劉艷艷 林朝輝 李海峰

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 智能制造學(xué)院，南京 210023）

戶外照明設(shè)備是基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。它的功能是夜間時(shí)段照明，白天時(shí)段充當(dāng)一種裝飾。很多城市會(huì)其特有的植物、動(dòng)物、風(fēng)景以及特產(chǎn)等元素與其相結(jié)合，因此戶外照明設(shè)備也代表著一個(gè)城市的文化和品牌。但是，如今傳統(tǒng)的戶外照明設(shè)備一般僅具有照明功能，通常由燈桿和燈頭組成，功能性單一，已無(wú)法滿足我國(guó)正在推進(jìn)的智慧城市建設(shè)需求[1-3]。因此，對(duì)戶外照明設(shè)備多用途性的探索已然成為了一種研究趨勢(shì)。例如陶雋儒[4]結(jié)合行人的需要提供了一種方便行人休息的太陽(yáng)能路燈，其中路燈桿上設(shè)有座椅，座板下方設(shè)有滑動(dòng)垃圾盒，可方便行人放置垃圾。此外，楊登路[5]設(shè)計(jì)了一種具有滅蚊蟲(chóng)功能的太陽(yáng)能路燈，張貴中[6]設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程智能控制的可噴淋及清洗澆灌的景觀路燈。

1 功能設(shè)計(jì)

本研究在滿足傳統(tǒng)戶外照明設(shè)備基本功能屬性的基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)的可控性要求和公共設(shè)備智能化原則，開(kāi)展戶外照明設(shè)備的總體功能設(shè)計(jì)，在滿足道路照明功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)人機(jī)交互和功能轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)為行人提供休閑座椅、監(jiān)控、避雨場(chǎng)所等擴(kuò)展功能，如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備功能要求，開(kāi)展多功能戶外照明設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)由框架、氣缸翻轉(zhuǎn)組件、LED燈組以及雨棚模塊等組成，如圖2所示[7]。框架由大/小支腳和椅體構(gòu)成，是設(shè)備主體結(jié)構(gòu)和承力部件；氣缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為設(shè)備功能轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)裝置；LED燈組和雨棚為設(shè)備的功能模塊。

圖1 多功能戶外照明設(shè)備系統(tǒng)功能

圖2 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)夠成圖

2.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.2.1 框架選材與設(shè)計(jì)計(jì)算

本設(shè)備框架部件選擇Q235材質(zhì)。在座椅形態(tài)下，以椅板上可承受3個(gè)成年人（各100 kg）的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。人體與椅板接觸面積為350 mm×350 mm，則椅板受力為：

式中，m為人體總質(zhì)量，a為人體與椅板接觸面積。于是，有：

基于Q235材料的力學(xué)性能，最后計(jì)算：

故選用厚度為8 mm的Q235板材強(qiáng)度足夠。

2.2.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由椅體翻轉(zhuǎn)（大氣缸驅(qū)動(dòng)）、小支腳翻轉(zhuǎn)（小氣缸驅(qū)動(dòng)）、回拉彈簧以及穩(wěn)定裝置（齒輪齒條）等子機(jī)構(gòu)組成。

（1）大氣缸計(jì)算

大氣缸的作用是為椅體的翻轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。選用兩個(gè)相同氣缸對(duì)稱分布于兩側(cè)，氣缸需承受整個(gè)椅體和小支腳的質(zhì)量。已知總質(zhì)量為300 kg，則單個(gè)氣缸所需的推力F1=1 500 N。

根據(jù)式（4）：

可得缸筒內(nèi)徑D1=80 mm和活塞桿直徑d1=25 mm。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣缸行程S1取300 mm。

（2）小氣缸計(jì)算

小氣缸缸筒內(nèi)徑D2和活塞桿直徑d2均選取較大值，即D2=80 mm、d2=25 mm、工作壓強(qiáng)p=0.5 MPa。結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，行程S2取100 mm。

（3）回拉彈簧

參考工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)際，回拉彈簧設(shè)計(jì)成Ⅱ類載荷彈簧，選油淬火回火碳素彈簧鋼絲B類，初步假設(shè)鋼絲直徑d為7～9 mm。為保證彈簧特性，要求工作載荷F在試驗(yàn)載荷Fs的20%～80%，取F=0.8Fs，工作載荷F=1 400 N，則：

用查表法[7]確定鋼絲直徑，得試驗(yàn)載荷：

故選用彈簧鋼絲直徑d為8 mm、彈簧中徑D為50 mm、試驗(yàn)載荷Fs為2 352 N、一圈彈簧的試驗(yàn)變形量fsd為7.27 mm、一圈彈簧的剛度Kd為324 N·mm-1。

計(jì)算彈簧試驗(yàn)載荷最大值為：

故彈簧強(qiáng)度滿足要求，彈簧內(nèi)徑D1=42 mm、D2=58 mm。

（4）齒輪齒條設(shè)計(jì)

齒輪齒條機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)座椅緩慢回縮，保證系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性。根據(jù)傳動(dòng)設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)要求，底板尺寸、輸出端齒輪中心高度及中心距范圍必須滿足原機(jī)型的結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)傳動(dòng)比i=2，設(shè)齒輪齒數(shù)Z1=30，選取模數(shù)m=5，齒條的齒數(shù)Z2=60，齒輪齒條中心距a=450 mm，齒輪直徑D1=150 mm。

把上述參數(shù)帶入式（8）進(jìn)行齒輪強(qiáng)度計(jì)算，有：

式中，ZH為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，ZE為材料彈性系數(shù)，Zε為重合度系數(shù)，Zβ為螺旋角系數(shù)，μ為齒數(shù)比，KA為使用系數(shù)，KV為動(dòng)載系數(shù)，KHα為齒間載荷分布系數(shù)，KHβ為齒向載荷分布系數(shù)，b為齒寬?？芍X輪符合強(qiáng)度要求。

2.3 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能轉(zhuǎn)換的控制和照明、雨棚、監(jiān)控功能的人機(jī)控制等。硬件模塊由PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等組成，是人機(jī)交互系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的轉(zhuǎn)換。智能交互模塊由光線傳感器、無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）器等構(gòu)成，是人機(jī)交互系統(tǒng)的感知元件和神經(jīng)中樞，實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境的感知和智能化控制，如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.4 系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)

基于上述設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)用SolidWorks 2016軟件進(jìn)行框架、氣缸翻轉(zhuǎn)組件、LED燈組、雨棚模塊等組件的三維建模，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的整體裝配。三維裝配效果如圖4所示。

圖4 多功能戶外照明設(shè)備三維裝配圖

3 結(jié)語(yǔ)

面向智慧城市建設(shè)的整體需求，基于“照明+座椅+人機(jī)交互”的總體設(shè)計(jì)方案，本研究完成了多功能戶外照明設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了設(shè)備三維裝配圖，并對(duì)智能化人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，大大提升了戶外照明設(shè)備的功能性。研究成果在滿足智慧城市建設(shè)、提高城市公共服務(wù)能力等方面，具有重要參考意義和推廣價(jià)值。