一種基于負(fù)壓吸附的外墻清潔小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

李德源，陳馬鑫，李 川

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523000)

0 引 言

隨著城市化的腳步，高層建筑的數(shù)量和層數(shù)在迅速上升，外墻清潔的需求也隨之增加。目前的外墻清潔工作大多由清潔工人來(lái)完成，然而清潔高層建筑外墻對(duì)于工人而言是危險(xiǎn)而繁重的工作；此外，對(duì)于保潔公司，雇傭清潔工人的成本也在不斷上升。可以說(shuō)，自動(dòng)化清潔機(jī)器人代替人工作業(yè)是必然趨勢(shì)[1]。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)應(yīng)用于外墻清潔的爬墻機(jī)器人已有許多研究，在行進(jìn)方式上有輪式、足式、履帶式等，吸附壁面的方式有真空吸附、負(fù)壓吸附、黏附等，部分機(jī)型已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的準(zhǔn)確率和清潔效率，并且已有少量的樣機(jī)投入試驗(yàn)性應(yīng)用。但是在外墻清潔機(jī)器人的市場(chǎng)化普及上，目前大部分方案依然受到造價(jià)、功耗、安全性等因素的制約[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種外墻清潔小車(chē)，該小車(chē)?yán)寐菪龢a(chǎn)生負(fù)壓，吸附于墻面，并用底部的旋轉(zhuǎn)毛刷清潔墻面。相比于其他爬墻機(jī)器人，這種小車(chē)在較為高效地完成清潔工作的同時(shí)，也兼具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 外 殼

清潔小車(chē)的主要部分是一個(gè)空心六面體如圖1所示。底面和四個(gè)側(cè)面構(gòu)成小車(chē)的箱型底盤(pán)，箱內(nèi)安裝控制電路、電機(jī)等，箱底安裝清潔裝置和傳感器；頂蓋主要安裝負(fù)壓吸附裝置，并與底盤(pán)通過(guò)螺栓連接如圖2所示。小車(chē)前后各有一個(gè)自上而下貫穿的圓柱形通道(如圖3)，用以收束負(fù)壓裝置產(chǎn)生氣流。

圖2 結(jié)構(gòu)

圖3 氣流通道 圖4 部分表面透明化及注釋

高樓外墻清潔的工作環(huán)境十分惡劣，存在大量飛揚(yáng)的灰塵和沙礫，以及不可預(yù)期的降雨天氣，這些因素會(huì)顯著加快電子元件等的損耗，甚至報(bào)廢[3]。針對(duì)以上問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)的清潔小車(chē)采用全封閉外殼，通過(guò)在底盤(pán)和頂蓋的連接縫隙以及各開(kāi)孔處安裝軟膠墊片，能夠有效隔離外界環(huán)境和內(nèi)部，避免電子元件等收到外界環(huán)境干擾，延長(zhǎng)使用壽命。

由于實(shí)驗(yàn)室加工條件有限，為方便更改設(shè)計(jì)，試驗(yàn)所用小車(chē)的箱型底盤(pán)由五塊亞克力板拼接而成，在實(shí)際使用中，底盤(pán)可整體由PVC材料注塑制作。

1.2 行進(jìn)部分

根據(jù)查找到的文獻(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直壁面移動(dòng)的行進(jìn)方案主要有如下幾種：多關(guān)節(jié)足式(每個(gè)足有4個(gè)或以上自由度)、少關(guān)節(jié)足式(每個(gè)足有2～3個(gè)自由度)、輪式、履帶式等[4]。考慮到盡可能減輕重量、降低功耗，采用四輪式底盤(pán)，作為清潔小車(chē)的行進(jìn)部分。

車(chē)輪的輪胎采用軟橡膠材料，并帶有顆粒狀突起如圖5(a)，具有較大的摩擦因數(shù)，同時(shí)在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)外墻造成的損傷較小。經(jīng)測(cè)定，橡膠輪胎不同壁面材料的動(dòng)摩擦因數(shù)μk大約為0.39～0.52，靜摩擦因數(shù)μs大約為0.71～0.92。

在完成壁面清潔作業(yè)的過(guò)程中，為確保清潔效果，小車(chē)的行進(jìn)速率應(yīng)盡可能低，故選用如圖5(b)所示的減速電機(jī)來(lái)拖動(dòng)車(chē)輪，該電機(jī)采用四級(jí)齒輪減速，減速比為1:64。

圖5 車(chē)輪材料入減速電機(jī)

1.3 負(fù)壓吸附裝置

清潔小車(chē)的負(fù)壓吸附裝置由無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一對(duì)螺旋槳組成，螺旋槳旋轉(zhuǎn)切割氣流，產(chǎn)生向下(向小車(chē)底部)的推力Fn，即為小車(chē)與墻面之間的正壓力。由于車(chē)輪與墻面屬于滾動(dòng)摩擦，一般不存在相對(duì)滑動(dòng)，故計(jì)算時(shí)可近似為靜摩擦。小車(chē)的受力分析如下：

圖6 受力分析

兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的推力可由如下公式估算：

Fn=D×P×L×n2×C×2

(1)

式中：D為螺旋槳旋轉(zhuǎn)直徑，m；P為螺距，m；L為槳葉寬度，m；n為轉(zhuǎn)速，r/s；C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取2.5。

小車(chē)與墻面的摩擦力計(jì)算公式如下：

Ff=Fn×μs

(2)

經(jīng)稱(chēng)量，小車(chē)的總質(zhì)量為1.1 kg，根據(jù)牛頓第二定律，可求得小車(chē)所受重力G為11 N，為可知所需摩擦力至少為11 N。

選用8060的通用螺旋槳和kv2450Ⅱ的無(wú)刷電機(jī)，得到如表1數(shù)據(jù)。

表1 槳葉參數(shù)表

把表內(nèi)數(shù)據(jù)代入式(1)，得螺旋槳產(chǎn)生推力為Fn=15.17 N。

小車(chē)與墻壁之間的正壓力為15.17 N，代入式(2)，得兩者之間的摩擦力為10.77～13.96 N，由式：

(3)

可知該負(fù)壓吸附裝置可適應(yīng)92.8%的壁面。

1.4 清潔裝置

清潔裝置由旋轉(zhuǎn)毛刷和拖動(dòng)馬達(dá)組成如圖7(a)所示，安裝在小車(chē)的底部見(jiàn)圖7(b)。毛刷的旋轉(zhuǎn)直徑大致為145 mm，如圖安裝的兩組毛刷約能清潔同時(shí)清潔寬度為290 mm的區(qū)域。

圖7 清潔裝置組成安裝圖

此外，選用的毛刷為市面上常見(jiàn)的掃地機(jī)器人所用的清潔毛刷，增加清潔裝置的可互換性。

2 ANSYS有限元分析

為了減輕重量，小車(chē)外殼的厚度被壓縮至3 mm，在承受螺旋槳推力時(shí)極有可能產(chǎn)生過(guò)大的變形，有必要對(duì)裝置進(jìn)行應(yīng)變分析，以校核其剛度。本文選用ANSYS軟件的WORKBENCH模塊對(duì)清潔小車(chē)的外殼進(jìn)行有限元分析。結(jié)果如圖8所示。

圖8 變形量分析結(jié)果

可以看到，模型大部分的應(yīng)變?cè)?.369%以下，但螺旋槳支架處出現(xiàn)了較大的應(yīng)變，大部分為2.57%到4.04%，最大可達(dá)到5.14%。較大的應(yīng)變?nèi)菀讓?dǎo)致螺旋槳工作時(shí)徑向竄動(dòng)，使得產(chǎn)生的推力下降，有掉落的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)模型做了修改，在支架下表面增加了加強(qiáng)筋如圖9(a)所示，再重新進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖9(b)所示。

圖9 修改模型及變形量分析結(jié)果

改進(jìn)后，危險(xiǎn)截面處的應(yīng)變有了很大下降，可以看到螺旋槳支架上大部分位置的應(yīng)變?cè)?.812%以下，最大應(yīng)變降至2.83%。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該清潔小車(chē)的清潔效果，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)制作了一臺(tái)樣機(jī)如圖10所示，用以測(cè)試相關(guān)參數(shù)。選用玻璃板作為清潔對(duì)象，把水和紅色粉末混合，均勻涂抹在玻璃表面，然后曬干，模擬灰塵沾染的效果，然后用清潔小車(chē)去清潔。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，清潔小車(chē)能夠平穩(wěn)吸附于墻面，對(duì)模擬灰塵有較好的清潔效果。

圖10 樣機(jī)

清潔小車(chē)工作電壓為11.1V，測(cè)定總功耗約為112.8 W，平均速率約為0.13 m/s，結(jié)合上文毛刷的清潔寬度290 mm，小車(chē)的清潔效率可以達(dá)到0.037 7 m2/s，折合135.72 m2/h。

4 結(jié) 語(yǔ)

主要完成了一種基于負(fù)壓吸附的高層建筑外墻清潔小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)公式計(jì)算和ANSYS有限元分析，對(duì)各部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該小車(chē)具有相對(duì)較高的清潔效率和較好的清潔效果，同時(shí)盡可能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低功耗，從而達(dá)到降低制造和維護(hù)成本的目的，為外墻清潔機(jī)器人的市場(chǎng)化做出了貢獻(xiàn)。