固定式玻璃幕墻自動清洗設備

王振華++程冰

摘 要：本項目研究了一種固定式清洗設備，通過樓頂軌道與卷揚機的配合實現清洗設備的橫向縱向移動，實現單次大面積清洗，提高清洗效率；同時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節約清洗用水，降低清洗裝置的自重。 本作品移動機構的設計為提高玻璃幕墻清洗機器人的清洗效率提出了新思路，同時清洗裝置的設計也較為新穎，具有一定的借鑒性。

關鍵詞：玻璃幕墻清洗；機器人；固定式；文丘里管

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0058-02

1 項目背景及意義

隨著人口激增，現代建筑越來越高層化。為了實現美觀和高采光，玻璃幕墻應用越來越廣泛，隨之而來的是玻璃幕墻的清洗問題。由于現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，所以清洗成本很高，一般的價格為每平米30～40元，越高處價格越貴。帶來的得問題是清洗周期長，多為一年一次，難以實現即時清理。自動化清洗設備應運而生，而幾乎所有的研究方向都是爬壁機器人的研發，以機器人攜帶清洗設備進行清洗，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，且為實現爬壁功能，技術含量高，造價昂貴。

研究固定式清洗設備的意義在于實現單次大面積清洗，提高清洗效率，降低技術成本，實現普遍化。

2 設計方案

本項目由蓄水裝置、供水裝置、清洗裝置和運動系統組成。

蓄水裝置和供水裝置為清洗裝置的清洗工作提供用水，使其能穩定連續的進行清洗工作。

清洗裝置用于對幕墻表面進行清洗，分為噴淋和擦洗兩個過程。

噴淋部分借鑒文丘里施肥器的設計[1]，采用文丘里效應，用進氣泵和氣管、水管實現，左邊通過高壓氣泵送進高壓氣體，通過三通管時，由于高速流動氣體處壓強較低，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。

擦洗過程用纖維布料的擦洗盤進行擦洗，由于擦洗過程與真空吸附相結合[2]，所以對擦洗盤進行鏤空設計，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，并通過內部的電機帶動旋轉，進行玻璃的擦洗。

運動裝置分為上下運動和左右運動上下運動用盤繩器實現，通過盤繩器的自鎖結構，使其只能通過驅動端上下移動。

裝置的自鎖通過棘輪、棘輪扣、齒輪、主動軸和同步扣組成。棘輪固定在機架上，棘輪扣通過內棘輪與棘輪扣合，同步扣用銷釘與主動軸固定在一起，齒輪內部為螺紋，和主動軸上的齒輪嚙合，齒輪可以在同步扣和棘輪扣之間移動，當齒輪轉動與同步扣貼合時，齒輪和主動軸同速轉動，當齒輪由于重物的重力反向轉動時，會與棘輪扣貼合，因為棘輪扣與棘輪扣合，棘輪固定在機架上，所以齒輪無法轉動，重物也就不能自由降落，此時只有轉動主動軸才會使齒輪轉動。

在實踐過程中，為了更好的模擬玻璃幕墻，為清洗試驗提供良好的工作環境，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構特點，在幕墻外有很明顯的突出，對清洗工作會帶來較大障礙，由于本項目在實驗過程中，對原有項目有較大改動，取消了原有的軌道系統，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，所以對工作環境有較為嚴格的要求，故采用隱框玻璃幕墻，工作面為800mmX900mm的玻璃面。

由于本實驗側重于檢測清洗裝置的清洗功能和運動系統的功能，所以對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，采用文丘里效應將水從水桶中吸出，并從霧化噴嘴中噴出。

在方案制定時，由于原定方案中設計的軌道系統相對幕墻墻體較為明顯，對墻面的完整性有很大影響且對于較高的建筑來說，軌道鋪設很難保證較高的垂直度，當軌道鋪設較長時，較多的對接和推力裝置的布置也會影響軌道的直線度，較為致命的缺陷是，由于樓層的高度較高，鋪設軌道對軌道本身的強度要求很高，任何一處的破壞都會對系統造成嚴重的影響。要達到上述要求，就會導致裝置的成本大幅提升，減少項目實施的可行性。此外，軌道鋪設之后，會將完成的工作環境分割為小塊的區域，反而會加大工作量，增加工作阻礙。綜上所述，對墻體進行改造來輔助清洗工作，得不償失，所以我們將鋪設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 清洗裝置的設計

在項目方案制定中取消了軌道設計，所以清洗時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。清洗時的噴淋過程，用水管、三通接頭、噴頭、氣泵和水桶完成，工作時，氣泵首先開始工作，通過文丘里效應將水吸入管道，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 運動裝置的設計

在方案設計中，裝置的移動由樓頂的卷揚機提供，因為卷揚機在實驗過程中顯得較為笨重，且其速率不合適裝置的清洗，所以實驗中的運動由滾珠絲桿機構和盤繩器實現，滾珠絲桿機構通過電機驅動，將定軸轉動轉換為裝置的左右移動，盤繩器用電機驅動，用于實現裝置的上下移動。

裝置的上下移動通過盤繩器實現，盤繩器通過螺釘緊固在滾股絲桿上，盤繩器利用自鎖結構實現裝置的安全下放。

2.3 運動控制方案的設計

本項目將裝置在玻璃幕墻上的遍歷運動分解為水平運動與豎直運動；水平運動由水平電機帶動滾珠絲杠滑軌實現，豎直運動由豎直電機帶動繩輪機構實現。運動傳遞示意圖見圖2。

裝置采用先水平運動后豎直運動的方式完成遍歷運動。工作時，首先是水平電機轉動，帶動裝置水平運動，當觸及水平邊界時；裝置下移一段距離，電機反向旋轉，如此反復，實現裝置的遍歷運動。

3 創新點及應用前景

3.1 項目創新點

（1）采用文丘里效應，將噴水噴嘴改為霧化噴嘴，提高清洗用水的利用率。

（2）將擦洗盤進行鏤空設計，使其與真空吸附結合，減少裝置體積和重量，使其便于運動和搬運。

（3）運動裝置的上下運動采用自鎖結構，提高裝置的安全性。

3.2 應用前景分析

本裝置在實驗過程中采用滾珠絲杠機構和盤繩器替代原定方案中的懸吊系統，并將真空吸附和清洗工作結合，替代軌道系統，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定性，使其具有較好的市場適應性。

參考文獻

[1]孟慶國.文丘里施肥器改進設計和應用[J].現代農業裝備，2005，（9）：97-98.

[2]錢志源.帶滑動式吸盤的爬壁機器人運動特性分析及其應用研究[D].上海交通大學，2007.