一种新型自动护栏清洗机设计*

李路娜,黄 博,顾 航,连碧华

(南京机电职业技术学院,江苏 南京 211306)

随着经济的发展,我国城市发展进程加快,交通流量越来越大,道路安全要求越来越高,公路两侧或公路中间安装的公路护栏随处可见。城市主干道上,汽车通行量大,车速高,道路护栏通常为中央隔离护栏;在城市次干路上既有机动车和非机动车,也有行人,道路护栏的使用可起到保护及引导行人的作用。因此护栏成为了当今城市道路的重要防护型交通道具,也是城市环境的一部分。道路护栏遍布于城市主干道和次干道,且经常受到日晒、雨淋和汽车尾气、空气灰尘粘附等,上面沉积了大量灰尘和污渍,严重影响城市的市容市貌,需要对其进行定期清洗[1]。目前人工清洗护栏劳动强度大,清洗效率低,同时清洁人员身处机动车辆中间,极易发生交通安全事故,且清洁人员长期与汽车尾气接触,身体健康也受到了严重威胁。

本文研究一种新型自动护栏清洗机,通过盖板和限位凸块实现连接以及位移调节,便于不同厚度的护栏或者其他较厚物件的清洗,这与我国高等级公路养护机械节能、高效、低噪声、低污染且自动化程度高的发展相适应,具有显著的社会环境效益和经济效益。

1 总体结构设计和工作过程

1.1 道路护栏

城市道路护栏的结构形式主要有2种:一种是由圆形截面的钢筋或钢管焊接而成,每段通过螺栓连接;另一种是由方形截面的钢管焊接而成[2]。道路护栏材料通常为线材,标配护栏外形的单元尺寸为长3 m、宽0.07 m、高1.4 m的方管框架圆形铁棍组焊接而成。

1.2 护栏栏杆清洗原理

滚刷在水清洗的辅助下,可通过对护栏污渍的冲击、摩擦实现洗扫清洁。自动护栏清洗机作业时,护栏两对侧面滚刷将护栏栏杆“夹击”在中间,刷毛相互重叠(2～3 cm),使两滚刷形成一个整体,中间不留间隙。两滚刷高速旋转,在护栏表面刮擦,同时沿护栏竖向表面喷水,从而实现清洗(见图1)。根据分析和实验可得,当两滚刷转向相反时,可使脏物或脏水沿着箭头方向甩出去,两滚刷的刷毛在重叠处移动方向相同,可加快刷子的转速,滚刷两边各布置一个喷水嘴,这样可将飞溅的水珠带到护栏板面上,节约用水,达到良好的清洗效果[3]。

图1 护栏栏杆清洗原理

滚刷直径、转速、扫毛材料和清洗车行进速度为影响道路护栏清洗效果的四大因素。直径越大,对夹刷洗可重叠范围越大,越能增加清洗效果;转速越大,刷头击打污渍的力量和划离污渍的效果越好;道路护栏形体不规则时,需要扫毛材料具有足够的柔韧度来包夹护栏轮廓;清洗车行进速度越快,清洗效果越差[4]。

依据采集所得数据可知,护栏栅格之间的最大距离是170 mm,最小距离是120 mm,护栏所用钢管直径为22 mm。为了使滚刷与护栏表面有效发生摩擦,利用相切的原理设计滚刷直径(包括毛长),通过分析验证,当滚刷直径为260 mm时,清洗效果好,不留清洗死角[5]。

1.3 总体结构设计

新型自动护栏清洗机的结构如图2所示,由左箱体和右箱体组成。左箱体和右箱体内装有3组清洁刷,清洁刷装在滚筒刷上,左箱体和右箱体内装有多组洒水喷管,每组洒水喷管安装在滚筒刷后方,多个滚筒刷通过装在右箱体底部的电动机以及皮带传动机构实现同步转动[6]。

图2 新型自动护栏清洗机结构示意图

左箱体顶部通过铰链铰接2个盖板,实现了左箱体与右箱体的连接,两个盖板之间有一定的距离间隙,便于护栏上障碍物的通过。盖板上有多个限位槽口(具体可以为5～8个),右箱体顶部对应有2组供限位槽口嵌置的限位凸块,即盖板的限位槽口嵌置在某个限位凸块上可以实现两者的连接和位移调节,以便不同厚度的护栏或者其他较厚物件的清洗,功能性和实用性强。

右箱体内安装有清洁液存储箱,顶部远离限位凸块处有与清洁液存储箱内部相通的壶口和密封盖,清洁液存储箱与靠近右箱体入口处滚筒刷的洒水喷管通过水管连接相通,靠近右箱体出口处的滚筒刷后方未设置洒水喷管。右箱体内的底部装有水泵,可以实现从清洁液存储箱抽取清洁液。右箱体内装有电气设备控制柜,其顶部按钮控制洒水喷管和滚筒刷启动和停止。

皮带传动示意图如图3所示。图2和图3中,左箱体和右箱体底部装有多个万向轮,便于整体移动,且右箱体内还可装驱动电池,可以实现本清洁机无绳操作。

图3 皮带传动示意图

1.4 自动清洗机具体工作过程

新型自动护栏清洗机工作时,采用新能源电池作为驱动源,通过万向轮移动左箱体和右箱体到护栏处,调节左箱体与右箱体之间的距离,翻转盖板使得限位槽口嵌置在对应限位凸块上,实现两者的连接。接着通过外部设备,例如托运车等控制本清洗机的整体向前移动和水液的储存,使得清洗机顺利进入护栏,到达靠近入口的第一道滚筒刷处(入口滚筒刷)时,开通托运车上水液储存箱按钮,通过配套水泵使清洁水注入清洗机水管,水泵工作抽取清洁液,这时洒水喷管喷射出带有清洁液的水液,由右箱体底部的电动机带动皮带进而皮带带动滚筒刷旋转对护栏先进行初始滚筒刷工作-工序1初步清洗。随着清洗机向前移动,中间的滚筒刷进入刷洗状态,这时中间洒水喷管喷洒大量清水对护栏进行冲刷-工序2水液冲刷,清洗机继续向前移动,最后一组滚筒刷(出口处的滚筒刷未设置洒水喷管)进入工作状态,即可完成对护栏的抛光擦洗-工序3抛光擦洗。如果在清洗机移动清洗护栏时,某处护栏较脏,可以停止托运车的移动,让电动机不断正、反转,反复清洗。这样在护栏同一位置,随着自动清洗机的向前移动,清洗机上的多组清洁刷先后完成了工序1初步清洗、工序2水液刷洗和工序3抛光擦洗等3道工序的清洁,保证了对护栏的清洗力度,清洗效果好。

2 各部分结构零件设计

2.1 滚筒刷刷体轴选材

清洗机的滚筒刷通过电动机与皮带轮的驱动,实现正转、反转来确保对护栏的清洗力度,这要求滚筒刷安装轴工作时高速旋转且经常正反转,对轴有抗疲劳性能、弹性、韧性和硬度要求。高碳铬轴承钢[7](Gcr15)具有良好的抗疲劳性能、合适的弹性和韧性以及较高的硬度,因此滚筒刷刷体轴选材Gcr15,ρ=7 810 g/m3。

2.2 电动机的选型

1)研究对象。

自动护栏清洗机应用对象为宽0.05～0.2 m、高0.5～0.8 m的护栏。滚筒刷刷体轴长度设计为1 m,滚筒刷刷体轴半径设计为r=0.021 m,滚筒刷刷体半径设计为r′=0.22 m,滚筒刷刷体转速设计为n=560 r/min≈9.3 r/s,电动机带动滚筒刷刷体由静止到运动所需时间为t=3 s。

2)电动机的选择。

由转动惯量定理,可得扭转力矩[8]M:

(1)

式中,J是转动惯量;β是角加速度;m是滚筒刷刷体轴质量;r是滚筒刷刷体轴半径;ρ是材料密度;L是长度;w是角速度;t是时间。

经过计算分析,得出电动机的功率P:

(2)

由式1～式2可知,电动机功率为0.3 kW,优选额定功率0.45 kW,实际转速约为560 r/min的电动机。

2.3 配套水泵的选型

清洗机配套水泵的选型,清洗机上安装4个洒水喷管,每个洒水喷管设计13个喷水口,设计初步清洗的2个洒水喷管每个喷头的水流量为5 L/h,对护栏进行冲刷的2个洒水喷管每个喷头的水流量为10 L/h,计算得出4个洒水喷管共需(2×13×5)+(2×13×10)=130+260=390 (L/h),390 L/h≈6.5 L/min。

假设给定压强P压强=5 MPa,得出水泵功率N功率:

(3)

根据式3计算后,优选额定功率为0.8 kW、流量为6.5 L/min、直流电压为48 V的水泵。

2.4 皮带选型

带传动具有良好的挠性,可以缓和冲击,对于震动可以有效地进行吸收,工作过程中噪声相对较低,选带传动为本产品的传动机构[9]。

1)确定设计功率Pc:

(4)

式中,工况系数KA=1.2(查机械设计手册)。

2)选择皮带类型。

根据带传动的设计功率Pc及小带轮转速n1的值,查机械设计手册(普通V带选型图)选Z型带。

3)确定带轮的基准直径。

由机械设计手册[10](普通V带的基准直径dd)可知,普通V带轮的基准直径dd确定电动机带轮的基准直径d1。滚刷带轮直径d=id1,由设计传动比i=1,可得出d=63 mm。

4)验算带速V。

以小带轮基准直径dd=63 mm,验算带速V:

(5)

带速符合本机械传动要求。

5)计算皮带轮中心距离a0和带长Ld。

大、小带轮直径均为63 mm,带入式6:

0.7(d+d1)

(6)

可初步确定中心距a0的取值范围为:

88.2

(7)

由于大、小带轮直径均为63 mm,由式8初步算出带长Ld:

(8)

查机械设计手册(V带基准长度及修正系数),选取Ld=630 mm,代入式8:

Ld=2a0+197.82

(9)

得a0=216.09 mm,符合要求。

3 结语

本文设计的一种新型自动护栏清洗机,该清洗机集初步清洗、水液冲刷和抛光擦洗于一体,在清洗护栏时电动机可正、反转,反复清洗,清洗力度高,且同时底部装有万向轮,移动起来方便快捷。与传统的人工清洗相比,具有清洗效率高、劳动强度小、安全可靠的特点,期待在实践中进行推广应用,服务于城市道路环境建设。