高速公路波形護(hù)欄清洗裝置設(shè)計(jì)

胡 泰 鄭夫水 劉 航 周旭陽 何永明*

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和機(jī)動(dòng)車總量的增加，我國公路運(yùn)輸業(yè)發(fā)展迅猛。截至2019 年底，我國高速公路總里程達(dá)14.26 萬公里，高速公路的護(hù)欄總長度超過57 萬公里，居世界第一位。為了能夠更好地引導(dǎo)駕駛員的視線，充分保障道路交通安全，我們需要定期對(duì)防護(hù)欄上的污垢進(jìn)行清洗。目前，我國多采用“滾筒式”清洗車來進(jìn)行高速公路護(hù)欄的清洗和養(yǎng)護(hù)，但是大部分高速公路護(hù)欄清洗車的清洗成本高，清洗效率低，清洗時(shí)浪費(fèi)水資源現(xiàn)象較為嚴(yán)重。除此之外，由于目前的高速公路護(hù)欄清洗車的刷頭多為滾筒型，對(duì)于波型護(hù)欄難以做到清洗全面，時(shí)間一久，那些未被清洗的地方就會(huì)受到雨水的腐蝕而造成損壞。為了解決這些問題，論文研究了與波型護(hù)欄相適應(yīng)的M型清洗刷頭。該刷頭與目前的滾筒式刷頭相比清洗死角少、作業(yè)效率高、對(duì)水資源的利用效率高，主要用于全國各等級(jí)高速公路護(hù)欄的清洗和養(yǎng)護(hù)工作。研究與波型護(hù)欄相適應(yīng)的新型高速公路護(hù)欄清洗設(shè)備對(duì)我國高速公路設(shè)施的養(yǎng)護(hù)和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展都具有重要作用。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

M型高速公路護(hù)欄清洗裝置由M型刷頭清洗子系統(tǒng)、輪式刷頭清洗子系統(tǒng)和干燥子系統(tǒng)組成。M型刷頭清洗系統(tǒng)由網(wǎng)格狀噴水口、截流調(diào)節(jié)閥、小型水泵、電機(jī)和刷毛組成。根據(jù)護(hù)欄需清洗的程度等實(shí)際情況可以調(diào)節(jié)水流的大小和壓強(qiáng)。M型刷頭清洗系統(tǒng)由機(jī)械臂直接控制。輪式刷頭清洗系統(tǒng)由四個(gè)旋轉(zhuǎn)的輪式刷頭和電機(jī)組成。根據(jù)實(shí)際情況通過電機(jī)調(diào)節(jié)輪式刷頭的旋轉(zhuǎn)速度和工作強(qiáng)度。干燥系統(tǒng)由支架和海綿組成。整個(gè)清洗裝置通過側(cè)立方式安裝，使刷頭與高速公路護(hù)欄表面緊密貼合。輪子安裝在整套裝置上，幫助清洗裝置沿護(hù)欄前進(jìn)，減少機(jī)械臂的作業(yè)壓力。

M 型高速公路護(hù)欄清洗裝置的控制通過水車和機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)工作時(shí)，通過水車上的操控設(shè)備控制機(jī)械臂的移動(dòng)和清洗設(shè)備電機(jī)的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開啟、關(guān)閉設(shè)備，增大、減小噴水強(qiáng)度等操作。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備

考慮到實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)設(shè)備均采用價(jià)格低廉，性價(jià)比高的國產(chǎn)設(shè)備。方案按照M型高速公路護(hù)欄清洗設(shè)備設(shè)計(jì)理論的實(shí)際出發(fā)，綜合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性需要，最大限度提高清潔能力。系統(tǒng)方案選擇如下：1.2.1 水泵選擇WKY1000 小型水泵。此型號(hào)水泵體積較小，可長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，能完成設(shè)計(jì)功能又經(jīng)濟(jì)實(shí)用。1.2.2 噴頭選擇SK508 噴水嘴。該噴水嘴具有可靠性高、噴水均勻、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。1.2.3 電動(dòng)機(jī)選擇型號(hào)為MY1120ZXF 的600W 尤奈特永磁直流有刷電機(jī)。該電機(jī)重量輕、體積小、發(fā)熱少，動(dòng)力較強(qiáng)。1.2.4 輪刷采用直徑100mm 規(guī)格的凱馳掃刷。該刷頭清洗效果好、磨損率低，耐用性強(qiáng)。

2 M 型刷頭清洗子系統(tǒng)

2.1 M型刷頭結(jié)構(gòu)

為了更好的適應(yīng)波型護(hù)欄，我們?cè)O(shè)計(jì)出與之能夠貼合的M型刷頭位于整個(gè)機(jī)箱的前半部分，其刷面上有若干個(gè)呈網(wǎng)格狀分布的噴水孔。噴水孔和噴水裝置相通，噴水裝置通過水接口，用軟管連接在清洗車配備的儲(chǔ)水箱上。在機(jī)箱裝置的后表面上安裝一個(gè)外接抽水機(jī)，當(dāng)抽水機(jī)接通電源后，將水噴灑在護(hù)欄表面。M型刷頭能夠與高速公路波形護(hù)欄緊密貼合，使得清洗不留死角，清洗效果好。

2.2 工作原理

清洗車工作人員通過控制機(jī)械臂，將清洗裝置與高速公路護(hù)欄表面緊密貼合，然后按下電源開關(guān)，通過水泵將水從車上的儲(chǔ)水箱經(jīng)過噴水裝置噴灑在護(hù)欄表面，在車前進(jìn)過程中牽引著M型刷頭進(jìn)行刷洗。根據(jù)護(hù)欄表面灰塵積累的實(shí)際情況，可以控制水流的壓強(qiáng)和大小。在灰塵積累較厚處，可以適當(dāng)增大噴水強(qiáng)度；反之，則減小。刷頭和護(hù)欄相貼合從而形成良好接觸，刷頭面上分布著“網(wǎng)格狀”噴水孔，這樣不僅將水充分利用，同時(shí)也能對(duì)護(hù)欄表面進(jìn)行全方位清洗。

3 輪式刷頭清洗子系統(tǒng)

輪式刷頭結(jié)構(gòu)：

位于機(jī)箱中部的輪式刷頭清洗系統(tǒng)主要由四個(gè)輪刷和四個(gè)電機(jī)組成。分別將每兩個(gè)輪刷固定在機(jī)箱上，使它們呈現(xiàn)出一定的角度，這樣就構(gòu)成了一個(gè)和W 型護(hù)欄相適應(yīng)的路輪式刷頭結(jié)構(gòu)。輪式刷頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 輪式刷頭結(jié)構(gòu)圖

輪式刷頭工作在M型刷頭之后。在前面M型刷頭噴灑水及清洗之后，輪式刷頭在電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擦洗。

4 干燥子系統(tǒng)

吸水層材料:

干燥系統(tǒng)主要由聚氨酯海綿構(gòu)成。海綿的寬度大于護(hù)欄的寬度，同時(shí)還要滿足可以達(dá)到壓縮海綿形狀與護(hù)欄吻合的厚度要求。海綿的主要作用是將清洗干凈的護(hù)欄上殘留的水分除去。聚氨酯海綿層吸水性好、透水度高，具有優(yōu)秀的吸附性和去漬能力。同時(shí)表面有細(xì)膩柔軟的泡孔，在浸水后能迅速增大孔隙，借助海綿特有的吸附性，增強(qiáng)吸水效果。高速公路護(hù)欄上殘余的水分將被干燥系統(tǒng)吸除，從而延長護(hù)欄使用壽命，增強(qiáng)清洗效果。

5 系統(tǒng)工作過程

5.1 裝置組成

高速公路波形護(hù)欄清洗裝置主要由M型刷頭，輪式刷頭和擦拭抹布以及機(jī)箱四部分組成。清洗裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 清洗裝置側(cè)視圖

5.2 裝置工作過程

當(dāng)進(jìn)行工作時(shí)，清洗車司機(jī)通過控制機(jī)械臂使清洗裝置與護(hù)欄貼合，然后按下電源開關(guān)，水在水泵的作用下從車上的儲(chǔ)水箱經(jīng)過噴水裝置噴灑在護(hù)欄的表面，在起到濕潤欄面的同時(shí)，M型刷頭在車的牽引作用下進(jìn)行第一道刷洗；與此同時(shí)，M型刷頭后邊的輪式刷頭在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的作用下，在欄面上進(jìn)行第二道刷洗；擦拭抹布由于海綿的形變始終和欄面緊密接觸，從而對(duì)欄面進(jìn)行第三道處理——干燥。M型刷頭的平移擦洗，輪式刷頭的旋轉(zhuǎn)擦洗以及海綿抹布的干燥處理同時(shí)進(jìn)行，增強(qiáng)了清洗效果。

6 參數(shù)分析

6.1 水路系統(tǒng)流量的計(jì)算

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出，高速公路護(hù)欄清洗車的用水量與護(hù)欄寬度、護(hù)欄表面單位長度的受水量、噴嘴數(shù)量、清洗設(shè)備前進(jìn)速度有關(guān)。根據(jù)護(hù)欄清洗車的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，得出下面的基本計(jì)算公式：

式中：Q- 水路系統(tǒng)的流量；q- 護(hù)欄板的單位長度受水量；v- 清洗車前進(jìn)速度；n- 噴水嘴數(shù)目；σ- 射水重復(fù)系數(shù)。我國高速公路目前采用的是寬度為300mm 的波形防撞護(hù)欄板。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，其有效清洗寬度為400mm。護(hù)欄板的單位長度受水量為0.03L/m，噴水嘴個(gè)數(shù)為6。系統(tǒng)容積效率為0.8，射水重復(fù)系數(shù)為0.15。在實(shí)際情況的高速公路護(hù)欄清洗過程中，清洗車前進(jìn)的常用速度為5km/h～15km/h，初取5km/h。把上述參數(shù)值帶入公式（1）中，得到清洗車單位額定需水量為1294L/h。

6.2 水泵的選取

護(hù)欄清洗設(shè)備中的高壓水流可以起到濕潤護(hù)欄和沖擊污垢的作用。水流過小時(shí)起不到清洗效果，而過大又會(huì)浪費(fèi)水資源。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，我國高速公路護(hù)欄清洗時(shí)的水流壓強(qiáng)為8～10MPa。為了得到更好的清洗效果，這里選取水壓為10MPa。噴嘴與護(hù)欄表面之間的距離取300mm 以內(nèi)。得到水泵壓力為

式中Q- 水泵的流量；PB- 水泵壓力，Pa；η- 水泵效率，為0.95；代入數(shù)據(jù)可得P=4.79kw。由以上數(shù)據(jù)可得水泵功率最小為4.79kw。這里選取功率為5kw的水泵。

6.3 水路管道設(shè)計(jì)

噴頭水路管道的直徑會(huì)影響清洗裝置工作時(shí)噴水口的水流壓力，從而對(duì)清洗效果有著一定程度上的影響。由水路管道流量大小的計(jì)算公式可得:

式中Q- 水路系統(tǒng)的流量；V- 水的常用流速（取3m/s）；d-支路管道直徑。代入?yún)?shù)到公式（4）中，得d=15cm，由以上數(shù)據(jù)可知水路管道直徑應(yīng)為15cm。

結(jié)束語

本文主要設(shè)計(jì)了新型高速公路波形護(hù)欄清洗裝置，通過水路流量計(jì)算等進(jìn)行了水路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉，還可以充分利用水資源，節(jié)約資源。兩道刷洗，最后干燥，三位一體，清潔高效，是高速公路波型護(hù)欄清洗的一種較為理想的裝置，可推廣使用。