新型多功能清洗機構的設計與研究

蔣國平 諶炎輝

摘? ? 要：針對廣告清洗機構清洗功能單一，清洗效率較低的問題，設計一種新型多功能清洗機構，并創新設計了一種適應不同直徑的待清洗物體的自適應支撐驅動輪機構.在完善清洗機構設計的基礎上，根據支撐驅動輪工作受力情況，對驅動輪主軸和中間起到連接作用的彈性滑桿組件進行了力學分析和理論計算;并通過SOLIDWORKS進行三維結構模型創建，利用有限元軟件workbench對支撐驅動輪結構進行了靜力學特性仿真.仿真結果與力學分析結果一致，驗證了支撐驅動輪結構設計的合理性，為新型多功能清洗機構的后續開發設計與功能結構優化提供參考經驗.

關鍵詞：廣告清洗;機構設計;力學分析;靜力仿真

中圖分類號：TH122;TH693.9? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.008

0? ? 引言

小廣告胡亂張貼現象在日常生活中普遍存在，與當今社會所提倡的給市民塑造干凈、整潔的生活環境理念背道而馳，極大損害了一座城市的文化底蘊.相關部門采取了宣傳教育、人工清理等方式解決上述問題，卻收效甚微.由于小廣告具有低成本、制作張貼容易、數量巨大、張貼形式多樣等特點，給人工清理帶來了極大挑戰.因此，開發一種能夠有效清除小廣告的清洗機構尤為重要.

國內外許多研究人員對清洗機構展開了相關研究.Li 等[1]對計算機硬盤盤頭清洗機展開了研究，利用真空保持盤頭代替格柵，并結合噴淋清洗、擦洗等方式提高硬盤盤頭的清潔度.李鐵騎等[2]對清洗機的清洗方式、清洗原理等展開了研究，最終選擇多種清洗方式組合使用并將其成功應用于內燃機車的清洗機研制.馬士偉等[3]針對高樓玻璃與室內高墻，設計了一種多功能六足清潔機器人，實現在玻璃與墻面上的垂直行走，既可以清洗玻璃，又可以清掃墻面.苗玉剛等[4]針對高樓大廈頂部玻璃清潔設計了一款自動避障、路徑導航、遠程監控等功能一體的清潔設備.徐丹等[5]采用鉸接方式連接多節清洗裝置構成清洗機整體，有效解決了模仿拱狀棚頂弧形的難點，同時還可以自適應清洗凹凸不平的薄膜表面.王曉琳等[6]研制了一種新型碳纖維爬索機器人，有效解決了機器人沿繩索攀爬困難的問題.

當前清除小廣告的主要方法有兩種：一種是純粹依靠人工利用簡易刮鏟進行廣告鏟除作業;另一種是利用輔助設備進行清除廣告作業.第一種方式勞動強度大、效率低、清除效果不好且長時間工作易使工作人員手臂麻木，有害健康. 第二種方式勞動強度有所下降，但清除效果依然不理想且耗費水資源、在清除過程中會對周圍環境產生二次污染.為了解決當前清除廣告過程中存在的勞動強度大、清除不干凈、耗費能源、不能很好的清洗圓柱曲面類墻面、清洗過程中易對環境產生二次污染等問題，根據市場相關產品的實際使用需求設計了一種新型多功能清洗機構，并創新設計了一種自適應支撐驅動輪機構，以幫助其更好的適應不同直徑的圓柱曲面等特殊墻體的清洗工作.

1? ? 清洗機設計方案分析

1.1? ? 清洗機構工藝要求

通過對當前人工清理方式、借助輔助清理設備進行清理小廣告的方式進行清掃機理研究，發現清洗小廣告的過程大致為：清洗前的潤濕處理、滾刷清洗、打掃清洗下來的碎屑這幾個步驟.通過對城市大街小巷實地走訪調查，發現城市中被粘貼小廣告的圓柱曲面主要是電線桿、路燈桿、指示牌立柱等.電線桿的表面材質大多為混凝土材質;路燈桿、指示牌立柱表面大多為卷鋼材質.通過對圖1所示幾種城市主流的圓柱墻體進行結構分析，發現嚴格意義上這些都不屬于圓柱類，是帶有一定錐度（錐度為[1∶75]）的類圓柱墻體，這就為清洗機的結構設計帶來一定的困難，需要將清洗機的主從動輪設計成可調結構，保證沿著圓柱墻體攀爬或下降的過程中清洗機的主從動輪始終能夠緊緊貼合在墻面上.

廣告清洗機的工藝要求為：清洗過程中，機器能夠穩固在圓柱墻體上不會受自重的影響出現 “掉落”現象;能夠根據自身工作需要實現機器自動爬升或下降的功能需求;能夠實現整機繞圓柱墻體軸線的旋轉運動進而實現對圓柱墻體表面清洗的全覆蓋功能;能夠實現清洗工作與碎屑收集的同步進行功能.

1.2? ? 方案分析

廣告清洗機由機械結構、傳感檢測、嵌入式控制、人機操作終端等組成.其中機械結構部分包括了清洗機的外框機架、主從動輪組件、滾刷清洗組件、碎屑收集組件、集水組件等.清洗機整體結構如圖2所示.

清洗機設計方案的完整工作過程規劃如下：首先，根據待清洗件的具體情況，例如，圓柱墻體的直徑大小、廣告粘貼的形式以及緊密程度等合理選擇滾刷的種類、外框安裝板的大小.確定條件后開始打開清洗機外框的活動鉸鏈，將清洗機套在圓柱墻體周圍，最后閉合活動鉸鏈，完成啟動前的準備工作.按下人機操作終端上的啟動按鈕，清洗機微控制器開始控制清洗機主動輪的驅動電機工作[7-8]，帶動主動輪沿著圓柱墻體爬升.清洗機上面裝有傳感檢測模塊，在運動過程中實時監測墻體表面是否有小廣告等異物，當傳感器檢測到小廣告的存在時，反饋一個電信號至微控制器，微控制器通過植入的程序啟動主動輪的轉向伺服電機、滾刷的驅動電機、水泵電機、碎屑收集裝置電機等同時運作.在此過程中水泵將水抽出并通過噴嘴噴撒在墻體上，完成對小廣告清洗前的潤濕處理工作;滾刷驅動電機帶動滾刷高速旋轉，開始清掃工作;主動輪轉向伺服電機帶動主動輪主軸完成旋轉90°的動作，然后由主動輪驅動電機帶動主動輪繼續旋轉，這樣就完成了整機繞圓柱墻體的旋轉運動，進而完成了對墻體外表面的全覆蓋清洗.碎屑收集裝置在此過程中完成對碎屑的收集工作，避免碎屑掉落對周圍環境造成二次污染.當傳感器檢測不到墻體表面的小廣告時，控制器控制轉向伺服電機回轉90°，使主動輪繼續沿著圓柱墻體爬升[9]，傳感器繼續檢測重復完成上述工作，直至檢測到指定高度，控制器控制主動輪電機回轉，完成清洗機沿著圓柱墻體下降收回的工作過程.整個裝置設計方案的工作規劃過程[10]詳見流程圖，如圖3所示.

2? ? 清洗機結構設計

2.1? ? 外框組件結構設計

根據清洗機設計需求，外框的結構設計需要滿足以下幾個基本條件：第一，清洗機能夠適應一定范圍不同直徑的待清洗件;第二，清洗機外框能夠開閉，操作簡單;第三，外框結構盡可能簡單、重量輕.為了達到上述要求，借用多邊形內切圓的原理將裝置外框整體結構設計成多邊形的形式，如圖4所示.每塊安裝板上都打有上下對稱的螺紋孔，通過帶有U型槽的活動鉸鏈進行連接，由于U型槽具有一定的長度，可以在一定范圍內拓展外框多邊形的邊長，進而使外框可以適應更大范圍直徑的墻體.

2.2? ?主從動輪結構設計

由清洗機的設計需求可知，主動輪必須設計成可調節結構以便于適應圓柱墻體的錐度，不會出現因為錐度的存在導致攀爬或下降時輪子與墻面貼合不緊密的現象[11].主動輪由主動輪轉向電機軸、緊固螺栓、鎖緊螺母、外滑套、高壓彈簧、內套桿、小型電機安裝板、電機固定套、蝸輪蝸桿減速裝置、橡膠滾輪、擋泥板、擋泥板直角安裝板、電機安裝座組成，如圖5所示.高壓彈簧、滑動套桿的存在保證了清洗機在工作時輪子與圓柱墻面的緊密貼合;小型電機、蝸輪蝸桿減速機的組合使用主要是給橡膠滾輪提供一個低轉速的穩定動力;主動輪中間的緊固螺栓、鎖緊螺母起到傳遞換向伺服電機帶來的扭矩和動力的作用.從動輪的結構設計采用了與主動輪同樣的結構，僅缺少了與二級連接傳動軸相連接的轉向伺服電機，滾輪軸處缺少了與之相連的蝸輪蝸桿減速裝置、直流驅動電機、電機安裝板等部分，總體結構相對更為簡單.

2.3? ?洗刷組件結構設計

清洗機洗刷組件由小型步進電機、電機安裝座、圓柱直齒輪、滾子軸承、軸承座、滾刷軸、軸套、滾刷、緊固螺栓組成，如圖6所示.清洗機正常工作時，控制器控制電機的轉速，電機通過齒輪傳動傳遞動力和扭矩給滾刷軸，進而由滾刷軸帶動滾刷做高速旋轉運動，完成洗刷作業[12-13].設計用直齒輪傳動還能起到節約空間的作用，讓裝置更為緊湊[14].此外將滾刷做成內空心的結構既可以起到減重的作用，還能方便更換滾刷起到便于維修保養的作用.

2.4? ?碎屑收集裝置結構設計

清洗機碎屑收集裝置由一層過濾網、碎屑收集槽、二層過濾網、小型立柱、電機安裝板、小型直流電機、小型離心風扇組成，如圖7所示.保證了清洗機在工作時清掃下來的廣告碎屑被離心風扇的吸力直接吸收到裝置過濾網后方的收集槽內，避免了清洗過程中因碎屑掉落所造成的二次污染現象.電機安裝板設計為對稱異形結構實現了裝置減輕重量的要求.

3? ? 力學分析與靜力結構仿真

3.1? ?力學分析

為了保證設計的清洗機產品能夠滿足使用過程中的承載要求，對清洗機關鍵受力零部件支撐主動輪結構進行了受力分析.分析發現，主動輪同時受到了彎矩、軸向壓力、扭矩的作用，屬于復合受力狀態.清洗機主要受到自身重力G1、主從動輪滾輪與圓柱墻面的摩擦力f1、圓柱墻面對主從輪的支反力FN2的作用.主動輪還受到轉向伺服電機提供的扭矩T1作用、裝置外框軸承對主動輪主軸軸肩的一個壓緊力FN1的作用、清洗機滾刷高速旋轉與圓柱墻體會產生一個較大的摩擦力f21，并最終通過反作用力作用在主動輪上，而墻體則會對主動輪裝置產生一個反作用力f22.滾輪的驅動電機將會對滾輪作用一個驅動扭矩T2，具體受力狀態如圖8所示.電機驅動扭矩可根據所選電機型號參數查得，裝置總重量可以根據所選材料、體積利用SOLIDWORKS自帶質量屬性功能求得.

此處圓形截面的主動輪軸的靜矩SZ為d3/12，代入已知數值求得d22≥15.766 mm.

當考慮受扭狀態時，由扭矩公式：

為保證主動輪在多種受力狀態下均能滿足強度使用要求，從d11、d22、d31取d的求解相對最大值并取整數，即d為16 mm.

3.2? ?靜力結構仿真

為了對清洗機主動輪承載能力及受力分析過程進行直觀的驗證，利用有限元軟件workbench進行靜力結構分析.為減少有限元后處理的計算工作量，主動輪結構進行合理的簡化[15].將滑動套桿處及其兩端的螺栓連接觸進行剛化處理.直流驅動電機部分通過蝸輪蝸桿傳遞扭矩至主動輪滾輪處，可將扭矩作用載荷直接加載至主動輪并略去電機、蝸輪蝸桿傳動部分的具體結構.將簡化后的主動輪三維模型保存為IGES格式，并導入到workbench的geometry中，然后進行材料的選擇、網格的劃分，在重點受力部位、形狀突變處進行網格局部細化處理.并根據前面的受力分析完成對有限元模型的加載處理，最后進行有限元求解，得到主動輪結構的應力、應變云圖，如圖9所示.

通過有限元仿真發現主動輪主軸的變形顯示為深藍色，幾乎無變形;滾輪選用的為橡膠材質，擋泥板選用的塑料材質，受到擠壓力的作用有略微變形，但是在安全范圍內滿足使用要求;主動輪最大應力為1.712 MPa，最大應變為8.650 9，均在安全工作范圍.通過云圖發現，清洗機的重要受力零部件主動輪能夠承受工作過程中的載荷，可以滿足正常使用需求，也驗證了通過力學分析的主動輪軸的設計合理性，滿足強度要求.

4? ? 結論

1）根據清洗機結構及工藝要求設計了外框組件，能夠適應一定范圍內不同導桿的直徑，具體范圍值與外框安裝板上U型槽的長度直接相關.

2）通過創新式設計提出了一種自適應支撐驅動輪機構，并對該機構進行力學分析和靜力結構仿真實驗驗證，表明該主動輪結構設計合理，能夠滿足清洗機構正常使用的強度要求.

3）為了保證清洗機構功能的多樣化，裝置還設計了碎屑收集機構，避免了清洗機在清洗過程中產生清洗垃圾，造成二次污染的問題.

4）該產品的設計對于新型多功能清洗機的后續開發、樣機研制與實驗驗證和功能結構優化有很好的參考價值.對于清洗過程中，清洗機的圓周旋轉速度、沿桿爬升或下降的軸向速度、滾刷的轉速、滾刷末端與墻體的接觸長度等幾項關鍵參數的耦合關系對最終廣告清潔度的影響，還需在今后實驗中進一步探究.

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