玻璃幕墙自动清洗设备毛刷 清洗机毛刷
王振华++程冰
摘 要：本项目研究了一种固定式清洗设备，通过楼顶轨道与卷扬机的配合实现清洗设备的横向纵向移动，实现单次大面积清洗，提高清洗效率；同时在清洗的过程中采用空化冲洗的方法，将高压空气与水混合形成水雾，提高冲洗效率的同时节约清洗用水，降低清洗装置的自重。 本作品移动机构的设计为提高玻璃幕墙清洗机器人的清洗效率提出了新思路，同时清洗装置的设计也较为新颖，具有一定的借鉴性。
关键词：玻璃幕墙清洗；机器人；固定式；文丘里管
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0058-02
1 项目背景及意义
随着人口激增，现代建筑越来越高层化。为了实现美观和高采光，玻璃幕墙应用越来越广泛，随之而来的是玻璃幕墙的清洗问题。由于现有的清洗方式主要是人工清理，清理难度大，效率低且极危险，所以清洗成本很高，一般的价格为每平米30～40元，越高处价格越贵。带来的得问题是清洗周期长，多为一年一次，难以实现即时清理。自动化清洗设备应运而生，而几乎所有的研究方向都是爬壁机器人的研发，以机器人携带清洗设备进行清洗，这种清洗方式虽然解放了人力，但单次清洗面积小，清洗速度慢，且为实现爬壁功能，技术含量高，造价昂贵。
研究固定式清洗设备的意义在于实现单次大面积清洗，提高清洗效率，降低技术成本，实现普遍化。
2 设计方案
本项目由蓄水装置、供水装置、清洗装置和运动系统组成。
蓄水装置和供水装置为清洗装置的清洗工作提供用水，使其能稳定连续的进行清洗工作。
清洗装置用于对幕墙表面進行清洗，分为喷淋和擦洗两个过程。
喷淋部分借鉴文丘里施肥器的设计[1]，采用文丘里效应，用进气泵和气管、水管实现，左边通过高压气泵送进高压气体，通过三通管时，由于高速流动气体处压强较低，将水吸入管中，并将其打散，两者混合成为水汽混合物从雾化喷嘴中喷出。图1为文丘里效应。
擦洗过程用纤维布料的擦洗盘进行擦洗，由于擦洗过程与真空吸附相结合[2]，所以对擦洗盘进行镂空设计，布制擦洗套套在擦洗盘上通过纤维布料较大的空隙，将空气抽入真空泵，并通过内部的电机带动旋转，进行玻璃的擦洗。
运动装置分为上下运动和左右运动上下运动用盘绳器实现，通过盘绳器的自锁结构，使其只能通过驱动端上下移动。
装置的自锁通过棘轮、棘轮扣、齿轮、主动轴和同步扣组成。棘轮固定在机架上，棘轮扣通过内棘轮与棘轮扣合，同步扣用销钉与主动轴固定在一起，齿轮内部为螺纹，和主动轴上的齿轮啮合，齿轮可以在同步扣和棘轮扣之间移动，当齿轮转动与同步扣贴合时，齿轮和主动轴同速转动，当齿轮由于重物的重力反向转动时，会与棘轮扣贴合，因为棘轮扣与棘轮扣合，棘轮固定在机架上，所以齿轮无法转动，重物也就不能自由降落，此时只有转动主动轴才会使齿轮转动。
在实践过程中，为了更好的模拟玻璃幕墙，为清洗试验提供良好的工作环境，搭建了900mmX1000mm的玻璃框架。采用40铝型材作为框架骨骼，采用6mm钢化玻璃模拟墙面，目前常见的幕墙类型主要分为隐框和明框，隐框幕墙表面较为平整，比较容易清理，明框幕墙由于自身的结构特点，在幕墙外有很明显的突出，对清洗工作会带来较大障碍，由于本项目在实验过程中，对原有项目有较大改动，取消了原有的轨道系统，采用真空吸附作为清洗压力的来源，为了保证真空吸附的密封性，所以对工作环境有较为严格的要求，故采用隐框玻璃幕墙，工作面为800mmX900mm的玻璃面。
由于本实验侧重于检测清洗装置的清洗功能和运动系统的功能，所以对于其他的组成部分以较为简单的装置替代。
蓄水装置和供水装置用铝制水桶替代，采用文丘里效应将水从水桶中吸出，并从雾化喷嘴中喷出。
在方案制定时，由于原定方案中设计的轨道系统相对幕墙墙体较为明显，对墙面的完整性有很大影响且对于较高的建筑来说，轨道铺设很难保证较高的垂直度，当轨道铺设较长时，较多的对接和推力装置的布置也会影响轨道的直线度，较为致命的缺陷是，由于楼层的高度较高，铺设轨道对轨道本身的强度要求很高，任何一处的破坏都会对系统造成严重的影响。要达到上述要求，就会导致装置的成本大幅提升，减少项目实施的可行性。此外，轨道铺设之后，会将完成的工作环境分割为小块的区域，反而会加大工作量，增加工作阻碍。综上所述，对墙体进行改造来辅助清洗工作，得不偿失，所以我们将铺设轨道辅助清洗的部分取消，将轨道的功能添加到清洗装置中。
2.1 清洗装置的设计
在项目方案制定中取消了轨道设计，所以清洗时的压力需要由清洗装置本身提供，所以将真空吸附添加到清洗装置中，清洗装置除了擦洗玻璃外还要通过真空吸附贴合在玻璃表面。清洗时的喷淋过程，用水管、三通接头、喷头、气泵和水桶完成，工作时，气泵首先开始工作，通过文丘里效应将水吸入管道，混合后从雾化喷嘴喷出，将玻璃淋湿。擦洗过程用擦洗盘完成。
2.2 运动装置的设计
在方案设计中，装置的移动由楼顶的卷扬机提供，因为卷扬机在实验过程中显得较为笨重，且其速率不合适装置的清洗，所以实验中的运动由滚珠丝杆机构和盘绳器实现，滚珠丝杆机构通过电机驱动，将定轴转动转换为装置的左右移动，盘绳器用电机驱动，用于实现装置的上下移动。
装置的上下移动通过盘绳器实现，盘绳器通过螺钉紧固在滚股丝杆上，盘绳器利用自锁结构实现装置的安全下放。
2.3 运动控制方案的设计
本项目将装置在玻璃幕墙上的遍历运动分解为水平运动与竖直运动；水平运动由水平电机带动滚珠丝杠滑轨实现，竖直运动由竖直电机带动绳轮机构实现。运动传递示意图见图2。
装置采用先水平运动后竖直运动的方式完成遍历运动。工作时，首先是水平电机转动，带动装置水平运动，当触及水平边界时；装置下移一段距离，电机反向旋转，如此反复，实现装置的遍历运动。
3 创新点及应用前景
3.1 项目创新点
（1）采用文丘里效应，将喷水喷嘴改为雾化喷嘴，提高清洗用水的利用率。
（2）将擦洗盘进行镂空设计，使其与真空吸附结合，减少装置体积和重量，使其便于运动和搬运。
（3）运动装置的上下运动采用自锁结构，提高装置的安全性。
3.2 应用前景分析
本装置在实验过程中采用滚珠丝杠机构和盘绳器替代原定方案中的悬吊系统，并将真空吸附和清洗工作结合，替代轨道系统，使其更适用于隐框幕墙的清洗，并减少装置的安全隐患，提高装置的可靠性和稳定性，使其具有较好的市场适应性。
参考文献
[1]孟庆国.文丘里施肥器改进设计和应用[J].现代农业装备，2005，（9）：97-98.
[2]钱志源.带滑动式吸盘的爬壁机器人运动特性分析及其应用研究[D].上海交通大学，2007.
