一種廣告清洗機(jī)模擬裝置模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

鄭 特，諶炎輝，蔣國平

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.重型車輛零部件先進(jìn)設(shè)計(jì)制造教育部工程研究中心（廣西科技大學(xué)），廣西 柳州 545006）

1 引言

清洗機(jī)的設(shè)計(jì)水平在很大程度上反映了清洗技術(shù)的發(fā)展水平。學(xué)者們對清洗技術(shù)進(jìn)行了大量深入地研究，各類型清洗機(jī)也相繼被研制出來。文獻(xiàn)[1]研制了一款電動(dòng)高壓清洗機(jī)（2000PSI），并驗(yàn)證了該機(jī)的結(jié)構(gòu)合理性和可行性；文獻(xiàn)[2]學(xué)者研制了一款小型家用高壓清洗機(jī)，該機(jī)經(jīng)過壓力測試、流量測試、清洗實(shí)驗(yàn)，證明了該設(shè)計(jì)的合理性；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一款高壓水射流清洗機(jī)，該機(jī)是依據(jù)液壓原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，作者從清洗泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要參數(shù)的計(jì)算以及系列化等方面介紹了其設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)柱狀墻面廣告清洗機(jī)的主要目的是要將各類柱面物體上粘貼的小廣告最大限度的清除干凈，而影響廣告清洗機(jī)工作時(shí)清潔效果的幾大關(guān)鍵因素有[4?5]：清洗機(jī)繞柱轉(zhuǎn)速值、清洗機(jī)毛刷轉(zhuǎn)速值、毛刷與柱狀墻面接觸距離等。因此，在研制柱狀墻面廣告清洗機(jī)時(shí)要充分考慮到這幾個(gè)影響清潔效果的參數(shù)值，并且要對其進(jìn)行有效控制，測算出最合理的參數(shù)范圍值，從而達(dá)到較高的清洗效果。為了解決以上清洗參數(shù)的測定問題，通過模塊化方法制作了一臺清洗機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

2 實(shí)驗(yàn)裝置模塊設(shè)計(jì)

2.1 總方案設(shè)計(jì)

該裝置主要用于模擬柱狀墻面廣告清洗機(jī)在圓柱形表面清洗時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，其具體模擬的有以下三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：（1）機(jī)體圍繞柱狀墻體的圓周運(yùn)動(dòng)ω1；（2）機(jī)體毛刷的自身旋轉(zhuǎn)ω2；（3）機(jī)體沿墻面的相對運(yùn)動(dòng)v1。根據(jù)以上需要，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置方案，其原理圖，如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Design Schematic

實(shí)驗(yàn)裝置主要?jiǎng)澐譃橹鶢顗w模塊、毛刷組件模塊、滑動(dòng)模塊和其它支撐模塊組成。在清洗機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，柱形墻體是固定不動(dòng)的，而廣告清洗機(jī)則是圍繞著柱形墻體進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。因此，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，采用運(yùn)動(dòng)相對性原理，使用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱狀墻體、軟質(zhì)毛刷模塊部分同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而模擬實(shí)際廣告清洗機(jī)圍繞柱狀墻體旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)功能。此外，毛刷模塊還有一個(gè)相對墻體的移動(dòng)副，其移動(dòng)方向如圖1中V1所示。

2.2 各模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 墻體模塊設(shè)計(jì)

為了更好的模擬廣告清洗機(jī)繞柱旋轉(zhuǎn)清洗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，遂將柱狀墻體設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱形墻體主軸進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，模擬墻體主軸結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 柱狀墻體模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Column Wall Module Structure

2.2.2 毛刷模塊設(shè)計(jì)

把毛刷作設(shè)計(jì)為獨(dú)立可移動(dòng)的模塊單元，目的是方便控制墻面與毛刷的接觸距離。交流電機(jī)帶動(dòng)毛刷高速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制清洗時(shí)毛刷的轉(zhuǎn)速值，輔助研究該值對廣告清洗機(jī)清洗效果的影響。其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 毛刷模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Brush Module Structure

2.2.3 滑動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能夠精確地調(diào)節(jié)毛刷構(gòu)件表面與圓柱墻面的距離，設(shè)計(jì)了一組滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)安裝有刻度尺用于精確測量兩者之間距離參數(shù)。具體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 滑動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Mobile Module Structure Diagram

各機(jī)構(gòu)模塊按照一定的約束規(guī)則裝配完成后得到完整的模擬設(shè)備裝配圖，如圖5所示。

圖5 裝配圖Fig.5 Assembly Drawing

3 實(shí)物制作

通過生產(chǎn)加工、并將各模塊進(jìn)行組裝后最終完成了模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)物制作，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.6 Experimental Device Physical Map

4 實(shí)驗(yàn)及分析

利用制作好的模擬實(shí)驗(yàn)裝置來研究清洗毛刷和柱狀墻體轉(zhuǎn)速之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系對清洗效果的影響[6]。在清洗實(shí)驗(yàn)中采用ω1表示清洗機(jī)繞柱狀墻體的轉(zhuǎn)速值、ω2表示毛刷自身轉(zhuǎn)速值、l表示毛刷與墻體的接觸距離，C表示清潔度，清潔度定義為：墻面上殘留的廣告體平面面積比上清洗前廣告體總面積。采用清潔度C高低來評價(jià)清潔效果好壞并給出如下定義：（1）C≥0.9清潔效果為優(yōu)秀；（2）0.8≤C＜0.9清潔效果良好；（3）0.7≤C＜0.8效果中等；（4）C＜0.7評為較差。由于清洗之后殘留在墻體表面的碎片不規(guī)則，為了方便求出其面積，可以利用微元法原理，選取不規(guī)則平面上兩條相互垂直的最大長度相乘作為不規(guī)則圖形的近似面積，如圖7所示。即A1=h1×h2，則清潔度為：C=1?A1/A。

圖7 殘留碎片測量方法圖Fig.7 Residual Debris Measurement Method Diagram

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將毛刷與墻面剛接觸時(shí)即l=0mm規(guī)定為參考零點(diǎn)，毛刷遠(yuǎn)離墻體方向?yàn)檎较?，反之為?fù)方向。以零點(diǎn)位置開展第一組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)，如表1所示。

表1 l=0mm時(shí)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental Parameters when l=0mm

調(diào)節(jié)毛刷機(jī)構(gòu)與墻面接觸距離l=?5mm時(shí)開展第二組實(shí)驗(yàn)，其參數(shù)，如表2所示。

表2 l=-5mm 時(shí)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental Parameters when l=-5mm

調(diào)節(jié)毛刷機(jī)構(gòu)與墻面接觸距離l=?10mm 時(shí)開展第三組實(shí)驗(yàn)，其參數(shù)，如表3所示。

表3 l=-10mm 時(shí)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experimental Parameters when l=-10mm

調(diào)節(jié)毛刷機(jī)構(gòu)與墻面接觸距離l=?15mm 時(shí)開展第四組實(shí)驗(yàn)，其參數(shù)，如表4所示。

表4 l=-15mm 時(shí)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Experimental Parameters when l=-15mm

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)毛刷與墻面的接觸距離值l在0mm到10mm范圍內(nèi)時(shí)，其清潔效果總體較優(yōu)，而當(dāng)l=5mm時(shí)清潔度為最優(yōu)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速相同的情況下，隨著距離值l從0mm逐漸調(diào)節(jié)至15mm時(shí)，清潔效果呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)l=5mm時(shí)清潔效果最優(yōu)，l值超過10mm后清潔效果逐漸下降。變化趨勢，如圖8所示。

圖8 趨勢對比圖Fig.8 Trend Comparison Chart

分析一系列清洗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知：當(dāng)毛刷與墻面距離l保持不變，毛刷轉(zhuǎn)速值ω2逐漸增加，清潔效果隨著逐步上升，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后清潔效果趨于穩(wěn)定。當(dāng)墻體轉(zhuǎn)速ω1為8到9rad/min時(shí)達(dá)到清潔度峰值，清洗毛刷轉(zhuǎn)速ω2增至1250 rad/min時(shí)達(dá)到較好清潔效果，繼續(xù)提升毛刷轉(zhuǎn)速清潔效果無明顯變化。因此，從節(jié)能減排、成本控制和清潔效果方面綜合考慮，清洗機(jī)繞柱狀墻體轉(zhuǎn)速ω1取值范圍應(yīng)在（8~9）rad/min，清洗毛刷轉(zhuǎn)速ω2取值為1250 rad/min時(shí)設(shè)計(jì)較為合理。

5 結(jié)論

為了使即將研制的柱狀墻面廣告清洗機(jī)能對圓柱形墻面具有良好的清潔效果，需要對其工作運(yùn)行過程中的幾個(gè)影響清潔效果的關(guān)鍵參數(shù)包括：清洗機(jī)自身繞柱轉(zhuǎn)速值ω1、清洗毛刷轉(zhuǎn)速值ω2和毛刷與墻面接觸距離l，進(jìn)行了分析測定。并通過模塊化方法設(shè)計(jì)了一款模擬清洗實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用該設(shè)備進(jìn)行了柱狀墻面廣告清洗機(jī)的模擬清洗實(shí)驗(yàn)。通過若干組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，找到了一組能使清潔效果保持較高水平的參數(shù)范圍值，為后續(xù)柱狀墻面廣告清洗機(jī)的研制提供了設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)[7]。