[0001] 本发明涉及道路积雪处理技术领域，特别涉及一种清雪车融雪装置、融雪控制系统及融雪系统设计方法。

[0002] 我国北方每年降雪期长达3‑5个月，降雪在净化空气、补给水源的同时，也给人们的生产、生活带来诸多不便，覆雪后的路面摩擦系数显著减小，极易引发交通事故，降低运输能力。因此，及时清除道路积雪具有重要的现实意义。

[0003] 发明人在日常实践中，发现现有的技术方案具有如下问题：

[0004] 机械清雪装置种类繁多，具有除雪效率高、机械性强的特点，近年来被广泛应用。目前机械清雪大多是将路面积雪堆存于路肩或马路两侧，造成行人或非机动车直接进入清雪后的主干道进行人车抢道，极大地增加了交通安全风险。此外，市区部分繁忙路段也有些进行了积雪的外运，但整个过程需要推雪铲、装载机、运输车等多种车辆协调作业，设备购买和使用成本较高，且对交通产生影响，造成道路堵塞拥挤。

[0005] 申请号为201710781021.5的中国专利公开了融雪车，能够将积雪进行融化，但其在融雪过程中，容易造成积雪局部融化，造成底部空洞，导致积雪与融雪管道处于非接触状态，融雪效果差，融雪效率低，不能及时有效地将积雪进行融化，同时浪费了大量的热源。

[0006] 有鉴于此，实有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。

[0063] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0064] 如图1至图4所示，一种清雪车融雪装置，包括：保温操控箱2、加热装置、刮雪装置9以及融雪控制系统。保温操控箱2固设于清雪车1上,保温操控箱2包括箱体和设置在其上部的进雪口3。加热装置包括加热盘5和为加热盘5供热的热源系统。热源系统包括热源6、热介质泵7以及连接整个热源系统的热介质供应管路。支撑架4通过焊接或螺栓固定的方式与保温操控箱内壁固定连接。支撑架4的上表面或下表面固设有筛网。由于积雪的粘性较大，同时积雪在进入进雪口3之前需先经过收集、输送的过程，这会对积雪产生挤压使其成块。因此落到保温操控箱2的积雪往往是集结成块的，其难以直接通过支撑架4的上表面或下表的筛网落入支撑架4下方的保温操控箱2内，只有当积雪融化为水后方可通过筛网落下。加热盘5通过支撑架4固设于保温操控箱2内。加热盘5设置于保温操控箱2内进雪口3下方，为螺旋盘状结构，由设置在水平面内螺旋设置的加热管构成，所述加热管为设置于平面内的正向或反向螺旋结构。

[0065] 刮雪装置9设置于加热盘5的上方，刮雪装置9最下方与加热盘5上表面之间具有容纳积雪的间隙。刮雪装置9包括刮雪架和与所述刮雪架固定连接的刮板片组92。刮雪装置9的旋转中心位于加热管的螺旋中心的正上方。刮雪装置9配置成与加热管的螺旋方向同向旋转。融雪控制系统配置成根据加热盘5上承载的积雪重量控制热源系统中热介质的供给量。

[0066] 刮雪架包括设置于同一旋转水平面的刮雪架杆91，刮雪架杆91的数量为3件。3件刮雪架杆91在刮雪装置9的旋转中心处固定连接。3件刮雪架杆91均布于刮雪架所在平面内。

[0067] 搅拌轴12与支撑架4旋转连接，其上端与支撑架固定。优选的，搅拌轴12通过轴承及轴承座与支撑架4连接，能够实现其旋转。驱动装置11与支撑架4固定连接，用于驱动搅拌轴12转动。驱动装置11与搅拌轴12传动连接。优选的，驱动装置11为驱动电机，驱动装置11通过齿轮组与搅拌轴12传动连接。

[0068] 刮板片组92包括设置于刮雪架杆91下部与刮雪架杆91固定连接的若干刮板片92。刮板片92与加热盘5上平面呈一定倾斜角度设置；位于同一刮雪架杆91上的刮板片92相互平行。

[0069] 每件刮雪架杆91上固设有一件或多件刮板片组92。刮板片组92包括设置于刮雪架杆91下部与刮雪架杆91固定连接的若干刮板片。同一刮板片组92内的刮板片按照相同倾斜角度与刮雪架杆91固定连接。同时，刮板片与加热盘5上平面呈一定倾斜角度设置。优选的，刮板片92与加热盘5上平面的夹角范围为30‑60°。优选的，每件刮雪架杆91上固设有2个刮板片组92。

[0070] 作为本发明的一个实施例，一种清雪车融雪装置还包括设置于加热盘5上方的导雪槽16。导雪槽16为内部具有容雪腔17的圆台结构，其上底口和下底口均与容雪腔17连通，构成积雪穿过的通道。导雪槽16的下底口与刮雪装置9相适应，使得刮雪装置9罩设于导雪槽16内。导雪槽16的上底口与进雪口3连通，使得积雪能够由进雪口3进入并贯穿导雪槽16，并由下底口排出至加热盘5上表面。导雪槽16能够对积雪进行导流，使积雪能够进入加热盘5上表面，且不会外溢而直接落入支撑架4下方的保温操控箱2内，进而使得由进雪口3进入的积雪能够全部进入加热盘5上表面。进而称重传感器8能够监测加热盘5以及加热盘5上积雪的重量。同时，为了保证称重传感器8上积雪重量的准确性，可以通过控制外部收集、输送的积雪量来避免大量积雪堆积。在积雪量较大的情况下，可以对积雪进行间断性收集和输送，使融雪速度和进雪速度相适应，以保证称重传感器8上积雪重量的准确。容雪腔17为圆台型空腔，导雪槽16内壁与竖直方向呈一定倾斜角度设置，有效防止积雪粘接造成的堵塞。
此外，导雪槽16内壁固设有挡雪件15，防止积雪形成雪团在容雪腔17内滚动。

[0071] 作为本发明的一个实施例，一种清雪车融雪装置还包括导雪锥10和用于破碎积雪的若干破碎板片93。导雪锥10固设于进雪口3的正下方，与刮雪装置9固定连接，导雪锥10依靠其锥形结构，能够对由进雪口3进入的积雪进行导流，防止积雪在刮雪装置9中心位置堆积。破碎板片93固设于刮雪架杆91的上部，每件刮雪架杆91上固设的破碎板片93分为一组或多组，每组破碎板片93沿刮雪架杆91长度方向设置。优选的，每件刮雪架杆91上固设有一组破碎板片93。

[0072] 作为本发明的一个实施例，一种清雪车融雪装置还包括固设于搅拌轴12底端的搅拌桨13，用于对保温操控箱2内的融雪水进行搅拌，防止其结冰。

[0073] 作为本发明的一个实施例，一种清雪车融雪装置还包括设置在保温操控箱2底部的排出阀14。排出阀14处于常闭状态，在保温操控箱2内部的融雪水、污泥、石块以及树枝等需要外排时，打开排出阀14，将其排出保温操控箱2。

[0074] 如图5所示并参考图1，融雪控制系统包括：监控系统400、单片机200、信息采集单元100和执行单元300。监控系统400内部存储有模糊控制算法，监控系统400与单片机200之间通讯连接。单片机200输入端与信息采集单元100电性连接，输出端与执行单元300电性连接。信息采集单元100包括用于监测融雪所需温度的温度传感器和用于称量加热盘5上积雪重力的称重传感器8。称重传感器8采用多点式布局。在对称重传感器8进行点位布置时，会根据保温操控箱2的实际情况布设10～50不等的点位，即使当加热盘5上的雪的位置分布极其不均匀时，这样的设计依然能最小化融雪装置中积雪的实际重力与重力传感器8监测量的差值，实现对积雪的重量参数的精准输入。执行单元300包括继电器、变频器以及与继电器电性连接的加热棒，与变频器电性连接的热介质泵7。其中，所述加热棒设置于热源6内，用于加热热介质。

[0075] 发明思路：为了提高加热盘5的加热效率，可以利用刮雪装置9将积雪均匀分布在加热盘5上，将刮雪装置9设计为一字型，依靠其往复运动便可以将积雪均匀分布在加热盘5上。但是由于积雪易集结成块，因此在一字型刮雪装置9在往复刮雪的过程中如果距离加热盘5距离太近就会造成积雪被一字型刮雪装置9带走，达不到融雪目的。如果距离太远又会出现刮雪装置9空刮的情况。同时由于积雪受热会产生一定的收缩，导致积雪与加热盘5分离，导致融雪效率低下。

[0076] 为提高融雪效率，刮雪装置9需要用一定的挤压功能，利于积雪与加热盘5的充分接触，为此将刮雪装置9设置为带有一定角度的一字型刮板片，这种刮板片在往复刮雪的时候对积雪产生向下的挤压，在很大程度上提供了融雪效率，但对于较大的积雪块并不能破碎，只能将其刮动到装置的一边，另外由于不能将石块、树枝等分离，使得石块在刮板片挤压下与加热盘5紧密接触，导致加热盘5受损。为解决上述问题，在原有加热盘5的基础上，在其上表面添加了具有破碎积雪的狼牙棒形钢齿，同时将刮板片底部换成橡胶板，使得刮板片与加热盘5的接触变成软接触，有效保护加热盘5不受石块的损坏，这一改进使得融雪效率有了显著提高，但由于刮板片往复运动所用时间较长，刮雪效率较低，不适用于连续大量进雪操作，橡胶板在受热的情况下会发生变形，同时积雪中掺杂的石块等杂物并没有被刮到装置边缘存在一定的隐患，因此将刮板片的运动方式改为做圆周运动。

[0077] 若利用加热管将加热盘5盘成方形，由于死角太多，会导致其内部的热介质流动的阻力过大，同时刮雪装置9作圆周运动时也存在部分区域刮不到的情况，为此将加热盘5设计为环形结构。同时，构成加热盘5的加热管相邻管之间的间距为0.5‑3cm，间距太大会导致积雪没有融化便漏到保温操控箱2底部达不到融雪的目的，间距太小又会导致热量利用率降低。加热盘5内的热介质采用蒸汽需要较高的压力，存在一定的安全隐患，为此选择用热水代替，但热水的温度最高才能达到100℃，融雪效率相对较慢，经过优化，选择传热效率好，散热快，热稳定性好的导热油作为热介质，在几乎常压的条件下，即可获得很高的操作温度，大大降低高温加热系统的操作压力和安全要求，提高了系统和设备的可靠性，并且温度范围可以自由调节。

[0078] 此外，将刮雪架设置为3件设置于同一旋转水平面的刮雪架杆91，刮雪架杆91下方设置一组或多组刮板片组92。相邻刮雪架杆91之间具有一定角度，呈“人”字型分布。如果刮雪架杆91数量太多则会导致积雪直接倒在刮板片组92上难以落到加热盘5上，如果刮雪架杆91数量太少又会导致刮雪效率较低。同一刮板片组92内的刮板片按照相同倾斜角度与刮雪架杆91固定连接，且刮板片与述加热盘5上平面呈一定倾斜角度设置，且刮雪装置9配置成与加热管的螺旋方向同向旋转，此种结构可以使得刮板片在运动过程中，将石块、树枝等杂物推向加热盘5的边缘。

[0079] 如图6所示，本发明还包括一种融雪控制系统设计方法，能够设计出所述清雪车融雪装置中的融雪控制系统，包括以下步骤：

[0080] 步骤S1、在模糊控制器中设定用于对清雪车融雪装置进行模糊控制的模糊规则控制表。

[0081] 在监控系统中设置模糊控制器，对模糊控制器的输入变量和输出变量词集进行设定：

[0082] 对于温度传感器a和温度传感器b的输入值之差Δt的输入设置为ES,S,RS,M,RB,B,EB；对于压力称重传感器二次计算后的输入值mg采用EL,L,RL,M,RH,H,EH，控制变频器的输出量为ELS,LS,RLS,MS,RHS,HS,EHS；控制不同半导体加热管的继电器以使其以不同的配合方式输出不同的加热功率的输出量设置为G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7。根据设定的输入变量和输出变量词集，依据专家经验，设定模糊规则控制表，模糊规则控制如下表所示。

[0083] 模糊规则控制表

[0084]

[0085]

[0086] 步骤S2、按照设计的融雪能力计算积雪融化所需热量。

[0087] 其中，积雪融化所需热量为：

[0088] Q吸＝C0m1|T0|+Lm1+C1m1T1；

[0089] 式中，Q吸为积雪融化所需热量，C0为冰的比热容，m1为单位时间进雪量，T0为进雪的初始温度，L为冰的溶解热，C1为水的比热容，T1为融化后雪水的平均温度。

[0090] 其中，

[0091] m1＝ρ1S1h；

[0092] 式中，ρ1为水的密度，S1为融雪装置加热面的表面积，h为雪的堆积高度。

[0093] 步骤S3、计算加热装置的供热量。

[0094] 其中，加热装置的供热量为：

[0095] Q放＝C2m2ΔT2；

[0096] 式中，Q放为加热装置供热量，C2为热介质的比热容，m2为热介质的质量，ΔT2为热介质供应管路进口和出口的温度差；

[0097] 其中，

[0098] m2＝ρ2S2l+ρ2q；

[0099] 式中，ρ2为热介质的密度，S2为热源供应管路的截面积，l为预设管路的长度，q为变频水泵的流量；

[0100] 其中，

[0101] ΔT2＝T2‑T3；

[0102] 式中，T2为热介质供应管路的进口温度，T3为热介质供应管路的出口温度。

[0103] 步骤S4、确定加热装置供热量与积雪融化所需热量的关系。

[0104] 按照能量守恒的原理，可以确定加热装置供热量与积雪融化所需热量的关系为：

[0105] Q放＝Q吸；

[0106] 但是，鉴于加热装置提供的热量会有部分热量损失，因此计算时，

[0107] Q放＝KQ吸；

[0108] 式中，K为余量系数，L∈(1.2,3)。

[0109] 步骤S5、根据加热装置供热量和积雪融化所需热量的关系，确定模糊控制器的输入量和输出量之间的关系。

[0110] 其中，所述步骤S5中模糊控制器的输入量包括单位时间进雪量和融化后雪水的平均温度与进雪的初始温度之差，所述模糊控制器的输出量包括变频水泵的流量和热介质供应管路中散失的热量，且该模糊控制器的输入量和输出量之间的关系为：

[0111] C2(ρ2S2l+ρ2q)ΔT2＝K[C0m1|T0|+Lm1+C1m1T1]；

[0112] 式中，C2为热介质的比热容，ρ2为热介质的密度，S2为热源供应管路的截面积，l为预设管路的长度，q为变频水泵的流量，ΔT2为热介质供应管路进口和出口的温度差，C0为冰的比热容，m1为单位时间进雪量，T0为进雪的初始温度，L为冰的溶解热，C1为水的比热容，T1为融化后雪水的平均温度，K为余量系数。

[0113] 模糊控制器的输入量和输出量之间的关系式为融雪量与热量供应智能控制系统的设计提供了理论基础，并可据此式求得变频水泵供应热介质流量的最大流量以及热介质供应管路进口和出口的最大温差。

[0114] 从节省能源的角度以及实际应用过程中得出的数据发现T1值在10℃以下较为合适，单次进雪量以不没过刮雪板高度为宜，因此当进雪厚度与刮雪板齐平，融化后雪水温度为10℃时，积雪融化所需热量达到最大值，此时等式左边提供的热量也为最大值，鉴于热介质的比热容，热介质的密度、热源供应管路的截面积、预设管路的长度均为常数，因此当变频水泵的流量为0时即水泵不向装置供应热介质，只靠供应管路中已有的热介质提供热量，此时热介质供应管路中散失的热量达到最大值；而当热介质供应管路中散失的热量最小即趋近于0时，变频水泵供应热介质流量达到最大值，趋近于正无穷，但由于热介质供应管受管路材料的种类、管路直径、管壁厚度、管路内壁粗糙度等因素影响，其承受力有上限，因此变频水泵的最大流量应为：

[0115] qmax＝η×qmax2；

[0116] 式中，η为安全系数，η∈(0.5,1)，qmax2为热介质供应管最大承受流量。

[0117] 热介质恒温箱通过法兰加热管使热介质预热至设定温度以便与半导体加热管配合使热介质达到满足当下融雪效率所需求的温度，并通过模糊‑PID算法使其自动保持恒温.

[0118] 此外，在确定单位时间进雪量时，包括以下步骤：

[0119] 步骤Sa1、设立能够对加热盘和加热盘上的积雪进行称重的称重传感器。

[0120] 步骤Sa2、根据称重传感器的输出数值确定加热盘对积雪的支撑力。

[0121] 步骤Sa3、根据加热盘对积雪的支撑力计算加热盘上积雪的重量。

[0122] 其中，加热盘上积雪的重量为：

[0123]

[0124] 式中，m1为单位时间进雪量，N为称重传感器的输出数值，Gp为加热盘与其内部热介质的重力，θ为刮板片与加热盘上平面的夹角，g为重力加速度。

[0125] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

[0126] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

[0127] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

[0128] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。