王命國 楊菲宇 李騰飛 袁作彬

玻璃幕墻清洗機設計

王命國 楊菲宇 李騰飛 袁作彬

（湖北民族學院理學院 湖北恩施 445000）

用閥門桿、彈簧、吸盤制作出特制吸盤，特制吸盤能在吸附時自動排出空氣處于吸附狀態(tài)，在不需要吸附時可以自動進氣讓其失去吸附力。多個吸盤同時吸附玻璃來保證有足夠的吸附力支持機器，履帶輪在行駛時吸盤交替的進行吸附玻璃與離開玻璃。6排清洗刷進行一級旋轉(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排吸水柱將擦洗過的玻璃上的水吸干。

多吸盤；履帶；玻璃幕墻；清洗

引言

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

1 機體總體方案設計

清洗機包括運動系統(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)長寬高為1150mm×900mm×180mm，加裝12.3kg清洗液后總重量約為60kg。該機器有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；清洗液通過噴水器噴灑于玻璃幕墻上，在橫梁支架上安裝有3個安全環(huán)，本機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。每個橫梁支架均有6顆螺栓與履帶輪相連，履帶輪上安裝有特制吸盤。

2 工作原理

2.1 運動系統(tǒng)

運動系統(tǒng)為裝有特制吸盤的兩條履帶輪。運動電機帶動傳動輪轉(zhuǎn)動，傳動輪再帶動履帶轉(zhuǎn)動，固定在履帶上的吸盤跟隨轉(zhuǎn)動。履帶輪在行駛時吸盤交替的進行吸附玻璃與離開玻璃，達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

履帶輪為本機器的重要器件，考慮到玻璃幕墻表面平整光滑的特點，所以采用吸盤吸附的方法，單一吸盤能提供的吸附力有限，所以需要用多個吸盤同時工作才能與整機的重量平衡，最終決定把特制吸盤固定在履帶輪上，利用履帶輪的長度優(yōu)勢，使得多個吸盤能同時處于吸附狀態(tài)。在履帶上安裝有14個直徑為105mm的特制吸盤，履帶輪的后端安裝有兩塊起閥塊，用于特制吸盤離開時打開吸盤，讓吸盤進氣。

2.1.2 特制吸盤介紹

該吸附裝置由普通吸盤、彈簧、閥門桿三部分組成，如圖2所示。吸盤用丁腈橡膠制造，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：當特制吸盤在接觸玻璃時履帶輪對吸盤擠壓，閥門被氣體壓開，氣體被排出，排出后彈簧給閥門一個壓力使閥門與吸盤封閉，保證吸盤內(nèi)部處于負壓狀態(tài)，并緊緊的吸附在玻璃上，當需要讓吸盤離開玻璃時，履帶輪繼續(xù)運動，通過固定在履帶輪上的起閥塊將特制吸盤上的閥門抬起，起閥塊共有兩塊，均固定在履帶輪上，當吸盤跟隨履帶運動到安裝有起閥塊的位置時，兩塊起閥塊插到①與②中間將閥門桿抬起，吸盤閥門被打開，氣體進入吸盤內(nèi)，從而使吸盤失去吸附力離開玻璃。

圖2 吸盤結(jié)構(gòu)圖

①-閥門桿；②-彈簧；③-普通吸盤；④-起閥塊。

2.1.3 安全性校核

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

（1）清洗機不會傾翻

如圖3，清洗機不傾翻的力學條件是：

圖3 整體受力分析

為方便計算Ni，假設作用于吸盤上的支撐力形成平行力系，并且從N1～N6比例增加，以上假設表達式為：

吸盤吸附力的計算公式[5]如下：

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

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

（2）清洗機不可能從墻面滑下

清洗機不從墻面滑下的力學條件是：最大靜摩擦力大于滑動摩擦力。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：

玻璃與吸盤的摩擦系數(shù)μ=0.3[7～8]，摩擦力為：

在運行時共有12個吸盤同時工作，所以最后總摩擦力為：

這表明：清洗機不可能從墻面滑下，同時也說明，清洗機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帶動轉(zhuǎn)動清洗，采用4排類似于汽車雨刷的刮水器將清洗后留在玻璃上的水或其他污物進行刮除；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)安裝在機器的控制箱內(nèi)，由單片機、繼電器、攝像頭、無線傳輸模塊等構(gòu)成。采用無線遙控，并設有自動和手動兩種可選控制模式。

3 結(jié)束語

將履帶輪與吸盤相結(jié)合，用閥門桿、彈簧、吸盤制作為特制吸盤的清洗機，能自動清洗玻璃。裝置簡單，安全可靠，可改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)力，具有廣闊的應用前景。

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

[2]玻璃幕墻的優(yōu)缺點簡介[J].建材發(fā)展導向，2015（4）：107.

[3]高正立，倪尚文.吸盤式圓規(guī)設計[J].機械科學與技術(shù)，1994（2）：31～33.

[4]孟憲超，王祖溫，等.一種多吸盤爬壁機器人原型的研制[J].機械設計，2003（20）：8.

[5]淺談真空吸盤的吸力計算方法[EB/OL]，2014，11：2013.

[6]趙維福.龍虱吸盤的仿生學特性及其真空吸盤組的仿真模擬研究[D].吉林：吉林大學，2006.

[7]李慶陽.玻璃材料的摩擦磨損性能測試及其裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2015.

[8]翁曉龍.柔性材料的表面設計及其粘附特性的研究[D].南京：南京航空航天大學，2015.

TU227

A

1004-7344（2016）27-0236-02

湖北民族學院2015年大學生創(chuàng)新項目（2015Z012）；湖北民族學院教學研究與改革項目（No.2009JY028）。

2016-9-12

王命國（1994-），男，大學生，機械電子工程專業(yè)學生。

袁作彬（1966-），男，副教授，主要從事機械設計研究。