一种健身式路面除冰雪机械装置设计

王铁庆 ，郭映江

（西北农林科技大学机电学院，陕西 咸阳 712100）

0 引言

冬季降雪后，道路积雪经过踩踏或车辆碾压后形成冰雪层，会严重危害道路交通安全。对于居民小区、学校校园等环境内部道路，如果采用人工清理路面冰雪，不但费工费力，效果还不好，而如果经常使用除雪剂，则会给人和周围环境带来一定危害。此外，受多种因素的制约，该环境道路除冰雪也不太适合采用大型专用除雪车辆。

近年来，人们对小区环境道路除冰雪机械进行了一些相关研究和设计。李艳龙等[1]设计了一种小型离心式抛雪机，具有除雪功能，但不适合除冰作业。冯宁等[2]研制了一种小型冰雪路面除冰机，可用于清除路面结冰，但是不能独立行走，需要与通用的工程机械连接使用。牟艳秋等[3]设计了一种柴油机驱动的小型破冰除雪机，以柴油机作为动力源，存在噪声较大、有废气排放等缺点。李晓建等[4]设计了一种清雪除冰机，采用汽油发动机作为动力源，适用于市政环卫道路、高速公路、机场等场所的积雪清扫工作。马东辉等[5]设计了一种安装在三轮车上可拆卸的扫雪装置，使三轮车同时具备了扫雪和装载的功能，当不需要除雪时，扫雪装置可悬挂在车架上或者拆下。孙海朋[6]为解决城市内部的小巷小道、住宅小区等场所的除冰问题，设计了一种小型除冰机，采用柴油机作为动力机，噪声较大且有废气排放。吕书栋等[7]设计了一种路面除冰装置，先通过除冰碾压辊和碎冰清扫板对路面冰层进行破碎，再喷洒除冰剂以防止二次结冰。刘倍贝[8]设计了一种路面仿人工除冰车，能模仿人工手持凿铲，靠臂力提铲再加速向下凿冰的动作替代人力清除结冰层或硬雪层。郎超男等[9]进行了健身车与洗衣机的组合设计，利用人健身时产生的运转动能为洗衣机提供能量。吴昌松等[10]设计了一款手脚并用的多摇杆驱动机构的健身洗衣机，通过脚踏和手摇带动滚筒转动，实现洗衣功能。

基于功能组合创新的原理，针对学校校园、居民小区等环境道路冬季除冰雪的问题，同时考虑人们冬季健身的需求，研究小组设计了一种健身式路面除冰雪机械装置，将除冰雪工作与冬季健身运动结合起来，具有噪声小、无废气排放等特点。

1 总体设计方案与工作原理

健身式路面除冰雪机械装置原理图如图1所示，其主要由执行机构、传动机构和底盘行驶机构组成。其中，执行机构包括热鼓风机4、振动碾压辊5、凿冰轮7、集雪铲8和激振器12；传动机构主要是链传动Ⅰ和Ⅱ；底盘行驶机构主要包括前叉1、前轮2、后轮6、机架9和电瓶11等。

图1 健身式路面除冰雪机械装置原理图

该机械装置对路面冰雪的清除工作由以下4种工艺完成：首先，用热鼓风机4对冰雪路面进行加热预处理，以减小压实冰雪的密度和强度；其次，振动碾压辊5在激振器12的作用下对冰雪进行预破碎，使冰雪层的联接强度进一步降低甚至松散；再次，利用凿冰轮7对冰雪层进行凿削，以使冰雪层与路面彻底分离；最后，利用集雪铲8收集路面残碎冰雪并归集到路边。

电瓶11为热鼓风机4和激振器12提供能量。机架和车轮、前叉等结构类似于脚踏式三轮车，工作时操作者坐在座椅上面骑乘，一部分脚踏能量通过链传动Ⅰ驱动后轮前进，另一部分能量通过链传动Ⅱ驱动凿冰轮7旋转工作，这样就将除冰雪工作与脚踏车健身运动结合了起来。

2 热鼓风机和电瓶的选配

热鼓风机选择某直流鼓风机，额定功率500 W，加热空气温度范围60 ℃~600 ℃，出风量300 L/min~600 L/min。热风机出风后，经过离地间隔约10 mm的鼓风筒扩散，作用于路面冰雪层。直流电瓶用于给热鼓风机及激振器提供电能，电瓶容量60 Ah。

3 振动碾压辊机构设计

振动碾压辊机构主要由弹簧1、门型支架2、碾压辊3和激振器4组成，其结构如图2所示。为了增强冲击效果，碾压辊的外形仿照羊角碾的结构，做成外凸块状，材料选择耐磨性较强的球墨铸铁QT400。碾压辊总长Ln=760 mm，外径Dn=170 mm，内径dn=140 mm。激振器的最大激振力200 N，最大振幅±10 mm，激振频率50 Hz，安装在门型支架上部。碾压辊安装在门型支架下端，依靠弹簧复位。工作时，激振器带动门型支架及碾压辊高频低幅振动，对地面冰雪进行预破碎。

图2 振动碾压辊机构

4 凿冰轮设计

凿冰轮采用与参考文献[2]中类似的结构，单个凿冰轮由可换锤头、锤柄、中心架和弹簧组成，再整排安装在轴上，其结构如图3所示。除冰雪装置前进时，凿冰轮不停地旋转，对地面冰雪层产生凿削作用，弹簧在作业过程中起到缓冲作用。根据可换锤头的工作状况，其材料选用硬度较大、耐磨性强的工具钢材料W18Cr4V。

图3 凿冰轮整排安装结构

5 机架与前叉设计

机架与前叉是健身式路面除冰雪机械装置的重要结构部件，起支撑各执行部件、传动部件和其他辅助部件的作用。由于健身式路面除冰雪机械装置由人力脚踏驱动，而铝合金材料有密度小、耐腐蚀性高等优点，所以机架和前叉结构选择了6063铝合金型材制造。设计的机架结构和前叉结构分别如图4和图5所示。

图4 机架结构

图5 前叉结构

6 车轮设计

健身式路面除冰雪机械装置行驶在压实冰雪路面上，对防滑的要求高，为此，将两个驱动后轮设计为刚性防滑轮，采用对称斜横向纹理，同时适当加宽轮面，以增大接地面积，提高防滑能力。为保证转向的灵活性，前轮采用常规的自行车车轮。前轮和后轮结构如图6所示。

图6 前轮和后轮结构

7 整机装配设计

在前面设计的各组成部件的基础上，对除冰雪机械装置进行整机装配设计，无机壳整机装配图如图7所示。为了增强安全防护性并满足外形美观的需要，进一步设计加装了健身式路面除冰雪机械装置的机壳，如图8所示。另外，为了更加节能环保，在外壳顶部加装了太阳能板，在阳光下可将太阳能转换为电能，并存储于该机械装置的电瓶中。

图7 整机装配图（无机壳）

图8 加装机壳和太阳能板后的整机外观图

8 机架和前叉静力学有限元分析

机架作为整机安装和支撑的载体，所受载荷较大，且结构较复杂，因此应用SoldWorks Simulation软件对其进行了静应力有限元分析。在仅考虑整机静载重量的情况下，静应力分析结果的应力云图如图9所示。结果显示，在静载下，机架的最大弯曲应力为3.35 MPa，远小于材料的许用弯曲应力220 MPa，满足强度要求。另外，前叉部件所受载荷也较大，对其也进行了静应力分析，其应力云图如图10所示。分析结果显示，前叉部件最大弯曲应力为115 MPa，小于材料的许用弯曲应力220 MPa，满足强度要求。

图9 机架静应力云图

图10 前叉静应力云图

9 结论

基于冬季健身运动和小区路面除冰雪工作相结合的原理，研究小组设计了一种健身式路面除冰雪机械装置，适合学校校园、居民小区等场所的内部道路使用，在健身运动的同时，利用机械化优势解决路面除冰雪难题。在动力方面，该装置可使用健身运动能量和太阳能，噪声小，无废气排放，环保性能良好。

该机械装置还有助于培养人们的健身意识和参加公益活动的意识。将脚踏健身运动结合到路面除冰雪工作中，人们在锻炼身体的同时进行公益除冰雪工作，增强了除冰雪工作的娱乐性和公益性。此外，做进一步研究设想，后续可进行该机械装置的轻量化和骑行舒适性等方面的优化设计。