一種矮層玻璃幕墻清洗裝置設(shè)計(jì)

鄒修敏，李 磊，郝紅梅，陳 麗

(四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646300)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，工作和生活環(huán)境越來(lái)越美好，新的建筑材料層出不窮，由于玻璃采光及保溫防潮性能較好，因此建筑用玻璃越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。以玻璃幕墻為主要裝飾材料的摩天大樓正在迅速崛起，雖然玻璃幕墻美化了環(huán)境，但是玻璃幕墻清洗的高成本及高風(fēng)險(xiǎn)性成為市政清潔的一大難題，傳統(tǒng)的清洗方式都是人工通過(guò)“搭塔架”、“吊籃”、“蜘蛛人”等人工清洗作業(yè)，工人不但要克服巨大的心理恐懼，而且成本高、效率低、存在安全隱患，且在對(duì)幕墻進(jìn)行清洗時(shí)對(duì)出入玻璃幕墻建筑物的人們帶來(lái)出行不便，基于此，研發(fā)一種適合當(dāng)今社會(huì)建筑發(fā)展、性能好、特點(diǎn)鮮明、作業(yè)安全可靠的幕墻清洗裝置非常必要。

目前玻璃幕墻清洗方面有很多方法，各有其特點(diǎn),目前清洗機(jī)器人主要有真空吸附式、負(fù)壓吸附式、仿生壁面式等幾種[1]。田靜眉[2]在真空吸附式壁面清洗機(jī)器人方面進(jìn)行了研究，提出了構(gòu)型的基本原則，探索了其設(shè)計(jì)原理，但由于真空吸附式幕墻清洗機(jī)器人需要很長(zhǎng)的真空發(fā)生器長(zhǎng)管，這增加了機(jī)器人附加負(fù)載，因此機(jī)器人爬行高度受到了限制，導(dǎo)致此類機(jī)器人不能清洗高層建筑玻璃。劉 凌[3]對(duì)玻璃幕墻清洗機(jī)器人攀爬的結(jié)構(gòu)原理、真空吸附墻面的具體性能要求、多吸盤(pán)真空吸附等方面進(jìn)行了研究，但仍然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)載不大，清洗受到限制等缺陷。邵浩[4]等人研究了負(fù)壓吸附式機(jī)器人結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)了負(fù)壓產(chǎn)生裝置、控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由此可以看出負(fù)壓吸附式對(duì)密封性有較高的要求，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，推廣應(yīng)用有一定難度。王妹婷[5]研制了履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，主要采用履帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬壁動(dòng)作。李芳麗等[6]研究了高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)，主要從主體設(shè)計(jì)、控制分析、仿真分析進(jìn)行了理論分析，但未制作出樣機(jī)，效果無(wú)法得到檢驗(yàn)，仿生壁面式對(duì)吸附材料要求高，成本和開(kāi)發(fā)難度大，這些都不太適合矮層玻璃幕墻的清洗，因此對(duì)于矮層玻璃幕墻清洗需要安全、清洗方便、成本低廉的清洗裝置。

此次提出的簡(jiǎn)易清洗裝置，其設(shè)計(jì)方案是通過(guò)自動(dòng)控制模式，設(shè)計(jì)清洗劑自動(dòng)噴灑裝置、清洗劑自動(dòng)收集清裝置、清洗頭自動(dòng)移動(dòng)裝置，目的是降低成本、減少環(huán)境污染，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 清洗流程介紹

所設(shè)計(jì)玻璃幕墻簡(jiǎn)易清洗裝置主要包括滾刷裝置、噴淋裝置、污水回收裝置以及潔面裝置等組成，為了高效清洗矮層玻璃幕墻，采用成本低廉、操作簡(jiǎn)單的玻璃清洗器，其清洗流程如圖1所示。通過(guò)泵將清洗液從貯槽輸送到噴淋裝置，利用泵送壓力噴灑在待清洗幕墻上，并利用滾刷裝置除去玻璃幕墻的污染物，達(dá)到清潔幕墻的目的；清洗幕墻的污液通過(guò)回收管收集到回收貯槽，再通過(guò)過(guò)濾凈化輸送到清洗液貯槽，達(dá)到循環(huán)使用，既節(jié)約成本，又減少環(huán)境污染。

圖1 玻璃幕墻清洗流程

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

低層玻璃幕墻清洗機(jī)構(gòu)主要由立柱、上下移動(dòng)系統(tǒng)、左右移動(dòng)系統(tǒng)、清洗液輸送系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、污液回收系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 清洗機(jī)構(gòu)整體方案示意圖1.定滑輪 2.滾刷裝置 3.牽引鋼絲繩 4.清洗液回收管 5.卷?yè)P(yáng)機(jī) 6.電機(jī)Ⅰ 7.回收液貯槽 8.移動(dòng)小車 9.清洗液貯槽 10.電機(jī)Ⅱ 11.泵 12.清洗液輸送管 13.清洗裝置 14.立柱

2.1 清洗裝置移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使清洗系統(tǒng)移動(dòng)而達(dá)到清洗整個(gè)玻璃幕墻的目的，清洗系統(tǒng)的上下移動(dòng)是通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)5帶動(dòng)鋼絲繩3運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩3固定在清洗系統(tǒng)上，通過(guò)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滾刷系統(tǒng)和清洗裝置上下移動(dòng)，如圖2所示。當(dāng)清洗系統(tǒng)需要向上運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)開(kāi)啟卷?yè)P(yáng)機(jī)，當(dāng)需要向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用清洗裝置等的自重自行下降，下降速度任由卷?yè)P(yáng)機(jī)控制。

當(dāng)需要清洗裝置水平移動(dòng)時(shí)，可以移動(dòng)移動(dòng)小車8達(dá)到，由于整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，因而水平移動(dòng)小車可以設(shè)計(jì)成人工推動(dòng)方式完成清洗系統(tǒng)的左右移動(dòng)。

2.2 清洗輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，清洗輸送系統(tǒng)由電機(jī)10、泵11和輸送管12組成。工作時(shí)通過(guò)電機(jī)10帶動(dòng)泵11運(yùn)動(dòng)，將清洗液通過(guò)管12輸送進(jìn)清洗系統(tǒng)13，達(dá)到清洗目的。電機(jī)10、泵12和輸送管13均選用標(biāo)準(zhǔn)件，無(wú)需自行設(shè)計(jì)。

2.3 滾刷裝置的設(shè)計(jì)方案

如圖3所示，滾刷裝置是由兩個(gè)平行的滾刷筒(7和9)、電機(jī)2、齒輪減速器(1和5)等組成。滾刷筒7、9的圓柱表面開(kāi)有很多小孔，清洗液通過(guò)泵送入進(jìn)滾筒內(nèi)，然后利用表面小孔噴灑在玻璃幕墻上；滾刷筒表面套一層孔隙率較高的絨布，通過(guò)電機(jī)2、減速裝置帶動(dòng)滾刷筒旋轉(zhuǎn)，滾筒表面高孔隙率絨布與幕墻接觸，在泵入壓力和旋轉(zhuǎn)滾刷筒離心力的共同作用下將清洗液甩灑在玻璃幕墻上，并利用滾筒外表明的絨布與幕墻摩擦接觸，從而達(dá)到清洗的目的。

圖3 滾刷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖1.齒輪Ⅰ 2.電機(jī)Ⅲ 3.蝸桿渦輪 4.齒輪 5.齒輪 6.絨布 7.滾筒Ⅰ 8.絨布 9.滾筒Ⅱ

清洗幕墻時(shí)為了不損壞玻璃，滾刷筒表面敷上一層孔隙率較高的絨布或者高分子材料，如圖4所示；清洗時(shí)間較久后，滾筒表面的絨布或者高孔隙率的高分子套筒可能損壞，可通過(guò)更換的方式解決，這樣既降低了成本，又不至于損壞玻璃幕墻的玻璃。

圖4 滾刷筒設(shè)計(jì)示意圖

2.4 污液回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了減少清洗液污液對(duì)環(huán)境的污染，需要對(duì)污液進(jìn)行回收處理，達(dá)到循環(huán)利用利用的目的。如圖5所示，幕墻清洗后的清洗液是通過(guò)滾筒1、2將拋灑在玻璃幕墻5上，利用滾筒表明絨布與幕墻接觸達(dá)到清洗目的，清洗液被收集在收集箱3內(nèi)，在液體重力作用下通過(guò)出口4以及與4連接的回收管流入回收液貯槽內(nèi)，回收的清洗液通過(guò)過(guò)濾后輸入清洗液貯槽內(nèi)，達(dá)到循環(huán)使用，清洗系統(tǒng)是整個(gè)幕墻清洗器的關(guān)鍵裝置，它主要由滾刷筒裝置、滾刷筒動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、清洗液回收裝置組成。

圖5 清洗液回收系統(tǒng)

3 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

3.1 立柱質(zhì)量計(jì)算

兩根立柱選用材料為Q235、規(guī)格為φ40×3的鋼管，其許用應(yīng)力為[σ]=113 MPa，主要用于支撐和承受清洗裝置，本機(jī)構(gòu)主要用于4層及以下樓層的清洗，取4層樓高為20 m，所以每根立柱質(zhì)量為：

G=h×A×ρ

(0.040-0.034)×7.85

=0.0547(t)=54.7 kg

因此在搭建時(shí)靠人工方式完全能夠完成，為了便于攜帶和運(yùn)輸，可以作成可拆卸式的兩段或者三段，在清洗現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，其結(jié)果如圖6所示。鋼管1、3與連接頭2采用間隙配合，以便于隨時(shí)拆卸和安裝，當(dāng)清洗完畢后進(jìn)行拆卸以便于運(yùn)輸；如此的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆、運(yùn)輸方便，重量輕，具有很大的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 可拆卸接頭結(jié)構(gòu)1.鋼管 2.連接頭 3.鋼管

3.2 立柱強(qiáng)度計(jì)算

立柱主要承受定滑輪、鋼絲繩、清洗裝置、清洗液、清洗管等的重量，其所承受的總質(zhì)量為：

G=G定滑輪+G鋼絲繩+G滾刷裝置+G清洗裝置+G清洗液+

G清洗管+G其它

(1)

式中：G定滑輪預(yù)估為2 kg；G鋼絲繩=長(zhǎng)度×單位長(zhǎng)度質(zhì)量20×2=40 kg；G滾刷裝置預(yù)估為10 kg；G清洗裝置預(yù)估為10 kg；G清洗液=V×ρ=πr2Lρ=3.14×0.012×20×1000=6.28 kg；G清洗管預(yù)估5 kg；G其它預(yù)估為2 kg。

將以上重量帶入式(1)，計(jì)算總質(zhì)量為：

G=2+40+10+10+6.28+5+2=75.28 kg

以上質(zhì)量將全部由2根φ40×3立柱承受，每根立柱承受約為38 kg，這些載荷使立柱受壓和彎曲作用，因此立柱受到壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，為了方便計(jì)算，假設(shè)偏心載荷引起應(yīng)力為質(zhì)量載荷引起應(yīng)力的50%，立柱內(nèi)側(cè)受到壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力綜合作用，因此內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力為：

=160.4 N/cm2=1.6 MPa<[σ]

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，強(qiáng)度完全滿足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

矮層玻璃幕墻清洗需要攜帶方便、便于裝拆、成本低廉的清洗裝置，此次通過(guò)調(diào)研和查閱資料，設(shè)計(jì)了清洗裝置總體結(jié)構(gòu)、立柱結(jié)構(gòu)、移動(dòng)裝置、輸送系統(tǒng)、滾刷系統(tǒng)、清洗液回收系統(tǒng)等，該裝置可用于低于4層樓、最高可達(dá)20 m左右高度的玻璃幕墻的清洗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方面、便于攜帶，制造成本和使用成本低廉，具有較好的市場(chǎng)前景。