王命國(guó) 楊菲宇 李騰飛 袁作彬

玻璃幕墻清洗機(jī)設(shè)計(jì)

王命國(guó) 楊菲宇 李騰飛 袁作彬

（湖北民族學(xué)院理學(xué)院 湖北恩施 445000）

用閥門(mén)桿、彈簧、吸盤(pán)制作出特制吸盤(pán)，特制吸盤(pán)能在吸附時(shí)自動(dòng)排出空氣處于吸附狀態(tài)，在不需要吸附時(shí)可以自動(dòng)進(jìn)氣讓其失去吸附力。多個(gè)吸盤(pán)同時(shí)吸附玻璃來(lái)保證有足夠的吸附力支持機(jī)器，履帶輪在行駛時(shí)吸盤(pán)交替的進(jìn)行吸附玻璃與離開(kāi)玻璃。6排清洗刷進(jìn)行一級(jí)旋轉(zhuǎn)清理，再用4排刮水裝置刮掉清洗后的水及其他污物，最后用6排吸水柱將擦洗過(guò)的玻璃上的水吸干。

多吸盤(pán)；履帶；玻璃幕墻；清洗

引言

伴隨著我國(guó)建筑業(yè)的快速發(fā)展，玻璃幕墻的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1～2]。玻璃幕墻對(duì)建筑物能夠起到良好的裝飾作用，但不耐污染。

1 機(jī)體總體方案設(shè)計(jì)

清洗機(jī)包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大系統(tǒng)。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬高為1150mm×900mm×180mm，加裝12.3kg清洗液后總重量約為60kg。該機(jī)器有3根橫梁支架，所有的器件均直接或間接安裝在3根橫梁支架上；清洗部分由6排清洗刷、4排刮水器和6排吸水柱三部分組成，16根清洗工具均安裝在清洗支架上，每根清洗支架由3根連接桿套上壓力彈簧后安裝在橫梁支架上。存放清洗液的水箱和電源控制箱安裝在3根橫梁支架之間；清洗液通過(guò)噴水器噴灑于玻璃幕墻上，在橫梁支架上安裝有3個(gè)安全環(huán)，本機(jī)器在玻璃幕墻上行駛可以不使用安全繩，從安全方面考慮加上安全繩后更保險(xiǎn)。每個(gè)橫梁支架均有6顆螺栓與履帶輪相連，履帶輪上安裝有特制吸盤(pán)。

2 工作原理

2.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為裝有特制吸盤(pán)的兩條履帶輪。運(yùn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)輪再帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在履帶上的吸盤(pán)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。履帶輪在行駛時(shí)吸盤(pán)交替的進(jìn)行吸附玻璃與離開(kāi)玻璃，達(dá)到在玻璃幕墻上行駛的目的。

2.1.1 履帶輪介紹

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

履帶輪為本機(jī)器的重要器件，考慮到玻璃幕墻表面平整光滑的特點(diǎn)，所以采用吸盤(pán)吸附的方法，單一吸盤(pán)能提供的吸附力有限，所以需要用多個(gè)吸盤(pán)同時(shí)工作才能與整機(jī)的重量平衡，最終決定把特制吸盤(pán)固定在履帶輪上，利用履帶輪的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)，使得多個(gè)吸盤(pán)能同時(shí)處于吸附狀態(tài)。在履帶上安裝有14個(gè)直徑為105mm的特制吸盤(pán)，履帶輪的后端安裝有兩塊起閥塊，用于特制吸盤(pán)離開(kāi)時(shí)打開(kāi)吸盤(pán)，讓吸盤(pán)進(jìn)氣。

2.1.2 特制吸盤(pán)介紹

該吸附裝置由普通吸盤(pán)、彈簧、閥門(mén)桿三部分組成，如圖2所示。吸盤(pán)用丁腈橡膠制造，邊緣很柔軟，能緊貼附于玻璃表面上而形成密封內(nèi)腔[3]。工作原理：當(dāng)特制吸盤(pán)在接觸玻璃時(shí)履帶輪對(duì)吸盤(pán)擠壓，閥門(mén)被氣體壓開(kāi)，氣體被排出，排出后彈簧給閥門(mén)一個(gè)壓力使閥門(mén)與吸盤(pán)封閉，保證吸盤(pán)內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)，并緊緊的吸附在玻璃上，當(dāng)需要讓吸盤(pán)離開(kāi)玻璃時(shí)，履帶輪繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)固定在履帶輪上的起閥塊將特制吸盤(pán)上的閥門(mén)抬起，起閥塊共有兩塊，均固定在履帶輪上，當(dāng)吸盤(pán)跟隨履帶運(yùn)動(dòng)到安裝有起閥塊的位置時(shí)，兩塊起閥塊插到①與②中間將閥門(mén)桿抬起，吸盤(pán)閥門(mén)被打開(kāi)，氣體進(jìn)入吸盤(pán)內(nèi)，從而使吸盤(pán)失去吸附力離開(kāi)玻璃。

圖2 吸盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

①-閥門(mén)桿；②-彈簧；③-普通吸盤(pán)；④-起閥塊。

2.1.3 安全性校核

當(dāng)機(jī)器在玻璃上爬行時(shí)，可能出現(xiàn)兩種危險(xiǎn)情況：①最上方接觸的吸盤(pán)由于受傾翻力矩太大脫離玻璃，引起機(jī)器的傾翻；②清洗機(jī)從墻面上滑下。下面驗(yàn)證其安全性：

（1）清洗機(jī)不會(huì)傾翻

如圖3，清洗機(jī)不傾翻的力學(xué)條件是：

圖3 整體受力分析

為方便計(jì)算Ni，假設(shè)作用于吸盤(pán)上的支撐力形成平行力系，并且從N1～N6比例增加，以上假設(shè)表達(dá)式為：

吸盤(pán)吸附力的計(jì)算公式[5]如下：

式中：S-吸盤(pán)面積，以 cm2表示；P-氣壓，以 kg/cm2表示；λ-安全系數(shù)

吸盤(pán)直徑D=105mm，安全系數(shù)λ＞=2，吸盤(pán)的真空度約為0～70kPa[6]，真空度按50kPa=0.5kg/cm2。吸盤(pán)的吸力為：

（2）清洗機(jī)不可能從墻面滑下

清洗機(jī)不從墻面滑下的力學(xué)條件是：最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力。所以有：

式中：μ-最小摩擦系數(shù)；N-接觸面的正壓力。由公式（6）（7）可知，Nmin=N1，于是：

玻璃與吸盤(pán)的摩擦系數(shù)μ=0.3[7～8]，摩擦力為：

在運(yùn)行時(shí)共有12個(gè)吸盤(pán)同時(shí)工作，所以最后總摩擦力為：

這表明：清洗機(jī)不可能從墻面滑下，同時(shí)也說(shuō)明，清洗機(jī)能在玻璃幕墻上能安全行走。

2.2 清洗系統(tǒng)

清洗部分位于水箱和電源控制箱的下面，如圖1所示。通過(guò)6根連接桿與橫梁支架相連。在連接中套以彈簧提供清洗時(shí)所需的壓力，保證清洗裝置與玻璃幕墻的壓力恒定。清洗部分分為噴水管、清洗刷、刮水桿、吸水柱四部分，清洗步驟：首先噴水器噴出適量清洗液于待洗玻璃上；其次6排穿制豬鬃的圓柱型尼龍筒由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)清洗，采用4排類(lèi)似于汽車(chē)雨刷的刮水器將清洗后留在玻璃上的水或其他污物進(jìn)行刮除；最后采用6排由吸水海綿包裹連桿制成吸水柱吸水，目的為吸干清洗后所殘留的水。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)安裝在機(jī)器的控制箱內(nèi)，由單片機(jī)、繼電器、攝像頭、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊等構(gòu)成。采用無(wú)線(xiàn)遙控，并設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種可選控制模式。

3 結(jié)束語(yǔ)

將履帶輪與吸盤(pán)相結(jié)合，用閥門(mén)桿、彈簧、吸盤(pán)制作為特制吸盤(pán)的清洗機(jī)，能自動(dòng)清洗玻璃。裝置簡(jiǎn)單，安全可靠，可改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]李哲.論我國(guó)玻璃幕墻的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].現(xiàn)代裝飾（理論），2015（3）：253～254.

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TU227

A

1004-7344（2016）27-0236-02

湖北民族學(xué)院2015年大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（2015Z012）；湖北民族學(xué)院教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（No.2009JY028）。

2016-9-12

王命國(guó)（1994-），男，大學(xué)生，機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生。

袁作彬（1966-），男，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)研究。