工和机械设备对路面积雪进行清除，该方法效率低费用高，影响交通。消融法是指用融雪剂对路面积雪进行融化，主要缺点是造成路面腐蚀。近几年国内最新的研究技术有钢纤维石墨导电混凝土在路面的应用和路面微波除冰技术，这些新技术正处于技术研发和材料研究阶段，暂时不能大规模推广。根据目前研究成果，拟设计一项可安装在路灯上的装置，与路灯电网连接，辅助使用风能和太阳能发电，通过温度传感器和雪量检测器实时监测环境温度和降雪量，在温度和降雪量达到一定数值时自动开启，对路等周围积雪进行加热消融，达到除雪的目的。本文研究重点是解决该装置的外观及结构设计，使其满足相应的结构设计要求，从而实现装置的自动化控制。
一、技术背景
1952年，Chapman发表了“融雪系统设计”一文，可以看作是道路除雪化冰技术研究工作的开端。1970年，Schnurr等人对融雪管道的布置问题进行了研究，初步得到了融雪温度与埋管管径、深度、间距以及长度等因素之间的关系，具有一定的实际应用价值。1995年，美国的Aklahoma大学以Spilter教授为主的研究小组在地源热泵技术基础上开展了卓有成效的道桥融雪理论与实验工作。总体来讲，欧美国家对于路面除雪除冰的研究和技术发展较为迅速，而我国尚处于起步阶段。
2016年，莫斯科钢铁与合金学院的科学家研发了一款混合发电装置，能将太阳能和风能转化为电能，可广泛应用于各种气候条件。据称，该发电装置的多项参数优于国际同类产品，风力发电加太阳能发电使得其发电效率超过现有风力发电装置15%～20%。此外，由于内部结构简单，发生故障时很容易修理。
二、国内外发展现状
关于道路除雪除冰技术，日本、美国和一些欧洲国家是从预防的角度出发，铺装防冻路面，或将弹性橡胶颗粒等以填料的形式掺进沥青混合料中，利用不均匀变形使橡胶颗粒周围形成应力集中，从而达到除冰雪的目的。前几年较为流行的方法是在路面下铺设发热电缆，这种方法需要破除和重建路面，成本较高，能源消耗较高，材料正处于研究阶段，尚未大规模使用。
国内最为常见的除雪除冰方法是利用除雪车辆和环卫工人进行人工机械方式除雪，劳动量大，效率低。近年来微波加热除冰技术兴起，研制装载微波加热技术的除雪车，利用微波能透过冰层加热路面，达到消除积雪的目的，目前正处于研究和实验阶段。
总体上国内外的除雪除冰技术重点研究两方面，一方面是改造路面，利用路面达到除雪融雪的效果，另一方面是研制新型的除雪车，使用新技术代替传统的机械车辆除雪方式。
三、设计思路及原理
根据目前道路除雪除冰技术的发展现状，借鉴现有的道路除雪方式方法，提出一种新型的除雪除冰方式。拟设计一款可安装在街道路灯灯柱上的外部装置，该装置设有可翻转式发热叶片，可向外界散射热辐射。该装置使用风能和太阳能混合发电系统供电，由温度传感器和雪量监测装置对环境变化进行数据处理并转换为数字信号传递给电子控制系统，通过电子控制系统对信号进行处理，控制机械装置运转，从而控制发热叶片的开启和闭合，对路面积雪进行加热融化，实现装置的自动化控制。
设计原理（如图1）
该装置的风能太阳能发电系统拟采用莫斯科钢铁与合金学院设计研发的混合发电装置，来提高整个发电系统的发电效率和电能转换率，发热装置采用碳纤维层压复合导电发热板，在发电功率允许的范围内保证装置能够有效地对周围积雪进行加热和融化。
四、设计部分
（一）外观设计：整体采用柱形外观，根据路灯的尺寸设计一系列不同规格，配色方式多样，可以根据不同城市街道路灯特点进行个性化定制。安装方法采用包裹式安装方法，将装置牢固的安装在路灯灯柱上，每个装置带有可翻转式加热叶片，通过电子控制系统实现自动开启和闭合（如图2、3）。
（二）传动结构分析设计：
1.方案1：液压传动机构
使用一套液压系统，通过液压油泵向整个系统提供动力，带动执行元件实现机械运动。
2.方案2：连杆传动机构
使用连杆机构，利用杠杆原理，将装置的发热叶片作为连杆的一部分，通过凸轮传递动力，控制发热叶片开启和闭合。
3.方案3：齿轮传动机构
将发热叶片末端装配齿轮，配合轴承等，使用电动机作为动力源，利用齿轮传递动力实现叶片的开合（如下表）。
（三）尺寸和结构分析设计：根据统计和数据分析，一般路灯灯柱直径在100mm到170mm之间，拟设计该装置的外观尺寸为直径在200ram左右，内部直径根据不同规格的路灯进行相应的调节，可调整范围在105mm到180mm之间，确保能够顺利安装在大多数的城市路灯灯柱上。装置的高度在700mm到800mm之间，翻转式加热叶片长度在600mm到00mm之间，翻转角度控制在0°到110°的范围内。
根据外观尺寸，内部空间尺寸不大，故可以排除使用方案2的连杆传动机构，由于该装置主要用于冬季处理积雪和加速融雪，室外温度在零度以下，而液压系统液压油的正常工作范围一般在30℃到80℃之间，温度过低会导致液压油黏度大，流动性差，阻力大，工作效率低，严重时会损坏液压马达。所以不采用方案1的液压传动系统。根据实际使用环境和该装置的结构特點，故选用结构简单，可以在恶劣环境中工作的齿轮传动结构，保证该装置能装配齿轮结构以及在低温下正常工作。
（四）结构设计：根据上述分析，该装置最终选用齿轮传动机构。由于装置的内部空间较小，故选用圆锥齿轮，使电动机的轴线和发热板外壳的旋转轴线互相垂直，只用两个齿轮达到控制发热叶片的开合，使齿轮机构简单，便于生产制造和后续的维修护理。对于该齿轮机构，在结构设计上主要考虑两个轴的装配关系和相对位置，应在装置内部留有相应的尺寸空间和装配位置，确保电动机的轴线与发热叶片的旋转轴线能够在同一个平面上垂直相交，对于此装置而言，该平面应与水平面相互垂直。在齿轮的选择上，选择—对直齿圆锥齿轮，改变电动机的扭矩方向，将电机的垂直方向上旋转的扭矩转换成水平方向旋转的扭矩，从而实现发热叶片在水平方向上的开启和闭合。
1.装置结构（如图4）所示
注：（1）主体外壳（2）发热叶片外壳（3）嵌入式发热片（4）活动结构（齿轮机构）
2.齿轮连接部分结构（如图5）所示
注：（1）加热叶片转轴（2）圆锥齿轮（3）圆锥齿轮（4）电动机
3.直齿圆锥齿轮结构设计（如图6）所示（图为Proe计算机辅助建模零件图）
注：关于直齿圆锥齿轮的数据计算可根据《国家标准》进行计算。
结论
本论文分析研究了在道路化雪相关领域内的一些历史背景和技术发展，通过对各种除雪方法的分析和比较，提出了一种新型的路灯外置式化雪除雪装置，并对此装置的原理进行了简要阐述，其中运用到了一些现有的科学技术和材料，在研究过程中对于齿轮的设计计算、发电机功率转换和发热板的发热功率等方面的计算数据并未做充分解释，由于学科领域不同，故未做深入研究。
论文重点在理论上对该装置的外观设计和分析，得到了相应的外观尺寸，从而确定了本装置的内部结构尺寸，进一步进行分析和设计，综合分析比较不同结构的使用特点以及各自的优点和缺点，得到了较为适合的结构以及机械传动装置，确保了本装置能够达到预期的效果。通过计算机辅助设计的手段，解决了该装置的结构问题，使该装置能够制作生产出实物模型，为本项研究从理论分析向实际操作实验做好了准备，可以进一步进行对该模型的检测、试用和反馈等工作，通过实物模型进一步完善该装置的各方面设计，对于后续的深入研究和设计具有一定的借鉴意义。
