新能源節(jié)能照明燈機具研制

朱偉濤，馮凱文

（北京首發(fā)公路養(yǎng)護工程有限公司，北京 102600）

引言

以高速公路夜間施工照明設備為研究對象，以公路工程理論知識和實際施工經(jīng)驗為依托，通過查閱和比較國內(nèi)外關于公路建設項目設備應用情況，發(fā)現(xiàn)國外用于道路施工的夜間照明設備除使用移動式發(fā)電照明設備，還配備“可穿戴”的照明設備，但其輔助性功能成效并不凸顯。

市場中最常用的是貝利牌PB2000 球形工程車（又稱球型照明燈），根據(jù)多年使用經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)該機具存在三方面弊端：（1）購置和使用成本高，其中平均每臺機具年油耗、維修和保養(yǎng)等費用高達16 000 元。（2）機具采用汽油發(fā)電機提供220 V 電壓，存在較大機電安全隱患。（3）機具運轉產(chǎn)生大量尾氣和噪音，嚴重影響施工現(xiàn)場和周邊區(qū)域的環(huán)保健康。

1 設計方案

1.1 總體構造

新能源節(jié)能照明燈由行走裝置、工作裝置、控制裝置和動力裝置四部分組成。行走裝置是移動式四輪推車，前排是萬向輪組，后排是定向輪組；工作裝置分為升降系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，其中升降系統(tǒng)選裝1.5～3 m 的氣動升降桿搭配12 V 電動氣泵，照明系統(tǒng)由自主設計的燈架（前后各兩組）和總功率是400 W的LED 燈管等部件裝配而成；控制裝置是由兩塊（195 AH、12 V）蓄電池作為動力源，蓄電池采用太陽能和市電雙路充電，太陽能充電為主，市電為輔。

1.2 工作原理

（1）蓄電池充電階段。利用太陽光照射在太陽能電池板上，發(fā)生光電反應，將光能轉化為電能，電能經(jīng)太陽能板端子輸出直流電流，電流存儲至兩塊蓄電池中。（2）升降桿起升階段。人工鎖止行走裝置后，首先旋轉電源總開關，其次正向撥動氣泵開關，氣泵與蓄電池之間形成通路，電動氣泵開始運轉并壓縮空氣，產(chǎn)生的氣壓推動氣動桿進行上升運動。當上升到合適高度時，松開氣泵開關，升降桿將在此高度保持靜止狀態(tài)。（3）夜間照明階段。分別開啟兩側燈具開關，保持燈光光線與車道平行，減少對雙向來往車輛的干擾，根據(jù)作業(yè)工序進度調(diào)整機具位置。（4）回收機具階段。解鎖行走裝置，完成機具回收。升降桿降落階段。在完成作業(yè)后，將機具裝車前，首先負向撥動氣泵開關，使得工作裝置徹底歸位，然后松動開關，最后關閉總電源開關。

圖1 機具運轉流程

1.3 繪制新能源節(jié)能照明燈

根據(jù)機具的總體構造、工作原理、外觀設計（外觀顏色為橘黃色；外觀結構緊湊；表面粗糙度低；移動車體省力）、人機工效設計（設備規(guī)格符合中國普遍成年男性物理特性）和道路施工要求，繪制設備的外觀見圖2～圖5，有助于產(chǎn)品后期研制。

圖2 機具

圖3 機具充電狀態(tài)

圖4 機具充電狀態(tài)

圖5 機具完成充電狀態(tài)

2 選材分析

機具重要部件和組成材料選用綜合分析見表1。

表1 機具重要部件和組成材料選用綜合分析

3 產(chǎn)品研發(fā)制造

3.1 行走裝置

由自制手推式移動車，車體本著“輕便型、緊湊型和最小化”的設計目標，全車使用3×3 方鋼，各連接處采用焊接工藝，后排使用剎車萬向輪，前排使用導向輪，使用螺栓與底盤固連，使用兩塊12 V 電瓶配重，保障車體平穩(wěn)移動。

3.2 工作裝置

由燈罩、燈具、升降桿、控制開關和供電系統(tǒng)組成。燈罩是自主研制的屋脊頂防水罩，采用鋁制板制作，減少折程，防止水腐蝕燈具和局部線路；燈具安裝在燈架上，可圍繞升降桿軸心全周旋轉；升降桿重心與機具重心高度重合，通過氣泵傳動，徑向實現(xiàn)升降；供電系統(tǒng)中，蓄電池置于自制沖壓式鋁罩，單塊太陽能板收攏時與機具三點固連，舒展時與機具兩點固連。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是聯(lián)動整機運轉的關鍵點，采用獨立控制開關（安裝在控制箱上），分為總電源開關、照明開關、升降開關和氣泵開關。

圖6 燈機具實物

3.4 動力裝置

動力裝置是兩塊安全可靠蓄電池作為動力，置于行走推車底盤上，采用太陽能和市電雙路充電。

4 模擬調(diào)試

通過模擬調(diào)試一方面為檢驗機具是否存在故障或是缺陷，另一方面通過比對和改進試驗，逐步提高本產(chǎn)品的實操功效。本機具主要對升降桿、燈具、蓄電池和行走車四部分進行遞進式模擬調(diào)試。

（1）升降桿。第一代升降桿使用機械式手搖傳動，存在升降效率低、操作復雜和設備笨拙等缺點。采用氣動升降桿，使得機具操作安全、運轉高效，可在1～3 s 內(nèi)平穩(wěn)完成升降操作。（2）燈具。逐級選用100 W、150 W 燈具并不能滿足夜間道路照明要求，存在光通量低、光強低和夜間照明效果低，最終采用兩副雙排雙向200 W 的燈具，實現(xiàn)了高亮度、單車道寬幅和雙層疊加照明的效果。（3）蓄電池。因單組12 V 蓄電池不能滿足單臺班工作時長，故而并聯(lián)兩塊蓄電池，其平均使用壽命4～5 a，充放電次數(shù)800～1 000 次，機具滿負荷照明持續(xù)時間30 h，自帶太陽能板充滿2 塊蓄電池需15 h。（4）行走車。為提高機具在瀝青路面上速率，使用兩副橡膠輪代替將第一代充氣輪胎。模擬試驗證明，研制出的新能源照明節(jié)能燈機具滿足了夜間施工規(guī)范要求，實現(xiàn)了預期的目標，未出現(xiàn)設備故障或者缺陷。

5 應用及效果

試驗地點取京哈高速進京方向K24 三車道，試驗時間為23∶00，試驗項目是在路面病害處理施工現(xiàn)場進行移動式照明試驗。機具使用狀況良好，已完成充電。路面病害處理專項工程的主要施工工藝流程［3］見圖7。

圖7 施工工藝流程

完成占路交通導改作業(yè)后，車輛、設備陸續(xù)進入工作區(qū)，在卸下新能源照明燈機具后進行調(diào)試機具，并分別放置在上游過渡區(qū)、終止區(qū)和工作區(qū)中各一臺。

（1）試驗一。在路面清掃作業(yè)中，移動機具至銑刨路面中位，實測夜間作業(yè)區(qū)內(nèi)機具應用效果。機具小型輕便，操作靈敏，移動便捷，經(jīng)現(xiàn)場檢測，最高升限3 m 高，在6 級風力下機具整體保持穩(wěn)定；有效照明長度80 m，寬度6 m，滿足施工區(qū)作業(yè)要求；電源常閉計時下，設備滿負荷照明持續(xù)時間為30 h。（2）試驗二。實測夜間行車過程中，機具對作業(yè)區(qū)外部環(huán)境的影響。作業(yè)區(qū)外部其他車道上的車輛在迎燈方向上或是在背燈方向上行駛時，接收到機具的光通量值平均低于30 LM，對駕駛員的安全行使無影響。

該機具樣燈已研制完成，經(jīng)過多次充、放電和現(xiàn)場照明測試，使用試驗分析方法，確定出新能源節(jié)能照明燈機具的主要參數(shù)指標，并與同功能PB2000B 球型照明燈進行比較，得出自主設計的機具符合照明安全技術規(guī)范和現(xiàn)場施工需求。試驗結果見表2。

表2 試驗參數(shù)和指標綜合對比

6 社會經(jīng)濟效益分析

6.1 經(jīng)濟效益

目前在用照明燈采用汽油發(fā)電機供電，日運轉時長約6 h，油耗約為12 L，日油費約80 元，年工作天數(shù)150 d，年油費約12 000 元，另外機械損耗和維修費用約4 000 元，年使用成本總計16 000 元；改用新能源節(jié)能照明燈，主要零部件使用壽命均在5 a以上，每臺1 a 可節(jié)約資金約16 000 元。球形照明燈原值每臺21 000 元，新能源節(jié)能照明燈單臺制造成本約7 000 元，購置成本每臺可節(jié)約14 000 元。

6.2 全壽命比較

球形照明燈原值21 000 元，使用壽命8 a，年平均折舊2 600 元；新能源節(jié)能燈制造成本7 000 元，使用壽命5 a，年折舊成本1 400 元。使用新能源節(jié)能燈年節(jié)約購置成本1 200 元。綜上，我單位所需照明工程燈60 臺應用新能源節(jié)能照明燈，較球形照明燈燈每臺每年可節(jié)約總成本17 200 元，60 臺每年可節(jié)約成本103.2 萬元。

6.3 安全保障

蓄電池供電的輸出電壓為12 V,可確保用電安全。LED 照明燈光線柔和，其他非作業(yè)車道的光干擾微乎其微，對來車方向通行車輛無影響，滿足施工區(qū)照明安全技術要求。

6.4 社會效益

可達到“零排放、無噪聲”，完全符合施工安全環(huán)保要求?？蓮V泛應用于夜間道路施工、養(yǎng)護作業(yè)、橋隧施工和應急搶險等多個方面，推廣應用前景廣闊。

7 結語

此機具從根本上解決了夜間道路施工現(xiàn)場照明設備的問題，實現(xiàn)了安全、環(huán)保、可靠、節(jié)能和低成本的目標，同時移動靈敏便捷、設備耐用。設備的機具實現(xiàn)了主要功用，但是生產(chǎn)加工制造工藝水平有有待提高和完善，同時設備的智能化水平設計還有很大提升空間。