王振華++程冰

摘 要：本項(xiàng)目研究了一種固定式清洗設(shè)備，通過樓頂軌道與卷揚(yáng)機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)清洗設(shè)備的橫向縱向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單次大面積清洗，提高清洗效率；同時(shí)在清洗的過程中采用空化沖洗的方法，將高壓空氣與水混合形成水霧，提高沖洗效率的同時(shí)節(jié)約清洗用水，降低清洗裝置的自重。 本作品移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為提高玻璃幕墻清洗機(jī)器人的清洗效率提出了新思路，同時(shí)清洗裝置的設(shè)計(jì)也較為新穎，具有一定的借鑒性。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻清洗；機(jī)器人；固定式；文丘里管

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0058-02

1 項(xiàng)目背景及意義

隨著人口激增，現(xiàn)代建筑越來越高層化。為了實(shí)現(xiàn)美觀和高采光，玻璃幕墻應(yīng)用越來越廣泛，隨之而來的是玻璃幕墻的清洗問題。由于現(xiàn)有的清洗方式主要是人工清理，清理難度大，效率低且極危險(xiǎn)，所以清洗成本很高，一般的價(jià)格為每平米30～40元，越高處價(jià)格越貴。帶來的得問題是清洗周期長，多為一年一次，難以實(shí)現(xiàn)即時(shí)清理。自動(dòng)化清洗設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，而幾乎所有的研究方向都是爬壁機(jī)器人的研發(fā)，以機(jī)器人攜帶清洗設(shè)備進(jìn)行清洗，這種清洗方式雖然解放了人力，但單次清洗面積小，清洗速度慢，且為實(shí)現(xiàn)爬壁功能，技術(shù)含量高，造價(jià)昂貴。

研究固定式清洗設(shè)備的意義在于實(shí)現(xiàn)單次大面積清洗，提高清洗效率，降低技術(shù)成本，實(shí)現(xiàn)普遍化。

2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目由蓄水裝置、供水裝置、清洗裝置和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成。

蓄水裝置和供水裝置為清洗裝置的清洗工作提供用水，使其能穩(wěn)定連續(xù)的進(jìn)行清洗工作。

清洗裝置用于對(duì)幕墻表面進(jìn)行清洗，分為噴淋和擦洗兩個(gè)過程。

噴淋部分借鑒文丘里施肥器的設(shè)計(jì)[1]，采用文丘里效應(yīng)，用進(jìn)氣泵和氣管、水管實(shí)現(xiàn)，左邊通過高壓氣泵送進(jìn)高壓氣體，通過三通管時(shí)，由于高速流動(dòng)氣體處壓強(qiáng)較低，將水吸入管中，并將其打散，兩者混合成為水汽混合物從霧化噴嘴中噴出。圖1為文丘里效應(yīng)。

擦洗過程用纖維布料的擦洗盤進(jìn)行擦洗，由于擦洗過程與真空吸附相結(jié)合[2]，所以對(duì)擦洗盤進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，布制擦洗套套在擦洗盤上通過纖維布料較大的空隙，將空氣抽入真空泵，并通過內(nèi)部的電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行玻璃的擦洗。

運(yùn)動(dòng)裝置分為上下運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)用盤繩器實(shí)現(xiàn)，通過盤繩器的自鎖結(jié)構(gòu)，使其只能通過驅(qū)動(dòng)端上下移動(dòng)。

裝置的自鎖通過棘輪、棘輪扣、齒輪、主動(dòng)軸和同步扣組成。棘輪固定在機(jī)架上，棘輪扣通過內(nèi)棘輪與棘輪扣合，同步扣用銷釘與主動(dòng)軸固定在一起，齒輪內(nèi)部為螺紋，和主動(dòng)軸上的齒輪嚙合，齒輪可以在同步扣和棘輪扣之間移動(dòng)，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)與同步扣貼合時(shí)，齒輪和主動(dòng)軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)齒輪由于重物的重力反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與棘輪扣貼合，因?yàn)榧喛叟c棘輪扣合，棘輪固定在機(jī)架上，所以齒輪無法轉(zhuǎn)動(dòng)，重物也就不能自由降落，此時(shí)只有轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)軸才會(huì)使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

在實(shí)踐過程中，為了更好的模擬玻璃幕墻，為清洗試驗(yàn)提供良好的工作環(huán)境，搭建了900mmX1000mm的玻璃框架。采用40鋁型材作為框架骨骼，采用6mm鋼化玻璃模擬墻面，目前常見的幕墻類型主要分為隱框和明框，隱框幕墻表面較為平整，比較容易清理，明框幕墻由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在幕墻外有很明顯的突出，對(duì)清洗工作會(huì)帶來較大障礙，由于本項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)原有項(xiàng)目有較大改動(dòng)，取消了原有的軌道系統(tǒng)，采用真空吸附作為清洗壓力的來源，為了保證真空吸附的密封性，所以對(duì)工作環(huán)境有較為嚴(yán)格的要求，故采用隱框玻璃幕墻，工作面為800mmX900mm的玻璃面。

由于本實(shí)驗(yàn)側(cè)重于檢測(cè)清洗裝置的清洗功能和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能，所以對(duì)于其他的組成部分以較為簡單的裝置替代。

蓄水裝置和供水裝置用鋁制水桶替代，采用文丘里效應(yīng)將水從水桶中吸出，并從霧化噴嘴中噴出。

在方案制定時(shí)，由于原定方案中設(shè)計(jì)的軌道系統(tǒng)相對(duì)幕墻墻體較為明顯，對(duì)墻面的完整性有很大影響且對(duì)于較高的建筑來說，軌道鋪設(shè)很難保證較高的垂直度，當(dāng)軌道鋪設(shè)較長時(shí)，較多的對(duì)接和推力裝置的布置也會(huì)影響軌道的直線度，較為致命的缺陷是，由于樓層的高度較高，鋪設(shè)軌道對(duì)軌道本身的強(qiáng)度要求很高，任何一處的破壞都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。要達(dá)到上述要求，就會(huì)導(dǎo)致裝置的成本大幅提升，減少項(xiàng)目實(shí)施的可行性。此外，軌道鋪設(shè)之后，會(huì)將完成的工作環(huán)境分割為小塊的區(qū)域，反而會(huì)加大工作量，增加工作阻礙。綜上所述，對(duì)墻體進(jìn)行改造來輔助清洗工作，得不償失，所以我們將鋪設(shè)軌道輔助清洗的部分取消，將軌道的功能添加到清洗裝置中。

2.1 清洗裝置的設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目方案制定中取消了軌道設(shè)計(jì)，所以清洗時(shí)的壓力需要由清洗裝置本身提供，所以將真空吸附添加到清洗裝置中，清洗裝置除了擦洗玻璃外還要通過真空吸附貼合在玻璃表面。清洗時(shí)的噴淋過程，用水管、三通接頭、噴頭、氣泵和水桶完成，工作時(shí)，氣泵首先開始工作，通過文丘里效應(yīng)將水吸入管道，混合后從霧化噴嘴噴出，將玻璃淋濕。擦洗過程用擦洗盤完成。

2.2 運(yùn)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)中，裝置的移動(dòng)由樓頂?shù)木頁P(yáng)機(jī)提供，因?yàn)榫頁P(yáng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中顯得較為笨重，且其速率不合適裝置的清洗，所以實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)由滾珠絲桿機(jī)構(gòu)和盤繩器實(shí)現(xiàn)，滾珠絲桿機(jī)構(gòu)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將定軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為裝置的左右移動(dòng)，盤繩器用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于實(shí)現(xiàn)裝置的上下移動(dòng)。

裝置的上下移動(dòng)通過盤繩器實(shí)現(xiàn)，盤繩器通過螺釘緊固在滾股絲桿上，盤繩器利用自鎖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置的安全下放。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目將裝置在玻璃幕墻上的遍歷運(yùn)動(dòng)分解為水平運(yùn)動(dòng)與豎直運(yùn)動(dòng)；水平運(yùn)動(dòng)由水平電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠滑軌實(shí)現(xiàn)，豎直運(yùn)動(dòng)由豎直電機(jī)帶動(dòng)繩輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)傳遞示意圖見圖2。

裝置采用先水平運(yùn)動(dòng)后豎直運(yùn)動(dòng)的方式完成遍歷運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，首先是水平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)裝置水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸及水平邊界時(shí)；裝置下移一段距離，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)裝置的遍歷運(yùn)動(dòng)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

3.1 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用文丘里效應(yīng)，將噴水噴嘴改為霧化噴嘴，提高清洗用水的利用率。

（2）將擦洗盤進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，使其與真空吸附結(jié)合，減少裝置體積和重量，使其便于運(yùn)動(dòng)和搬運(yùn)。

（3）運(yùn)動(dòng)裝置的上下運(yùn)動(dòng)采用自鎖結(jié)構(gòu)，提高裝置的安全性。

3.2 應(yīng)用前景分析

本裝置在實(shí)驗(yàn)過程中采用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和盤繩器替代原定方案中的懸吊系統(tǒng)，并將真空吸附和清洗工作結(jié)合，替代軌道系統(tǒng)，使其更適用于隱框幕墻的清洗，并減少裝置的安全隱患，提高裝置的可靠性和穩(wěn)定性，使其具有較好的市場(chǎng)適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

[1]孟慶國.文丘里施肥器改進(jìn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2005，（9）：97-98.

[2]錢志源.帶滑動(dòng)式吸盤的爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性分析及其應(yīng)用研究[D].上海交通大學(xué)，2007.