王勝藍(lán)， 葉邦松， 袁 方， 侯飛宇， 湯志仁， 江鴻博

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620）

0 引 言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化發(fā)展迅速，帶來了人口的迅速的增長。 與之相適應(yīng)，城市中高樓建筑層出不窮，玻璃幕墻作為一種新穎的高端建筑墻體，是如今高層建筑的首選［1］，繁重、高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、低效的清潔工作成為困擾人們的一大問題。 目前，高空清洗外墻施工通常有2 種方式。 一種是高空吊籃，另外一種是高空吊繩，需要經(jīng)過專業(yè)施工人員進(jìn)行作業(yè)［2］，這無疑會(huì)提高了危險(xiǎn)幾率，長時(shí)間外墻作業(yè)、天氣條件變化等均會(huì)影響外墻清洗工作。因此，為了解決外墻清潔問題，研制一款智能、高效、輕量、安全的外墻噴洗機(jī)尤為重要。

1 整體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)本次高樓外墻工作環(huán)境，噴洗機(jī)在升降機(jī)構(gòu)的帶領(lǐng)下，完成大面積高樓外墻清洗動(dòng)作，為了簡化空中平臺(tái)、減小質(zhì)量，噴洗平臺(tái)所需的氣路、水與清潔液均由平臺(tái)本體外部提供，提高了噴洗平臺(tái)工作的穩(wěn)定性與安全性，為了擺脫高墻障礙物對(duì)清潔效果的影響，噴洗平臺(tái)在清洗作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)了非接觸式清潔。

根據(jù)噴嘴射流清潔工作原理出發(fā)，噴洗機(jī)主要包括3 個(gè)主要部分，即：樓頂部分為升降機(jī)構(gòu)與供給系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)，空中清洗部分為噴洗清潔平臺(tái)與框架、軟導(dǎo)軌等，樓底包括配重小車、遠(yuǎn)程遙控等。此外，為了能及時(shí)監(jiān)測到清洗狀況，噴洗機(jī)內(nèi)部安裝小型攝像頭，及時(shí)觀察噴洗機(jī)工作狀態(tài)，通過遠(yuǎn)程遙控器調(diào)整內(nèi)部搖臂機(jī)構(gòu)擺動(dòng)幅度、水泵與空壓機(jī)開關(guān)等，為了簡化整體方案圖形，給讀者充分理解，整體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，基本參數(shù)表見表1。

表1 噴洗清潔機(jī)基本參數(shù)Tab. 1 Basic parameters of spray cleaning machine

圖1 外墻噴洗機(jī)整體清潔方案Fig. 1 Overall cleaning scheme of exterior wall spray washer

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 噴洗平臺(tái)

外墻噴洗平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 噴洗機(jī)清潔作業(yè)時(shí)，為了保證噴洗作業(yè)過程穩(wěn)定性與安全性，外墻噴洗平臺(tái)在外部安裝了防撞框架，4 根導(dǎo)軌繩引導(dǎo)防撞框架在豎直方向運(yùn)動(dòng)，在一定程度上避免了噴洗平臺(tái)側(cè)傾，噴洗平臺(tái)主要包括兩工作層與電源層，噴洗機(jī)在作業(yè)時(shí)，由上向下進(jìn)行清潔工作，首先由底層噴嘴噴洗清潔液，清洗液由水、酒精、乙二醇、緩蝕劑及多種表面活性劑組成［3］，降低液體冰點(diǎn)，起到防凍作用，然后由上層噴嘴進(jìn)行氣、水兩相清潔，電源裝置在內(nèi)部供電給搖臂機(jī)構(gòu)，在搖臂機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，擴(kuò)大清潔面積。

圖2 外墻噴洗平臺(tái)Fig. 2 Exterior wall spray washing platform

噴洗平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，第一層為24 V、2.5 AH 防水充電電源，所采用鋰電池能量密度高、輸出功率大、工作范圍寬、可隨時(shí)替換［4］，其工作時(shí)間可持續(xù)10 h，內(nèi)部搖臂機(jī)構(gòu)通過調(diào)速器調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，噴洗機(jī)可通過無線控制接收指令完成所有設(shè)計(jì)功能，通過視頻傳輸及時(shí)反饋給操作終端，可以在數(shù)據(jù)異常的情況下及時(shí)停機(jī)，保證噴洗機(jī)作業(yè)過程安全［5］。 第二、第三層采用錐形噴嘴清潔，以高速水作用在被清洗物表面上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清洗作業(yè)［6］，高壓水清洗屬于物理清洗，相比于化學(xué)清洗，適用范圍廣、清洗速度快、易于機(jī)械化及自動(dòng)化［7］。

圖3 噴洗平臺(tái)部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 3 Internal structure of spray cleaning platform

為了提高抗風(fēng)等級(jí)，噴洗平臺(tái)框架設(shè)置4 根軟導(dǎo)軌，空中平臺(tái)抗風(fēng)受力圖如圖4 所示。 由圖4 可知，利用導(dǎo)軌繩拉力克服橫向風(fēng)力干擾，預(yù)緊的軟導(dǎo)軌具有一定張力，在不影響機(jī)器人自由度的情況下，約束噴洗平臺(tái)位置［8］。

圖4 空中平臺(tái)抗風(fēng)受力圖Fig. 4 Wind resistance chart of aerial platform

2.2 樓頂升降裝置與供給系統(tǒng)

2.2.1 升降裝置

卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩進(jìn)行上下牽引運(yùn)動(dòng)，提高了噴洗平臺(tái)工作的穩(wěn)定性。 升降裝置如圖5 所示。 升降裝置在壁面架設(shè)，上下運(yùn)動(dòng)依靠卷揚(yáng)機(jī)提供動(dòng)力，升降機(jī)架具有越過高樓女墻上環(huán)形避雷針的重要作用，在保證機(jī)架強(qiáng)度的情況下，采用40 鋼材拼接而成，盡量降低機(jī)架質(zhì)量［9］，可以根據(jù)高樓女墻高度調(diào)整機(jī)架，機(jī)架依靠女墻環(huán)形作為導(dǎo)軌在水平方向進(jìn)行移動(dòng)，卷揚(yáng)機(jī)鋼纜通過升降機(jī)構(gòu)上方三滑輪帶動(dòng)噴洗平臺(tái)，導(dǎo)軌繩、水管、風(fēng)管穿過機(jī)架外伸環(huán)扣，避免因繩索太多出現(xiàn)打結(jié)問題。 外伸扣件如圖6 所示。

圖5 升降裝置Fig. 5 Lifting device

圖6 外伸扣件Fig. 6 Overhanging coupler

2.2.2 氣、水兩路供給系統(tǒng)

樓頂供給系統(tǒng)如圖7 所示。 由圖7 可知，噴洗平臺(tái)在外墻工作需及時(shí)供給水、氣與清潔液，水與清潔液主要根據(jù)高壓水泵提供，空壓機(jī)主要為噴嘴提供氣體，空壓機(jī)壓力設(shè)定為固定值，能夠在清潔作業(yè)的同時(shí)及時(shí)吹散殘留在外墻上的水珠，外側(cè)清水、清潔液與水泵相連并安裝溢流閥，保證水供給系統(tǒng)不因壓力過高而發(fā)生事故。

圖7 樓頂供給系統(tǒng)Fig. 7 Roof supply system

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

為了進(jìn)一步滿足智能化遠(yuǎn)程控制要求，噴洗平臺(tái)控制系統(tǒng)采用 STM32F103ZET6 單片機(jī)，STM32F103ZET6 是一種嵌入式－微控制器的集成電路，該單片機(jī)主頻達(dá)到72 MHz［10］，片內(nèi)Flash 容量512 kB，SRAM 容量64 kB，內(nèi)核規(guī)格為32 位，電源電壓為2.0～3.6 V。 中央控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制樓頂升降系統(tǒng)、外墻噴洗系統(tǒng)、空中監(jiān)視系統(tǒng)以及地面遙控操作系統(tǒng)，各子系統(tǒng)豐富，控制系統(tǒng)電路如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)電路圖Fig. 8 Flow chart of control system

外墻噴洗平臺(tái)采用遠(yuǎn)距離WiFi 信號(hào)傳輸視頻數(shù)據(jù)，圖9 為噴洗平臺(tái)所用小型攝像頭，主要依靠2.4 G802.11nWiFi 內(nèi)置天線，內(nèi)置電池滿電續(xù)航2.5 h，若發(fā)生異常情況可及時(shí)推送到手機(jī)，采用128 G儲(chǔ)存卡循環(huán)儲(chǔ)存錄像。

圖9 小型攝像頭Fig. 9 Miniature camera

系統(tǒng)技術(shù)路線如圖10 所示。 空中噴洗平臺(tái)依靠內(nèi)置天線發(fā)送視頻數(shù)據(jù)傳輸，在樓底操作人員觀察顯示器之后，利用遙控發(fā)出電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，以12 V 低電壓控制220 V 高電壓，抗干擾能力強(qiáng)，覆蓋范圍廣，可調(diào)整空中噴洗平臺(tái)姿態(tài)，該遙控通過樓頂控制器，進(jìn)而控制樓頂升降裝置、水泵、空壓機(jī)開關(guān)啟停。

圖10 系統(tǒng)技術(shù)路線Fig. 10 Technical route of the system

4 樣機(jī)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證噴洗機(jī)清潔方案的可行性與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)噴洗樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，首先根據(jù)三維模型進(jìn)行樣機(jī)外形加工，其次進(jìn)行樣機(jī)封裝與電路調(diào)試，圖11 為噴洗機(jī)平臺(tái)外殼加工。

圖11 樣機(jī)加工Fig. 11 Prototype processing

噴洗平臺(tái)整機(jī)經(jīng)過內(nèi)部安裝、整機(jī)封裝以及外場試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證外墻噴洗機(jī)遠(yuǎn)程控制方案的可行性以及水路、氣路密閉連接的可靠性，圖12 為噴洗機(jī)外場試驗(yàn)圖。

圖12 噴洗機(jī)樣機(jī)與外場試驗(yàn)Fig. 12 Spray washing machine prototype and field test

5 結(jié)束語

高效、低廉、具有普適性作為外墻噴洗機(jī)的特點(diǎn)，充分說明外墻噴洗機(jī)針對(duì)墻面清潔的重要意義。本文基于傳統(tǒng)人工清潔方式效果不佳、局限性大的難點(diǎn)，研制出一款新型外墻噴洗清潔機(jī)，提出了噴洗機(jī)整體系統(tǒng)方案，主要對(duì)空中噴洗平臺(tái)、樓頂供給系統(tǒng)以及升降越障裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為噴洗機(jī)在復(fù)雜環(huán)境條件下進(jìn)行外墻清潔奠定了基礎(chǔ)。 通過樣機(jī)加工與外場實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了噴洗機(jī)在高樓外墻下的適應(yīng)能力，進(jìn)一步間接證明了噴洗機(jī)遠(yuǎn)距離控制的可行性，對(duì)高樓外墻清潔機(jī)具有借鑒與指導(dǎo)意義。