韓國(guó)武,荊 蓓,樊 琪,李 宗,張勝軍,陳新軒
(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)西耀分公司,陜西 西安 710065; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院, 陜西 西安 710064)
隨著中國(guó)高速公路的快速發(fā)展,截至2016年底,國(guó)內(nèi)新增高速公路6 000 km,總里程突破13萬(wàn) km。因中國(guó)是多山多丘陵的國(guó)家,所以國(guó)內(nèi)高速公路的特點(diǎn)是以橋梁與隧道連線的形式為主,且隧道連線長(zhǎng)。
為了降低通過(guò)城市住宅區(qū)的高架道路上車(chē)輛噪音的影響,在高架道路上都設(shè)有聲屏障。由于行車(chē)安全以及美觀的需要,要對(duì)聲屏障、隧道壁面以及遮光板進(jìn)行清洗。目前國(guó)內(nèi)主流清洗設(shè)備,如遠(yuǎn)東大方隧道清洗車(chē)、中聯(lián)重科ZLJ5160TXQE3隧道清洗車(chē)、赫爾茨曼3100隧道清洗車(chē)、廈工楚勝(湖北)專用汽車(chē)制造有限公司生產(chǎn)的隧道清洗車(chē),都以滾刷式清洗方式為主,且施工場(chǎng)所多以隧道為主,不能進(jìn)行聲屏障等需雙面清洗的公路設(shè)施的清洗或清洗自動(dòng)化程度不高。因此研究開(kāi)發(fā)功能齊全的清洗設(shè)備具有重大的實(shí)際意義。
目前可用于隧道與聲屏障的清洗方式有3種:高壓清洗、干冰清洗和滾刷清洗。
高壓清洗是在高壓水射流的基礎(chǔ)上發(fā)展的清洗方式,其基本原理是:利用高壓泵將常壓水轉(zhuǎn)換為高壓水,再經(jīng)噴射裝置將高壓水噴射到隧道壁、護(hù)欄及聲屏障等待洗物面上。高壓水射流經(jīng)噴射形成高壓水簾,具有很大的沖擊力,可以正向及切向沖擊待洗面的污漬,將污漬先進(jìn)行軟化溶解,再通過(guò)高壓水簾沖擊污漬使其從待洗物表面剝離,從而完成清洗[9-10]。
圖1 高壓清洗噴架
高壓清洗的優(yōu)點(diǎn)是:清洗裝置較為簡(jiǎn)單,只需利用副發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)高壓水系統(tǒng),就能實(shí)現(xiàn)高壓清洗。而且高壓噴架與隧道形狀相似,通過(guò)隧道時(shí)可將隧道墻面全面清洗[11-12]。其噴架如圖1所示。
高壓清洗的缺點(diǎn)是:高壓清洗水射流具有較大的沖擊力,易對(duì)脆性的清洗面產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞,同時(shí)高壓清洗工作壓力很大,增加了清洗作業(yè)的危險(xiǎn)性;清洗的效果一般、效率較低,一般需要多次清洗才能保證清洗干靜;高壓清洗的能耗較大,需要較高功率的發(fā)動(dòng)機(jī),增加了整車(chē)油耗,提高了清洗成本。
干冰清洗的原理是利用干冰的低溫性,使待清洗面的污漬因低溫而龜裂,再利用干冰噴射到待清洗面的沖擊力使污漬剝離,如圖2、3所示。
圖2 干冰清洗的低溫導(dǎo)致污染物龜裂
圖3 污染物被干冰微爆剝落
干冰清洗的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境的污染小、能源耗費(fèi)低、安全、環(huán)保等;缺點(diǎn)是技術(shù)難度高、干冰清洗裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
滾刷式清洗是基于人工清洗發(fā)展而成的機(jī)械式清洗方式。首先,滾刷清洗利用低壓水系統(tǒng)將加入清洗劑的低壓混合物噴灑到待洗表面,將待洗表面的污漬進(jìn)行軟化及融化,降低污漬附著性;再利用滾刷與清洗面的接觸力使污漬從清洗面剝離下來(lái),最后用清水沖洗完畢。
滾刷式清洗的優(yōu)點(diǎn)是:清洗的效果好、清洗里程長(zhǎng)、效率高;清洗過(guò)程中所需水量大約是高壓清洗車(chē)的三分之一;能耗低,清洗成本低。
滾刷式清洗的缺點(diǎn)是:在清洗過(guò)程中由于清洗劑等的使用可能對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染。
隧道壁與聲屏障綜合清洗機(jī)的工作裝置是根據(jù)清洗對(duì)象結(jié)構(gòu)的不同,分為單刷清洗裝置和雙刷清洗裝置。單刷清洗裝置通過(guò)液壓缸的調(diào)節(jié)完成不同高度的隧道壁面清洗,同時(shí)也可以對(duì)聲屏障兩面分別進(jìn)行清洗。在同一時(shí)刻單刷清洗裝置對(duì)聲屏障的清洗只能進(jìn)行一面清洗,而雙刷可以對(duì)聲屏障的兩面同時(shí)清洗。因此,進(jìn)行單刷與雙刷換裝可實(shí)現(xiàn)對(duì)公路隧道壁面的單面清洗與聲屏障的單面或雙面清洗。單刷隧道壁面與雙刷聲屏障綜合清洗車(chē)的總體結(jié)構(gòu)分別如圖4、5所示。
圖4 公路聲屏障與隧道壁多功能清洗機(jī)總體結(jié)構(gòu)(單刷)
圖5 公路聲屏障與隧道壁多功能清洗機(jī)總體結(jié)構(gòu)(雙刷)
隧道壁面與聲屏障清洗車(chē)工作裝置的強(qiáng)度主要由清洗車(chē)工作裝置的自重決定,不同的清洗工況使各個(gè)鉸接點(diǎn)的受力不同。因此,可以根據(jù)不同作業(yè)工況求得各個(gè)鉸接點(diǎn)所受的作用力,進(jìn)而對(duì)主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度分析。多功能清洗機(jī)的主要作業(yè)工況有單刷清洗隧道壁最高位置、最大距離、最低位置,分別如圖6~8所示;單刷清洗聲屏障背部最低位置,如圖9所示;雙刷清洗聲屏障水平工況、最大距離工況和最近距離工況,分別如圖10~12所示。
圖6 單刷清洗隧道壁最高位置
圖7 單刷清洗隧道壁最大距離
圖8 單刷清洗隧道壁面最低位置
圖9 單刷清洗聲屏障背部最低位置
圖10 雙刷清洗聲屏障水平工況
圖11 雙刷清洗聲屏障最大距離工況
圖12 雙刷清洗聲屏障最近距離工況
綜上,清洗車(chē)不同作業(yè)工況清洗參數(shù)見(jiàn)表1。
單刷及雙刷清洗隧道壁在清洗最大距離時(shí),液壓缸的受力最大,因此分別對(duì)這2種工況進(jìn)行受力分析。
當(dāng)工作裝置的液壓缸伸出,使得機(jī)械臂與地面 成60°夾角,機(jī)械臂處于水平狀態(tài),同時(shí)調(diào)節(jié)液壓缸,使得刷錕與隧道壁面平行,此時(shí)清洗車(chē)的工作裝置處于最大清洗距離。工作裝置處于最大清洗距離時(shí)的受力如圖13所示。
表1 清洗車(chē)不同作業(yè)工況清洗參數(shù) mm
圖13 單刷清洗隧道壁面最大距離
機(jī)架平衡方程為
機(jī)械臂3的平衡方程為
機(jī)械臂2的平衡方程為
機(jī)械臂1的平衡方程為
對(duì)液壓缸4進(jìn)行受力分析,同理可得
根據(jù)以上方程通過(guò)Matlab求解可知,連桿2對(duì)機(jī)架的作用力F11為2 806 N;機(jī)械臂3對(duì)機(jī)架的水平方向的作用力F10x(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為1 747 N ;機(jī)械臂3對(duì)機(jī)架的豎直方向的作用力F10y(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為1 296 N ;連桿1對(duì)機(jī)械臂3的作用力F9為2 968 N ;液壓缸與機(jī)械臂3之間的作用力F8為3 148 N;液壓缸對(duì)機(jī)械臂3的作用力F7為11 494 N;機(jī)械臂2對(duì)機(jī)械臂3的水平作用力F6x為11 498 N;機(jī)械臂2對(duì)機(jī)械臂3的豎直方向的作用力F6x為1 425 N;機(jī)械臂1對(duì)機(jī)械臂2的水平方向的作用力F4x為648 N;豎直方向的作用力F4y為14 474 N;液壓缸2對(duì)機(jī)械臂2的作用力為11 533 N;液壓缸1對(duì)機(jī)械臂1的作用力為29 451 N;轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)機(jī)械臂1的水平作用力F0x(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為21 288 N;轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)機(jī)械臂1的豎直方向的作用力F0y為24 897 N。單刷清洗隧道壁面最大距離受力分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 單刷清洗隧道壁最大距離受力分析計(jì)算結(jié)果 N
隧道壁面與聲屏障綜合清洗車(chē)的雙刷清洗裝置在液壓缸1伸出,使得機(jī)械臂1與地面成60°夾角,機(jī)械臂2、3處于水平時(shí),雙刷清洗裝置的清洗半徑達(dá)到最大。雙刷清洗裝置處于最大距離時(shí)工作裝置的受力如圖14所示。
圖14 雙刷清洗聲屏障最大距離
左側(cè)滾刷的平衡方程為
右側(cè)滾刷的平衡方程為
機(jī)械臂5的平衡方程為
機(jī)械臂4的平衡方程為
機(jī)械臂3的平衡方程為
機(jī)械臂2的平衡方程為
機(jī)械臂1的平衡方程為
對(duì)液壓缸4進(jìn)行受力分析,同理可得
根據(jù)以上方程通過(guò)Matlab求解可知,機(jī)械臂5 對(duì)機(jī)架的水平作用力F16x為471 N;機(jī)械臂5對(duì)機(jī)架的豎直方向的作用力F16y為584 N;液壓缸6對(duì)機(jī)架的作用力F15為760 N;液壓缸7對(duì)機(jī)械臂5的作用力F14是3 938 N;機(jī)械臂4對(duì)機(jī)架的水平作用力F13x(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為386 N;機(jī)械臂4對(duì)機(jī)架的豎直方向的作用力F13y為569 N;液壓缸4對(duì)機(jī)架的作用力F12為723 N;連桿2對(duì)機(jī)械臂4的作用力F11(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為1 375 N;機(jī)械臂3對(duì)機(jī)架的水平方向的作用力F10x為208 N;機(jī)械臂3對(duì)機(jī)架的豎直方向的作用力F10y(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為5 993N;連桿1對(duì)機(jī)械臂3的作用力F9(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為4 207 N;液壓缸與機(jī)械臂3之間的作用力F8(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為2 432 N;液壓缸對(duì)機(jī)械臂3的作用力F7為22 932 N;機(jī)械臂2對(duì)機(jī)械臂3的水平方向的作用力F6x為 22 942 N;機(jī)械臂2對(duì)機(jī)械臂3的豎直方向的作用力F6y為3 373 N;機(jī)械臂1對(duì)機(jī)械臂2的水平方向的作用力F4x為17 830 N;機(jī)械臂1對(duì)機(jī)械臂2豎直方向的作用力F4y為29 155 N;液壓缸2對(duì)機(jī)械臂2的作用力為24 313 N;液壓缸1對(duì)機(jī)械臂1的作用力為54 361 N;轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)機(jī)械臂1的水平作用力F0x(與計(jì)算時(shí)假設(shè)的方向相反)為39 429 N;轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)機(jī)械臂1的豎直方向的作用力F0y為43 917 N。雙刷清洗聲屏障最遠(yuǎn)距離受力分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 雙刷清洗聲屏障最遠(yuǎn)距離受力分析計(jì)算結(jié)果 N
通過(guò)對(duì)清洗機(jī)不同作業(yè)工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析可知,當(dāng)綜合清洗車(chē)處于單刷清洗隧道壁面最大距離時(shí),液壓缸1、2、3的作用力最大,分別為2 9451、11 533、11 494 N。當(dāng)綜合清洗車(chē)處于單刷清洗聲屏障背部最低位置工況時(shí),液壓缸4的作用力達(dá)到最大,為23 782 N。在該作業(yè)工況下,液壓缸4的作用力迅速變大。從液壓缸4的計(jì)算公式可以看出,液壓缸4的作用力與角C、D的大小有關(guān),而角C、D與結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),因此可以通過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸以及鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化減小液壓缸4的作用力。當(dāng)綜合清洗車(chē)處于雙刷清洗聲屏障最遠(yuǎn)距離工況時(shí),液壓缸1、2、3的作用力最大,分別為54 361、24 313、22 932 N。
(1)對(duì)公路聲屏障與隧道壁清洗方式進(jìn)行了分析,并設(shè)計(jì)了一種采用單刷與雙刷自由切換的多功能清洗機(jī)。
(2)對(duì)多功能清洗機(jī)單刷清洗隧道壁時(shí),最高位置、最大距離、最低位置,清洗聲屏障背部最低位置,以及雙刷清洗聲屏障的水平、最大距離、最近距離進(jìn)行了分析。
(3)對(duì)多功能清洗機(jī)液壓缸1、2、3的受力最大的工況進(jìn)行分析,為后期的強(qiáng)度校核提供依據(jù)。