一種新型自動護欄清洗機設計*

李路娜,黃 博,顧 航,連碧華

(南京機電職業技術學院,江蘇 南京 211306)

隨著經濟的發展,我國城市發展進程加快,交通流量越來越大,道路安全要求越來越高,公路兩側或公路中間安裝的公路護欄隨處可見。城市主干道上,汽車通行量大,車速高,道路護欄通常為中央隔離護欄;在城市次干路上既有機動車和非機動車,也有行人,道路護欄的使用可起到保護及引導行人的作用。因此護欄成為了當今城市道路的重要防護型交通道具,也是城市環境的一部分。道路護欄遍布于城市主干道和次干道,且經常受到日曬、雨淋和汽車尾氣、空氣灰塵粘附等,上面沉積了大量灰塵和污漬,嚴重影響城市的市容市貌,需要對其進行定期清洗[1]。目前人工清洗護欄勞動強度大,清洗效率低,同時清潔人員身處機動車輛中間,極易發生交通安全事故,且清潔人員長期與汽車尾氣接觸,身體健康也受到了嚴重威脅。

本文研究一種新型自動護欄清洗機,通過蓋板和限位凸塊實現連接以及位移調節,便于不同厚度的護欄或者其他較厚物件的清洗,這與我國高等級公路養護機械節能、高效、低噪聲、低污染且自動化程度高的發展相適應,具有顯著的社會環境效益和經濟效益。

1 總體結構設計和工作過程

1.1 道路護欄

城市道路護欄的結構形式主要有2種:一種是由圓形截面的鋼筋或鋼管焊接而成,每段通過螺栓連接;另一種是由方形截面的鋼管焊接而成[2]。道路護欄材料通常為線材,標配護欄外形的單元尺寸為長3 m、寬0.07 m、高1.4 m的方管框架圓形鐵棍組焊接而成。

1.2 護欄欄桿清洗原理

滾刷在水清洗的輔助下,可通過對護欄污漬的沖擊、摩擦實現洗掃清潔。自動護欄清洗機作業時,護欄兩對側面滾刷將護欄欄桿“夾擊”在中間,刷毛相互重疊(2～3 cm),使兩滾刷形成一個整體,中間不留間隙。兩滾刷高速旋轉,在護欄表面刮擦,同時沿護欄豎向表面噴水,從而實現清洗(見圖1)。根據分析和實驗可得,當兩滾刷轉向相反時,可使臟物或臟水沿著箭頭方向甩出去,兩滾刷的刷毛在重疊處移動方向相同,可加快刷子的轉速,滾刷兩邊各布置一個噴水嘴,這樣可將飛濺的水珠帶到護欄板面上,節約用水,達到良好的清洗效果[3]。

圖1 護欄欄桿清洗原理

滾刷直徑、轉速、掃毛材料和清洗車行進速度為影響道路護欄清洗效果的四大因素。直徑越大,對夾刷洗可重疊范圍越大,越能增加清洗效果;轉速越大,刷頭擊打污漬的力量和劃離污漬的效果越好;道路護欄形體不規則時,需要掃毛材料具有足夠的柔韌度來包夾護欄輪廓;清洗車行進速度越快,清洗效果越差[4]。

依據采集所得數據可知,護欄柵格之間的最大距離是170 mm,最小距離是120 mm,護欄所用鋼管直徑為22 mm。為了使滾刷與護欄表面有效發生摩擦,利用相切的原理設計滾刷直徑(包括毛長),通過分析驗證,當滾刷直徑為260 mm時,清洗效果好,不留清洗死角[5]。

1.3 總體結構設計

新型自動護欄清洗機的結構如圖2所示,由左箱體和右箱體組成。左箱體和右箱體內裝有3組清潔刷,清潔刷裝在滾筒刷上,左箱體和右箱體內裝有多組灑水噴管,每組灑水噴管安裝在滾筒刷后方,多個滾筒刷通過裝在右箱體底部的電動機以及皮帶傳動機構實現同步轉動[6]。

圖2 新型自動護欄清洗機結構示意圖

左箱體頂部通過鉸鏈鉸接2個蓋板,實現了左箱體與右箱體的連接,兩個蓋板之間有一定的距離間隙,便于護欄上障礙物的通過。蓋板上有多個限位槽口(具體可以為5～8個),右箱體頂部對應有2組供限位槽口嵌置的限位凸塊,即蓋板的限位槽口嵌置在某個限位凸塊上可以實現兩者的連接和位移調節,以便不同厚度的護欄或者其他較厚物件的清洗,功能性和實用性強。

右箱體內安裝有清潔液存儲箱,頂部遠離限位凸塊處有與清潔液存儲箱內部相通的壺口和密封蓋,清潔液存儲箱與靠近右箱體入口處滾筒刷的灑水噴管通過水管連接相通,靠近右箱體出口處的滾筒刷后方未設置灑水噴管。右箱體內的底部裝有水泵,可以實現從清潔液存儲箱抽取清潔液。右箱體內裝有電氣設備控制柜,其頂部按鈕控制灑水噴管和滾筒刷啟動和停止。

皮帶傳動示意圖如圖3所示。圖2和圖3中,左箱體和右箱體底部裝有多個萬向輪,便于整體移動,且右箱體內還可裝驅動電池,可以實現本清潔機無繩操作。

圖3 皮帶傳動示意圖

1.4 自動清洗機具體工作過程

新型自動護欄清洗機工作時,采用新能源電池作為驅動源,通過萬向輪移動左箱體和右箱體到護欄處,調節左箱體與右箱體之間的距離,翻轉蓋板使得限位槽口嵌置在對應限位凸塊上,實現兩者的連接。接著通過外部設備,例如托運車等控制本清洗機的整體向前移動和水液的儲存,使得清洗機順利進入護欄,到達靠近入口的第一道滾筒刷處(入口滾筒刷)時,開通托運車上水液儲存箱按鈕,通過配套水泵使清潔水注入清洗機水管,水泵工作抽取清潔液,這時灑水噴管噴射出帶有清潔液的水液,由右箱體底部的電動機帶動皮帶進而皮帶帶動滾筒刷旋轉對護欄先進行初始滾筒刷工作-工序1初步清洗。隨著清洗機向前移動,中間的滾筒刷進入刷洗狀態,這時中間灑水噴管噴灑大量清水對護欄進行沖刷-工序2水液沖刷,清洗機繼續向前移動,最后一組滾筒刷(出口處的滾筒刷未設置灑水噴管)進入工作狀態,即可完成對護欄的拋光擦洗-工序3拋光擦洗。如果在清洗機移動清洗護欄時,某處護欄較臟,可以停止托運車的移動,讓電動機不斷正、反轉,反復清洗。這樣在護欄同一位置,隨著自動清洗機的向前移動,清洗機上的多組清潔刷先后完成了工序1初步清洗、工序2水液刷洗和工序3拋光擦洗等3道工序的清潔,保證了對護欄的清洗力度,清洗效果好。

2 各部分結構零件設計

2.1 滾筒刷刷體軸選材

清洗機的滾筒刷通過電動機與皮帶輪的驅動,實現正轉、反轉來確保對護欄的清洗力度,這要求滾筒刷安裝軸工作時高速旋轉且經常正反轉,對軸有抗疲勞性能、彈性、韌性和硬度要求。高碳鉻軸承鋼[7](Gcr15)具有良好的抗疲勞性能、合適的彈性和韌性以及較高的硬度,因此滾筒刷刷體軸選材Gcr15,ρ=7 810 g/m3。

2.2 電動機的選型

1)研究對象。

自動護欄清洗機應用對象為寬0.05～0.2 m、高0.5～0.8 m的護欄。滾筒刷刷體軸長度設計為1 m,滾筒刷刷體軸半徑設計為r=0.021 m,滾筒刷刷體半徑設計為r′=0.22 m,滾筒刷刷體轉速設計為n=560 r/min≈9.3 r/s,電動機帶動滾筒刷刷體由靜止到運動所需時間為t=3 s。

2)電動機的選擇。

由轉動慣量定理,可得扭轉力矩[8]M:

(1)

式中,J是轉動慣量;β是角加速度;m是滾筒刷刷體軸質量;r是滾筒刷刷體軸半徑;ρ是材料密度;L是長度;w是角速度;t是時間。

經過計算分析,得出電動機的功率P:

(2)

由式1～式2可知,電動機功率為0.3 kW,優選額定功率0.45 kW,實際轉速約為560 r/min的電動機。

2.3 配套水泵的選型

清洗機配套水泵的選型,清洗機上安裝4個灑水噴管,每個灑水噴管設計13個噴水口,設計初步清洗的2個灑水噴管每個噴頭的水流量為5 L/h,對護欄進行沖刷的2個灑水噴管每個噴頭的水流量為10 L/h,計算得出4個灑水噴管共需(2×13×5)+(2×13×10)=130+260=390 (L/h),390 L/h≈6.5 L/min。

假設給定壓強P壓強=5 MPa,得出水泵功率N功率:

(3)

根據式3計算后,優選額定功率為0.8 kW、流量為6.5 L/min、直流電壓為48 V的水泵。

2.4 皮帶選型

帶傳動具有良好的撓性,可以緩和沖擊,對于震動可以有效地進行吸收,工作過程中噪聲相對較低,選帶傳動為本產品的傳動機構[9]。

1)確定設計功率Pc:

(4)

式中,工況系數KA=1.2(查機械設計手冊)。

2)選擇皮帶類型。

根據帶傳動的設計功率Pc及小帶輪轉速n1的值,查機械設計手冊(普通V帶選型圖)選Z型帶。

3)確定帶輪的基準直徑。

由機械設計手冊[10](普通V帶的基準直徑dd)可知,普通V帶輪的基準直徑dd確定電動機帶輪的基準直徑d1。滾刷帶輪直徑d=id1,由設計傳動比i=1,可得出d=63 mm。

4)驗算帶速V。

以小帶輪基準直徑dd=63 mm,驗算帶速V:

(5)

帶速符合本機械傳動要求。

5)計算皮帶輪中心距離a0和帶長Ld。

大、小帶輪直徑均為63 mm,帶入式6:

0.7(d+d1)

(6)

可初步確定中心距a0的取值范圍為:

88.2

(7)

由于大、小帶輪直徑均為63 mm,由式8初步算出帶長Ld:

(8)

查機械設計手冊(V帶基準長度及修正系數),選取Ld=630 mm,代入式8:

Ld=2a0+197.82

(9)

得a0=216.09 mm,符合要求。

3 結語

本文設計的一種新型自動護欄清洗機,該清洗機集初步清洗、水液沖刷和拋光擦洗于一體,在清洗護欄時電動機可正、反轉,反復清洗,清洗力度高,且同時底部裝有萬向輪,移動起來方便快捷。與傳統的人工清洗相比,具有清洗效率高、勞動強度小、安全可靠的特點,期待在實踐中進行推廣應用,服務于城市道路環境建設。