一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备的制作方法

本实用新型涉及除冰设备技术领域，特别适用于一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备。

背景技术：

冬季雪后路面容易结冰，给各国造成了严重的经济损失。目前，国内外的除冰方法整体而言可以分为三种类型：化学除冰法、热力除冰法和机械除冰法。

化学除冰法是通过使用盐类等除雪剂降低冰点使冰雪融化。化学除冰法操作简单，使用方便，应用较广，但其存在着以下不足：1)环境威胁大，严重地污染了当地环境。2)腐蚀路面，严重影响路面寿命，危害附近植被。3)化学剂受温度影响很大，在低温时，实际使用效果远远低于预期效果。

热力除冰法是利用热能使冰雪融化，主流方法有微波加热和红外加热两种。1)红外加热是通过加热红外线加热板，从而产生热辐射使道路冰雪融化。2)微波加热是利用路面对微波的吸收能力强于冰雪，让微波透过冰面加热路面与冰面的连接部分，使冰面与路面之间的结合力消失，再辅以机械装置，达到除冰的目的。

上述两种除冰方案除冰效果非常好，除冰速度缓慢。微波加热除冰，对路面颜色等性质要求严格，只有在沥青路面等深色路面才会有较好的作用。红外除冰技术成熟，但能耗太大，微波除冰能耗相对较小，但技术不成熟，这两者均未得到广泛运用。

机械除冰是通过机械装置对冰面的直接作用来清理冰面。机械除冰的方式效率高，环保无污染，不会损坏路面，污染环境。同时机械除冰易于模块化设计，大多可直接与现有除冰设备搭配使用，市场采纳率高，目前在国内广泛采用。机械除冰按工作方式可分为五类，1)静碾压裂式，工作装置悬挂于装载机前端，通过滚压轮上的组合刀片，依靠滚压轮自身的重量和来自装载机动臂和摇臂的协调压力，在主机作用下处理冰层。2)铲剁式，由多刀刃组成的工作铲在曲轴的带动下上下运动，对路面冰层进行剁击，该机构采用柔性连接，实现了对路面高低不平的自动补偿。3)振动式，振动式车载液压系统驱动振动马达,带动偏心块的旋转,在离心力的作用下,振动轮沿圆周径向运动。对路面冰层来说,既有上下方向的振动作用力,又有水平方向的揉搓作用力,振动轮表面的凸块切入并挤压冰层,致使冰层断裂破碎与地面剥离,达到除冰的目的。4)柔性链条击打式，柔性链条击打式采用特制链条,前端安装吊环,在主机的驱动下,链条作高速旋转,对路面进行柔性击打,从而获得破冰效果。5)高压水射流法，高压水射流技术除冰,是指用高压设备将水压增大,利用强大的水压将冰破碎达到除冰目的。但以上方式有各自局限性。前四种方式，由于路表平面不均，作用在刀具上的力较大，而机械设备难以把握除冰力度，容易损害地面，损伤设备。第五种方式由于用到高压水流，对设备要求较高，同时冲击的水流会在短时间再次结冰，所以只能在特殊场合下使用。

鉴于上述除冰技术的局限性，近年来，国内相继提出利用铣刀除冰的的铣削式除冰方案。

朱自成、张学军等，在中国农机化学报上发表了名为《机械铣削式除冰装置的设计与实验研究》的论文，结合热水射流切割除冰的方法，提出并设计了一种机械铣削除冰装置。导杆与滚轮共同构成该装置定位机构，电机连接铣刀固定在钢架上，定位机构与刚架相连，钢架以及铣刀的最低点由导轮确定，使用热水射流把冰面分割成独立模块，并形成冰槽，使得导轮与地面接触，从而确定了铣刀切削深度，减少了铣刀的磨损和对路面的破坏。并结合王浩青的《切削力理论计算公式的局限性探讨》等文章通过的相关计算以及实验，推导除了铣刀铣削的相关公式，建立了相关的铣削数学模型。

申请号为201610516316.5，申请公布号为CN 105970873 A，申请公布日为2016.09.28的中国专利公开了一种铣削式除冰设备，该设备是采用热水射流与机械铣削式路面除冰设备，使用了燃油锅炉来提供热水射流，通过多个铣刀模块的左右并排形成了作业宽幅，铣刀盘体上的铣刀实现径向进给除冰。铣刀盘的切削余量，同样是通过热水射流，形成冰槽，使得每一个铣刀盘相对应的导轮与地面接触，由于两者刚性接触，从而确定了铣削余量，使得铣刀高度能够随着地面的高度变化而变化，铣刀盘与电机上接升降模块，从而使得切削余量可变，铣削产生的冰渣由上下可调的推雪装置处理，铣刀铣削最后剩下的冰面由热熔设备或喷洒盐水处理。与现有技术中的机械除冰装置相比，不需设置刀辊，有利于减轻整体重量，并且能够大大减少刀片数量，制造、维护方便。

上述两方面在铣削除冰的设计研究方面取得了很大进展，但是在雪后极端情况下，难免出现严重损害铣刀的的障碍物，再加上道路本身存在的的障碍物，会导致铣刀的严重损伤，因此需要相应的合理的装置，实现一定程度的合理避障。另外导轮与地面接触，铣刀最低点高于导轮最低点。导轮与铣刀刚性连接，让铣刀能随着导轮的起伏而起伏，从而一定程度应对路面起伏的问题，但在凸起顶端，与下凹的最低端，会出现铣刀与地面接触的情况，因此，需要铣刀与导轮有一定的延迟性。另外刚性连接也会使得导轮的冲击容易传递到铣刀，影响装置寿命。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备，具体技术方案如下：

一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备，包括机架、热水射流导轮模块、三角轮模块、铣刀模块、推铲、热熔除冰模块和指令控制中心；由两个以上的热水射流导轮模块、以之对应的两个以上的三角轮模块、两个以上铣刀模块与指令控制中心组成除冰设备。

所述热水射流导轮模块通过螺栓连接在机架下端，三角轮模块设置在热水射流导轮模块两侧的后方，铣刀模块、推铲、热熔除冰模块依次设置在热水射流导轮模块后方，均通过螺栓连接在机架下端，指令控制中心设置在机架上端；

所述热水射流导轮模块由喷口座、双曲柄机架、连架杆、导轮连杆、回复弹簧、导轮、受力装置和红外接收器组成；

所述双曲柄机架与导轮连杆通过两个连架杆连接，回复弹簧连接在双曲柄机架安装座和导轮连杆顶端上，导轮设置在导轮连杆底端，红外接收器附着在导轮连杆上面，红外接收装置竖直方向中心设有一个上中心红外接收器，中心红外接收器上下对称分布着若干红外接收器；

所述受力装置为金属杆和压力传感器，通过金属杆一端连接压力传感器，另一端设置在导轮连杆下端一侧面，用于实现导轮的防卡死减小刚性冲击；

所述双曲柄机架与导轮连杆构成一个平行四边形，使得导轮与导轮连杆在连架杆的作用下可以上下竖直运动，回复弹簧通过弹力使得导轮与路面紧紧贴住；

所述喷口座设置在双曲柄机架前端，喷口座上端设有入水口，下端纵向排列多个喷口；

所述三角轮模块由轴承导轮、三角固定板、障碍物检测杆、外部法兰、内部法兰、短轴、支撑铜柱、机架连接杆和红外终端传感器组成；

所述四个三角固定板两两结合构成一组结构支撑，三支撑铜柱在每一组三角固定板之间绕中心轴阵列起到支撑作用，短轴在内法兰与前后两个定位圆盘与垫圈的作用下，固定在一组三角固定板中心，向外部延伸；三个轴承导轮在一组三角固定板之间，以短轴为中心阵列在三角固定板三个顶点，中间凸台长度等与支撑铜柱长度；两组之间三角固定板之间，由障碍物检测杆连接；短轴向外延伸的部分连接一外部法兰，外部法兰与机架连架杆相连，机架连架杆与机架铰接，从而使得三角轮在可以绕短轴旋转的同时，也可以使整体通过机架连杆与机架的铰接转动而在竖直方向上实现位移；红外终端传感器设置在与机架连架杆连接的机架上；

铣刀模块由升降装置、升降平台、铣刀和红外发射装置组成，升降装置由电机、失电制动器、丝杠、导轨、滑块组成，电机通过联轴器与丝杠相连，丝杠的螺母、滑块与升降平台相连，丝杠的上下轴承座与导轨的上下两面分别与固定在升降平台的两端，升降装置带动升降平台上下活动，铣刀通过连轴器与电机连接固定在升降平台上，从而带动铣刀的上下活动；实现升降平台的垂直位移，失点制动器与电机组合实现快速定位与防险制动；在电机与铣刀上附着红外发射装置；

所述热熔除冰模块为通过红外加热红外线加热板从而产生热辐射是道路冰雪融化。

所述的一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备，其优选方案为推铲为倾斜角度双面板的V形推铲。

所述的一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备，其优选方案为所述红外发射装置由上下排列的两个红外发射器组成，两个红外发射器发出的红外线距离为2mm。

一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备的工作原理：一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备采用两个以上左右并排设置的铣刀模块形成作业宽幅，在除冰设备前进时，通过热水射流导轮模块与红外传感器的运用实现铣削深度的确定，遇见障碍物时，指令发射器接收三角轮红外中断传感器的信号，从而控制铣刀模块的升降，达到了对规避障碍物的目的。与其他机械除冰方式装置相比，不需设置刀辊，大大减少刀片数量，制造、维护方便。与铣刀铣削除冰装装置相比，同时具备一定合理避障能力，避免了控制切削余量的导轮卡死，避免了导轮的冲击传递给铣刀，以及难以应对道路凹凸起伏等问题。

本实用新型的有益效果：本实用新型的技术方案适合在复杂环境中的工作，具有良好的可维护性，且具有结构简单、操控性好、适应能力强、成本低、系统动力源少、且运行方位任意控制等优点。

与以往的铣刀铣削式除冰设备相比，具有以下几个优势。第一，解决了现有的铣刀铣削除冰式装置不具备一定合理避障能力的问题，先前学者的研究关注点集中在铣削余量的控制上，并没有注意考虑到正常情况下，道路上具有大硬度的大尺寸障碍物对于铣刀的严重损耗，不具备现实意义。而本设备通过对三角轮模块的研究，设计了针对大尺寸障碍物机械检测的方案，结合红外中断传感器，利用简单的三角轮机构实现了一定程度的合理避障，与多个三角轮模块意义对应的电机与铣刀装置。当工作路径上出现障碍物时，该工作路径上的铣刀上升，而其他铣刀正常工作。当积雪厚度过深时，可以在三角轮模块与热水射流导轮模块前方设置钢刷，使冰面裸露出来，方便三角轮模块检测障碍物。如果用红外雷达直接检测障碍物的话，不仅费用高昂，而且很难实现障碍物工作路径上的铣刀上升，而其他铣刀正常工作的功能。第二，设置了控制切削余量的导轮的防卡死装置，并且减小了导轮刚性冲击的传递。在以往的研究当中，当铣刀铣削装置在工作时，控制切削余量的导轮一但在工作路径上遭遇大尺寸障碍物，很容易出现卡死现象，从而导致铣削装置不能正常工作，并且将会传递较大的刚性冲击。而上述除冰方法，通过双曲柄装置的设置，使得导轮与连杆刚性连接，而四杆机构的机架与除冰车的整体机架相连，从而使得导轮可以上下运动。通过受力装置实现了导轮的防卡死，有效地减小了刚性冲击。另外回复弹簧的设置，也使得导轮能更紧密的接触地面。第三，实现了铣刀跟随导轮的延后升降的目的，在以往的切削余量控制中，导轮与铣刀的刚性连接是为了使得铣刀能随着导轮的起伏而减小对地面的磨损，保护铣刀。但运用此种方法时，在凸起的顶端或者下凹部分的最低点，容易使得铣刀与地面接触。最明显的一个例子就是，不能成功跨越道路上经常出现的减速带。而上述除冰设备，通过红外传感器的简单运用，使得铣刀沿导轮随着地面起伏而延后升降，解决了这一问题。

因为铣刀铣削式除冰在在除冰速度、除冰范围、节能环保等方面的优势，有着较大的利用空间，上述的铣刀通过圆周设置铣刀，实现径向进给除冰。通过合理选择铣刀的刀刃形式，也可以使铣刀既能够实现径向进给铣削，也能够实现轴向进给铣削，从而适应复杂的道路状况。对于正常道路，实现径向进给铣削即可满足使用需要。

在我国东北地区，积雪厚度从几毫米到几百毫米不等，冰层厚度从几毫米到几十毫米不等。先通过铣刀铣削除冰，再通过其他方式除冰，能最大化地节约能源。另外，东北地区公园道路平整，其他时候除去最冷的1、2月份，即使大雪过后道路结冰后，依然有很多人在公园的道路上散步。对于此类小型路径，可通过预先加热水的方法，省去锅炉设备的空间占用，对该设备实现小型化，实现宽度小于1.2～1.5米路径的除冰工作。

附图说明

图1为一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备结构示意图；

图2为热水射流导轮模块结构示意图；

图3为三角轮模块结构示意图；

图4为红外接收器装置与红外发射装置示意图；

图5为多个除冰设备组装在一起形成作业宽幅的除冰设备；

图6为图5的主视图；

图7为图5的仰视图；

图8为与民用车的底盘连接的宽幅除冰设备；

图9为图5的主视图；

图10为除冰设备越障避障示意图。

图中，10-机架，20-热水射流导轮模块，21-喷口座，22-双曲柄部分机架，23-连架杆，24-导轮连杆，25-回复弹簧，26-导轮，27-受力装置，28-红外接收器装置，29-中心红外接收器，30-三角轮模块，31-轴承导轮，32-三角固定板，33-障碍物检测杆、34-外部法兰、35-内部法兰，36-短轴，37-支撑铜柱，38-机架连架杆，39-红外中断传感器，40-铣刀模块，41-铣刀升降装置，42-铣刀升降平台，43-电机与铣刀装置，44-红外发射装置，50-推铲模块，60-热熔除冰模块，70-指令控制中心，80-水箱锅炉设备，90-能源供给系统，100-路面，101-冰雪层，102-余量冰层，103-冰槽,104-减速带，105-模拟障碍物。

具体实施方式

如图1-10所示一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备，包括机架10、热水射流导轮模块20、三角轮模块30、铣刀模块40、推铲50、热熔除冰模块60和指令控制中心70；

所述热水射流导轮模块20通过螺栓连接在机架10下端，三角轮模块30设置在热水射流导轮模块20两侧的后方，铣刀模块40、推铲50、热熔除冰模块60依次设置在热水射流导轮模块20后方，均通过螺栓连接在机架10下端，指令控制中心70设置在机架10上端；

所述热水射流导轮模块20由喷口座21、双曲柄机架22、连架杆23、导轮连杆24、回复弹簧25、导轮26、受力装置27和红外接收器28组成；

所述双曲柄机架22与导轮连杆24通过两个连架杆23连接，回复弹簧25连接在双曲柄机架22安装座和导轮连杆24顶端上，导轮26设置在导轮连杆24底端，红外接收器28附着在导轮连杆24上面，红外接收装置28竖直方向中心设有一个上中心红外接收器29，中心红外接收器29上下对称分布着若干红外接收器；

所述受力装置27为金属杆和压力传感器，通过金属杆一端连接压力传感器，另一端设置在导轮连杆24下端一侧面，用于实现导轮26的防卡死减小刚性冲击；

所述双曲柄机架22与导轮连杆24构成一个平行四边形，使得导轮26与导轮连杆24在连架杆23的作用下可以上下竖直运动，回复弹簧25通过弹力使得导轮26与路面紧紧贴住；

所述喷口座21设置在双曲柄机架22前端，喷口座21上端设有入水口，下端纵向排列多个喷口；

所述三角轮模块30由轴承导轮31、三角固定板32、障碍物检测杆33、外部法兰34、内部法兰35、短轴36、支撑铜柱37、机架连接杆38和红外终端传感器39组成；

所述四个三角固定板32两两结合构成一组结构支撑，三支撑铜柱37在每一组三角固定板32之间绕中心轴阵列起到支撑作用，短轴36在内部法兰35与前后两个定位圆盘与垫圈的作用下，固定在一组三角固定板32中心，向外部延伸；三个轴承导轮31在一组三角固定板32之间，以短轴36为中心阵列在三角固定板32三个顶点，中间凸台长度等与支撑铜柱37长度；两组之间三角固定板32之间，由障碍物检测杆连接；短轴36向外延伸的部分连接一外部法兰34，外部法兰34与机架连架杆38相连，机架连架杆38与机架10铰接，从而使得三角轮在可以绕短轴36旋转的同时，也可以使整体通过机架连架杆38与机架10的铰接转动而在竖直方向上实现位移；红外终端传感器39设置在与机架连架杆38连接的机架10上；

铣刀模块40由升降装置41、升降平台42、铣刀43和红外发射装置44组成，升降装置41由电机、失电制动器、丝杠、导轨、滑块组成，电机通过联轴器与丝杠相连，丝杠的螺母、滑块与升降平台42相连，丝杠的上下轴承座与导轨的上下两面分别与固定在升降平台42的两端，升降装置41带动升降平台42上下活动，铣刀43通过连轴器与电机连接固定在升降平台42上，从而带动铣刀43的上下活动；实现升降平台的垂直位移，失点制动器与电机组合实现快速定位与防险制动；

所述热熔除冰模块60为通过红外加热红外线加热板从而产生热辐射是道路冰雪融化。

推铲50为倾斜角度双面板的V形推铲。

所述红外发射装置44由上下排列的两个红外发射器组成，两个红外发射器发出的红外线距离为2mm。

一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备的工作原理：一种具有避障功能的铣削式路面除冰设备采用两个以上左右并排设置的铣刀模块形成作业宽幅，在除冰设备前进时，通过热水射流导轮模块与红外传感器的运用实现铣削深度的确定，遇见障碍物时，指令发射器接收三角轮红外中断传感器的信号，从而控制铣刀模块的升降，达到了对规避障碍物的目的。与其他机械除冰方式装置相比，不需设置刀辊，大大减少刀片数量，制造、维护方便。与铣刀铣削除冰装装置相比，同时具备一定合理避障能力，避免了控制切削余量的导轮卡死，避免了导轮的冲击传递给铣刀，以及难以应对道路凹凸起伏等问题。

为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及优点更加清楚下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

本发明中可升降的铣削式路面除冰设备如图1-10所示，通过对红外传感器的合理运用，实现了对障碍物的一定程度合理规避，在实现高效除冰的同时，能够最大程度地保护铣刀与地面免受机械损害。机架刚性连接在民用车改装的底盘下面，民用车的底盘上面设置有水箱锅炉设备来提供热水射流，能源设备提供能源。锅炉为燃油设备，采用燃油锅炉最主要的原因是其能稳定提供热水射流的温度，并且成本较低，使用方便。

铣刀升降平台42和电机与铣刀装置刚性连接，从而带动铣刀43的上下活动。电机与铣刀装置在工作路面的前后交错横向排列，形成作业宽幅。相邻铣刀的轴中心位置距离小于两铣刀半径之和，形成一定的重复工作区，实现了工作面的无遗漏铣削。

铣刀43的切削余量是通过热水射流导轮模块来控制的，通过管路与热水箱连接。热水射流喷口冲击地面形成冰面很薄的冰槽，使导轮几乎与地面零距离接触。导轮26在道路上前进时，不可避免地会上下起伏，导轮26的上下起伏通过双曲柄装置的运动达成，当电机与铣刀装置正常工作时，红外发射装置44工作红外线正对着红外接收器装置29中心红外接收器29，中心红外接收器29上下最大距离宽度3mm,在此时，导轮的最低点低于电机与铣刀装置的最低点，且两者相对距离在1.5mm，从而确定了电机与铣刀装置的铣削深度。除冰设备工作时，当导轮26随着地面微小起伏时，红外发射装置44上的红外发射器发出的红外线在中心红外发接收器的宽度范围之内运动，电机与铣刀装置无动作。当导轮沿着道路起伏时，电机与铣刀装置附着的红外发射装置44发出的红外线离开红外传感器接收装置28的中心红外接收器29，扫过中心红外接收器29上方接收传感器时，指令接收器接收信号，延迟t1时间后，控制铣刀43延迟下降。上升的高度由扫过距离中心红外接收器28的红外接收器确定，t1的时间长短由除冰设备工作前进速度与导轮26距离铣刀轴中心距离通过指令控制器计算得出，扫过中心红外接收器28下方接收传感器时，指令接收器接收信号，发出指令，控制铣刀延迟t1时间后上升，上升的距离由扫过距离中心红外接收器的最大的红外接收器确定。

下降或上升至最高点或最低点时，保持t2时间，然后进入下一个升降周期，t2时间长度由除冰设备工作速度与铣刀直径确定。

当路况良好时，通过指令控制中心选用铣刀模块中偏上的红外发射器，关闭偏下的红外发射器缩小切削余量，当路况条件复杂时，通过指令控制中心，选用偏下的红外发射器，关闭偏上的红外发射器取较大的切削余量。

导轮26的越障，当导轮在工作时，正面遇上大尺寸的障碍物，倘若没有相关越障机械机构，则很容易出现导轮26卡死情况，阻碍铣削设备的正常工作，并产生机械冲击。针对这一问题采用双曲柄装置完成。回复弹簧25在正常工作时处于一个拉伸状态，起到限定双曲柄位置和导轮与地面紧密贴合的作用。当导轮工作正前方出现障碍物时，在除冰设备工作的速度下，受力装置27首先触碰到障碍物，产生反作用力，使得双曲柄装置向上抬升，抬起一定高度，跨越障碍物。当导轮跨越障碍物后，由于重力和回复弹簧的双重作用，导轮重新贴合地面。受力装置27前端设置有压力传感器，刚触碰上障碍物时，压力传感器发送信号给指令控制中心70，指令控制中心70切断红外接收器装置28的信号传送。电机与铣刀装置43的避障信号，由三角轮模块30发出。导轮26的双曲柄越障的主要目的是，实现导轮的越障，防止导轮卡死，减小传递到电机与铣刀装置43的刚性冲击。铣刀装置的避障由三角轮模块30完成。

电机与铣刀装置43的避障，当铣刀铣削冰面时，如果触碰至道路表面的坚硬物，会导致铣刀的严重磨损。道路上不可避免存在大块石头，或其他体积大的坚硬物，会对铣刀造成严重的危害。因此采用铣削式除冰不得不面对铣刀对体积略大的障碍物的合理避障。当三角轮在铣削设备工作速度下前进，触碰至障碍物时，由于惯性与力的作用，三角轮将会绕短轴37转动，并伴随机架连架杆38绕机架摆动，跨越障碍物，在跨越障碍时，三角轮遮蔽红外线，红外中断传感器39产生信号，传递给指令控制中心70，指令控制中心70发出指令，控制电机与铣刀装置43上升，实现对于障碍物的规避。三角轮在越障时，通过机架连架杆38绕机架相对摆动幅度，取决于障碍物的尺寸大小，三角轮能检测跨越的最小障碍物尺寸取决于障碍物检测杆33的位置以及半径大小。

推铲模块50的作用是用来处理铣刀铣削过后产生的碎冰、冰屑等残留物，推铲选用V形，具有避障功能的倾斜角度双面板推铲，具有结构简单，运用范围广等特点。采用V行双面板推铲可以容易的把冰屑推至道路两旁，同时具有双摇杆避障功能，也使得推铲模块50与铣刀盘避障功能的实现了一种联系，降低了因为推铲无法避障产生强烈冲击从而影响铣刀正常工作的情况。

热熔除冰模块60设置在推铲模块的后方，目的是清除切削余量剩下的冰层，在无铣刀升降避障情况发生时，热力模块处于正常低耗能工作状态，当有指令控制中心70传递铣刀避障信号时，热熔除冰模块60同时也接收信号，相应的短时间升高功率，使得与障碍物距离较近的冰面得到一定程度的有效处理。

上述结合了热水射流、机械除冰、热熔除冰三种方式结合的除冰方法，与其他除冰方式相比，以机械铣刀铣削除冰为主，热水射流辅助机械机构与传感器确定铣削深度，机械推铲处理冰屑冰渣，热融装置处理剩下的冰面，发挥了多方面的优势，具有除冰速度快，除冰范围广，能耗低等特点。