高層玻璃幕墻自動(dòng)清洗裝置設(shè)計(jì)

付家林 王文東 陳海濤 賈華坡

（鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州450064）

隨著建造技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，越來(lái)越多的城市地標(biāo)建筑都在采用特殊的外部構(gòu)型以給人們留下深刻的印象，但特殊的外部構(gòu)型給自動(dòng)清洗設(shè)備提出更高、更嚴(yán)格的要求[1]。目前大部分高樓玻璃幕墻的清潔由人工完成，這種方式不僅效率低，而且工人也會(huì)非常的危險(xiǎn)[2]。大量學(xué)者針對(duì)高層玻璃幕墻清洗設(shè)備進(jìn)行了開發(fā)，提出了繩牽引式清洗裝置、清洗機(jī)器人和CLBL 型壁面清洗爬壁機(jī)器人等[3-6]，雖然能夠滿足相應(yīng)的清洗要求，但使用成本高昂、清洗效率低下、功能單一、不能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的清洗任務(wù)。

針對(duì)目前存在的問題，本文提出應(yīng)用SolidWorks 三維軟件設(shè)計(jì)出一套玻璃幕墻自動(dòng)清洗裝置，該裝置分為兩部分：一是垂吊在大樓玻璃幕墻外部的清洗裝置，為該裝置主體部分；二是位于建筑物頂端的輔助設(shè)施，包括供電電源、供水水泵、以及操控臺(tái)。通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)收放繩索實(shí)現(xiàn)主體清洗裝置在清洗表面的上下移動(dòng)，裝置四角安裝的緩沖輔助越障導(dǎo)向輪既能引導(dǎo)主體清洗裝置的上下運(yùn)動(dòng)也能起緩沖作用，可防止主體清洗機(jī)與清洗表面發(fā)生磕碰又能輔助主體清洗機(jī)越過(guò)障礙。該設(shè)備能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的清洗要求，將工人從高危的工作環(huán)境中解放出來(lái)，改變當(dāng)前城市玻璃幕墻清洗自動(dòng)化水平落后的局面，解決人工清洗危險(xiǎn)性大、效率低和成本高等問題。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)

本清洗裝置由主體清洗裝置、輔助設(shè)施、PLC 控制系統(tǒng)組成，清洗裝置整體示意如圖1 所示。其中，主體清洗裝置設(shè)計(jì)有垂直于清洗面的可伸縮、易更換的旋轉(zhuǎn)刷盤、涵道風(fēng)扇、緩沖輔助越障導(dǎo)向輪如圖2 所示。輔助設(shè)施包括供電電源、供水水泵、以及操控臺(tái)等如圖3 所示。

圖1 清洗裝置整體示意圖

圖2 主體清洗裝置

圖3 輔助設(shè)施

清洗裝置具有四大功能：清洗功能、移動(dòng)功能、風(fēng)干功能、越障功能。清洗功能通過(guò)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可伸縮、易更換的旋轉(zhuǎn)刷盤垂直于清洗表面旋轉(zhuǎn)清洗；移動(dòng)功能通過(guò)輔助設(shè)施的卷?yè)P(yáng)機(jī)收放繩索實(shí)現(xiàn)主體清洗裝置的上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)輔助設(shè)施的平行移動(dòng)帶動(dòng)主體清洗裝置的橫向移動(dòng)；通過(guò)涵道風(fēng)扇的高速氣流對(duì)清洗表面快速風(fēng)干，防止由于水分導(dǎo)致的灰塵沾染；借助涵道風(fēng)扇垂直于清洗表面的反作用力和緩沖輔助越障導(dǎo)向輪的配合越障方案實(shí)現(xiàn)主體清洗裝置的輕松越障。

2 清洗裝置主要部件設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)刷盤設(shè)計(jì)

采用獨(dú)特的垂直于清洗表面的可伸縮式旋轉(zhuǎn)刷盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗，不僅能夠清洗玻璃，還能夠?qū)Υ纱u外墻、普通外墻、有凹凸造型的復(fù)雜外墻進(jìn)行清洗。刷盤主要有波紋管、連接管和上下軸承底座等組成（如圖4），具有可伸縮性以適應(yīng)復(fù)雜工況的作業(yè)要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，且該刷盤與目前市面上洗地機(jī)清洗刷盤具有一定通用性。此設(shè)計(jì)至少有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠與平整表面以及凹凸不平的表面良好接觸進(jìn)而進(jìn)行清洗工作；（2）此種設(shè)計(jì)也使得刷盤易于更換，在清洗粗糙度不同的外墻時(shí)可更換不同種類的刷盤。

圖4 旋轉(zhuǎn)刷盤

2.2 涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)

涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)有低風(fēng)阻電機(jī)基座連接支架、高效率三葉碳纖維螺旋槳、大功率無(wú)刷電機(jī)和低風(fēng)阻安全罩網(wǎng)，如圖5 所示。通過(guò)控制涵道風(fēng)扇槳葉的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)與逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制主體清洗裝置垂直于清洗面方向上的移動(dòng)，在主體清洗裝置處于相對(duì)于外墻內(nèi)凹的窗戶下沿時(shí)可以通過(guò)涵道風(fēng)扇給主體清洗裝置一個(gè)沿垂直于清洗面向外的力，將主體清洗裝置拉出相對(duì)于外墻內(nèi)凹的窗戶下沿方便主體清洗裝置繼續(xù)向下運(yùn)行，使得清洗工作連續(xù)高效進(jìn)行。

圖5 涵道風(fēng)扇

2.3 緩沖輔助越障導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)

緩沖輔助越障導(dǎo)向輪（如圖6）由導(dǎo)向輪、支撐部分和上、下限位桿組成，在起到移動(dòng)、導(dǎo)向作用外，還具有越障作用。主體清洗裝置是由上垂直向下施放，由于重力作用當(dāng)輪子遇到凹陷處時(shí)會(huì)碰到上限位桿，而當(dāng)輪子接觸到凹陷的邊緣時(shí)會(huì)由于阻力作用向下限位桿運(yùn)動(dòng)，最終在下限位桿的阻擋下使輪子與障礙有一個(gè)最優(yōu)的越過(guò)角，進(jìn)而幫助主體清洗裝置越過(guò)障礙。

圖6 緩沖輔助越障導(dǎo)向輪

3 結(jié)論

基于SolidWorks 三維軟件設(shè)計(jì)的高層玻璃幕墻自動(dòng)清洗裝置具有可靠性高、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需在大樓施工時(shí)預(yù)先安裝軌道；其具有的越障、風(fēng)干作用對(duì)于不同工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不需在特定材料表面工作；整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于安裝、運(yùn)輸、維護(hù)更換。因此，本設(shè)計(jì)的高層玻璃幕墻自動(dòng)清洗裝置具有廣闊應(yīng)用前景。