高强度聚焦超声碎冰除冰系统的制作方法

本实用新型涉及机械波碎冰除冰技术领域，尤其涉及高强度聚焦超声碎冰除冰系统。

背景技术：

在现有技术中，道路除冰雪所采用的物理方法多采用机械办法去除冰雪，常用的方式为冰雪铲式、冰雪辊式，采用机械震动和转动方式从外至里破坏结冰层达到清除冰雪的目的。由于压实的冰层和道路结构密实，需要对冰层的较大的机械冲击才会清除干净冰层，这样会对道路产生较严重的损害，如果作用力小又会导致冰雪残留。

由于不同的外部冲击，大量的作用能量都被冰层表面吸收，不会对冰层内部产生影响，导致道路上的冰层不容易被清理。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本实用新型目的是提供高强度聚焦超声碎冰除冰系统，解决现有技术中因机械冲击大对道路产生严重危害及作用力小而导致冰雪残留的问题，旨在用较小的能源从冰层内部破坏冰的结构，再将碎冰剥离路面来达到除冰的目的。

高强度聚焦超声碎冰除冰系统，包括箱体、步行机构、超声剥离滚轮和碎冰装置，所述箱体的两侧连接后端牵引杆，所述后端牵引杆与超声剥离滚轮连接，所述箱体通过所述步行机构与所述碎冰装置连接，所述碎冰装置包括聚焦超声控制盒、聚焦探头固定座、密封盒，所述聚焦探头固定座底部固定连接有多个密封盒，所述密封盒内安装有高强度聚焦超声探头，所述密封盒内填充有超声耦合剂，所述箱体底部安装有滚轮，所述箱体还与前端牵引杆相连接。

优选的，所述箱体内安装有电池箱、控制器，所述电池箱与所述控制器相连接。

优选的，多个密封盒均匀分布在聚焦探头固定座底部。

优选的，所述聚焦探头固定座顶部安装有聚焦超声控制盒。

优选的，所述密封盒底端安装有硅胶垫。

本实用新型的有益效果：除冰过程中通过高强度超声声波将能量集中在冰层内部，使得冰层内部发生破裂，对路面影响小；通过内部碎冰，其能量主要作用于冰层内部，其所需功率更小，同时亦不会使得路面变热，导致冰水再次结冰。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为高强度聚焦超声碎冰除冰系统的结构示意图；

图2为高强度聚焦超声碎冰的结构示意图；

图3为实施例3提供的步行机构的结构示意图；

图中附图标记示意为：1.密封盒；11.高强度聚焦超声探头；12.耦合剂；13.硅胶垫；2.高能区域；3.冰层；4.路面；5.箱体；6.超声剥离滚轮；7.后端牵引杆；8.碎冰；9.步行机构；91.牵引杆；92.传动轴；93.转轮；94.连杆；95.支撑杆；96.从动轮；9-1.第一电机；9-2.第二电机；9-3.第三电机；9-4.第一力臂；9-5.第二力臂；9-6.连接杆；10.前端牵引杆；14.聚焦超声控制盒；15.聚焦探头固定座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-2所示，高强度聚焦超声碎冰除冰系统，包括箱体5、步行机构9、超声剥离滚轮6和碎冰装置，所述箱体5的两侧连接后端牵引杆7，所述后端牵引杆7与超声剥离滚轮6连接，所述箱体5底部安装有滚轮，至少一组对应的滚轮之间通过转动轴花键连接，转动轴上安装有主动轮，转动轴与主动轮键连接，所述箱体5通过所述步行机构9与碎冰装置连接，所述碎冰装置包括聚焦超声控制盒14、聚焦探头固定座15、密封盒1，所述聚焦探头固定座15底部固定连接有多个密封盒1，多个密封盒1均匀分布在所述聚焦探头固定座15底部。

所述密封盒1内安装有所述高强度聚焦超声探头11，所述高强度聚焦超声探头11利用高强度聚焦超声原理，将高强度聚焦超声束在介质内聚焦，在0.1～1秒钟内使焦斑处组织升温达到65摄氏度以上高温，产生高温效应、空化效应、机械效应和声化学反应，超声束在不同介质中传播会发生折射和反射，所述密封盒1内填充有耦合剂12，本实施例中所述耦合剂12采用脱气水，减少超声能量的反射直射损失，有利于超声波的传送，所述密封盒1底端安装有硅胶垫13，在另一些实施例中，为了进一步降低超声波损失，可以用硅胶垫来制成密封盒1的底部，甚至用硅胶垫制作盒体，内加金属或者塑料骨架进行制成密封盒1，硅胶垫13用于填充接触面之间的微小空隙，避免这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；通过耦合剂12与硅胶垫13“过渡”作用，使所述高强度聚焦超声探头11与冰层3之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的折射损失，硅胶垫13还起到“润滑”和“缓冲”作用，减小所述密封盒1与冰层3之间的摩擦并可以保护探头。

所述聚焦探头固定座15顶部安装有聚焦超声控制盒14，所述聚焦超声控制盒14为控制开关，用于控制高强度聚焦超声探头11；高强度聚焦超声探头11可以从箱体5取电，也可以再单独外接电源。

所述步行机构9包括传动轴92，所述传动轴92可转动的连接在牵引杆91上，牵引杆91有2个，分别与箱体5的两侧固定连接，传动轴92两端安装有转轮93，中部安装有从动轮96，转轮93边缘设有运动轴，连杆94开设有长圆孔，运动轴与长圆孔相适配，转轮93上的运动轴插置于连杆94的长圆孔内，连杆94还与支撑杆95相铰接，支撑杆95与所述聚焦探头固定座15的连接，转动轴上的主动轮与传动轴92上的从动轮96通过同步皮带连接，滚轮转动时，通过同步皮带带动步行机构9运动，通过设置主动轮和从动轮96的直径比例，即可设定箱体5行进时超声波探头11与地面接触的时间，以确保所述超声波探头11和冰层3具有合适的作用时间。

所述箱体5前侧设置有用于动力牵引的前端牵引杆10相连接，后侧设置有后端牵引杆7，所述后端牵引杆7连接超声剥离滚轮6；所述超声剥离滚轮6采用《机械工程与自动化》第169期“超声波珩齿振动装置设计及其精度分析”中的超声波珩齿振动装置的设计。

所述箱体5内安装有电池箱，为超声剥离滚轮6提供电力，超声剥离滚轮6将高频电能转换成高频机械振动，通过高频机械振动将所述碎冰8与所述路面4分离，达到所述冰层3剥离的目的。

高强度聚焦超声碎冰除冰系统的除冰方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待除冰的路面4；

步骤2：所述密封盒1内的高强度聚焦超声探头11发出高强度超声声波，高强度超声声波经耦合剂12穿过硅胶垫13聚焦到冰层3内部产生高能区域2，高能区域2使冰层3内部破裂；

步骤3：破裂后的冰层3内部变成碎冰8；

步骤4：超声剥离滚轮6通过高频机械振动将碎冰8与路面4分离；

步骤5：清除车清除碎冰8。

工作原理：本发明通过前端牵引杆10将装置固定在一台小型拖车上，由牵引车辆牵引移动，滚轮转动的同时，转动轴上的主动轮通过同步皮带带动传动轴92上的从动轮96转动，从而带动步行机构9运动，驱动碎冰装置在路面行走。

转轮93做顺时针转动，当转轮93上的运动轴转动到转轮93的270°位置时，运动轴带动连杆94通过支撑杆95将聚焦探头固定座15提起，聚焦探头固定座15开始与冰层分离，当转轮93上的运动轴转动到转轮93的0°位置时，聚焦探头固定座15提升到最高位置，开始下降，当转轮93上的运动轴转动到转轮93的90°位置时，聚焦探头固定座15下降到与冰层接触，超声波探头11开始工作。聚焦探头固定座15内设有感应器，当聚焦探头固定座15接触冰面时，将信号发至控制器，控制器将反馈信号传递给超声控制盒14，控制超声波探头11开始工作，聚焦探头固定座15离开冰面时，信号断开，超声波探头11停止工作。

单个高强度聚焦超声探头11发出高强度超声声波，高强度聚焦超声声波经耦合剂12穿过硅胶垫13聚焦到冰层3内部产生高能区域2，高能区域2导致冰层3内部破裂，达到碎冰的目的，多个高强度聚焦超声探头11可大面积实现冰层3内部的破碎，当冰层3变成碎冰8后，碎冰8与路面4的附着力变小，紧随其后的超声剥离滚轮6通过高频机械振动将碎冰8与路面4分离，分离后的碎冰8由清除车清除。

实施例2

如图1-2所示，高强度聚焦超声碎冰除冰系统，包括箱体5、步行机构9、超声剥离滚轮6和碎冰装置，所述箱体5的两侧连接后端牵引杆7，所述后端牵引杆7与超声剥离滚轮6连接，所述箱体5底部安装有滚轮，滚轮之间通过转动轴花键连接，转动轴上安装有主动轮，转动轴与主动轮键连接，所述箱体5通过所述步行机构9与碎冰装置连接，所述碎冰装置包括聚焦超声控制盒14、聚焦探头固定座15、密封盒1，所述聚焦探头固定座15底部固定连接有多个密封盒1，多个密封盒1均匀分布在所述聚焦探头固定座15底部。

所述密封盒1内安装有所述高强度聚焦超声探头11，本实施例中所述高强度聚焦超声探头11采用《中国机械工程》第29卷第11期“超声点聚焦探头在球体中的声束发散与聚焦”中的超声点聚焦探头结构。采取可调节的结构将所述高强度聚焦超声探头11固定在密封盒1内，所述高强度聚焦超声探头11端部距离焦斑处的距离，调节为100-160mm，优选在140mm左右，根据碎冰的深度及盒体底部厚度，可以轻易的计算出所述高强度聚焦超声探头11底部端面距离盒体1底面的距离，即其最佳安装位置。所述高强度聚焦超声探头11利用高强度聚焦超声原理，将高强度聚焦超声束在介质内聚焦，在0.1～1秒钟内使焦斑处组织升温达到65摄氏度以上高温，产生高温效应、空化效应、机械效应和声化学反应，超声束在不同介质中传播会发生折射和反射，所述高强度聚焦超声探头11应用的是超声束在不同介质中传播发生的折射原理，所述密封盒1内填充有耦合剂12，减少超声能量的反射直射损失，有利于超声波的传送，所述密封盒1底端安装有硅胶垫13，硅胶垫13用于填充接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；通过耦合剂12与硅胶垫13“过渡”作用，使所述高强度聚焦超声探头11与冰层3之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的折射损失，硅胶垫13还起到“润滑”和缓冲的作用，减小所述高强度聚焦超声探头11与冰层3之间的摩擦，使所述高强度聚焦超声探头11能灵活的滑动探查，还能保护探头；所述聚焦探头固定座15顶部安装有聚焦超声控制盒14，所述超声控制盒14采用zjs-2000超声控制盒，用于控制高强度聚焦超声探头11。

所述步行机构9包括传动轴92，所述传动轴92可转动的连接在牵引杆91上，牵引杆91与箱体5的两侧固定连接，传动轴92两端安装有转轮93，中部安装有从动轮96，转轮93边缘设有运动轴，连杆94开设有长圆孔，运动轴与长圆孔相适配，转轮93上的运动轴与连杆94的长圆孔运动连接，连杆94还与支撑杆95相连接，支撑杆95与所述聚焦探头固定座15的两侧连接，转动轴上的主动轮与传动轴92上的从动轮96通过同步皮带连接，滚轮转动时，通过同步带带动步行机构9运动，以确保所述超声波探头11和冰层3具有合适的作用时间。

所述箱体5前端牵引杆10相连接，所述箱体5内安装有电池箱，电池箱输入高频电能，所述超声剥离滚轮6采用《机械工程与自动化》第169期“超声波珩齿振动装置设计及其精度分析”中的超声波珩齿振动装置的设计。超声剥离滚轮6将高频电能转换成高频机械振动，通过高频机械振动将所述碎冰8与所述路面4分离，达到所述冰层3剥离的目的。

高强度聚焦超声碎冰除冰系统的除冰方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待除冰的路面4；

步骤2：所述密封盒1内的高强度聚焦超声探头11发出高强度超声声波，高强度超声声波经耦合剂12穿过硅胶垫13聚焦到冰层3内部产生高能区域2，高能区域2使冰层3内部破裂；

步骤3：破裂后的冰层3内部变成碎冰8；

步骤4：超声剥离滚轮6通过高频机械振动将碎冰8与路面4分离；

步骤5：清除车清除碎冰8。

工作原理：本发明通过前端牵引杆10将装置固定在一台小型拖车上，由牵引车辆牵引移动，滚轮转动的同时，转动轴上的主动轮通过同步皮带带动传动轴92上的从动轮96转动，从而带动步行机构9运动，驱动碎冰装置在路面行走，单个高强度聚焦超声探头11发出高强度超声声波，高强度聚焦超声声波经耦合剂12穿过硅胶垫13聚焦到冰层3内部产生高能区域2，高能区域2导致冰层3内部破裂，达到碎冰的目的，多个高强度聚焦超声探头11可大面积实现冰层3内部的破碎，当冰层3变成碎冰8后，碎冰8与路面4的附着力变小，紧随其后的超声剥离滚轮6通过高频机械振动将碎冰8与路面4分离，分离后的碎冰8由清除车清除。

实施例3

研究人员经过研究，对本发明提供的步行机构9，在上述实施例1的基础上，还可作出下述可选的其他结构方案，具体说明如下：

如图3所示，所述步行机构9包括第一电机9-1、第一力臂9-4，所述第一电机9-1安装在所述箱体5上，所述第一力臂9-4与箱体5的两侧连接，所述第一力臂9-4连接有连接杆9-6，所述第一力臂9-4连接第二力臂9-5，第一力臂9-4与第二力臂9-5之间安装有第二电机9-2，第二力臂9-5底端安装有第三电机9-3，第二力臂9-5与碎冰装置连接，所述第一电机9-1控制第一力臂9-4，所述第二电机9-2控制第二力臂9-5，所述第三电机9-3控制碎冰装置，第一电机9-1、第二电机9-2与第三电机9-3协调联动，所述步行机构9与控制器电连接，所述步行机构9通过控制器控制，以确保所述超声波探头11和冰层3具有合适的作用时间。

以上对本发明的技术方案进行了充分描述，需要说明的是，本发明的具体实施方式并不受上述描述的限制，本领域的普通技术人员依据本发明的精神实质在结构、方法或功能等方面采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

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