新型多功能清洗机构的设计与研究

摘    要：针对广告清洗机构清洗功能单一，清洗效率较低的问题，设计一种新型多功能清洗机构，并创新设计了一种适应不同直径的待清洗物体的自适应支撑驱动轮机构.在完善清洗机构设计的基础上，根据支撑驱动轮工作受力情况，对驱动轮主轴和中间起到连接作用的弹性滑杆组件进行了力学分析和理论计算;并通过SOLIDWORKS进行三维结构模型创建，利用有限元软件workbench對支撑驱动轮结构进行了静力学特性仿真.仿真结果与力学分析结果一致，验证了支撑驱动轮结构设计的合理性，为新型多功能清洗机构的后续开发设计与功能结构优化提供参考经验.

关键词：广告清洗;机构设计;力学分析;静力仿真

中图分类号：TH122;TH693.9           DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.008

0    引言

小广告胡乱张贴现象在日常生活中普遍存在，与当今社会所提倡的给市民塑造干净、整洁的生活环境理念背道而驰，极大损害了一座城市的文化底蕴.相关部门采取了宣传教育、人工清理等方式解决上述问题，却收效甚微.由于小广告具有低成本、制作张贴容易、数量巨大、张贴形式多样等特点，给人工清理带来了极大挑战.因此，开发一种能够有效清除小广告的清洗机构尤为重要.

国内外许多研究人员对清洗机构展开了相关研究.Li 等[1]对计算机硬盘盘头清洗机展开了研究，利用真空保持盘头代替格栅，并结合喷淋清洗、擦洗等方式提高硬盘盘头的清洁度.李铁骑等[2]对清洗机的清洗方式、清洗原理等展开了研究，最终选择多种清洗方式组合使用并将其成功应用于内燃机车的清洗机研制.马士伟等[3]针对高楼玻璃与室内高墙，设计了一种多功能六足清洁机器人，实现在玻璃与墙面上的垂直行走，既可以清洗玻璃，又可以清扫墙面.苗玉刚等[4]针对高楼大厦顶部玻璃清洁设计了一款自动避障、路径导航、远程监控等功能一体的清洁设备.徐丹等[5]采用铰接方式连接多节清洗装置构成清洗机整体，有效解决了模仿拱状棚顶弧形的难点，同时还可以自适应清洗凹凸不平的薄膜表面.王晓琳等[6]研制了一种新型碳纤维爬索机器人，有效解决了机器人沿绳索攀爬困难的问题.

当前清除小广告的主要方法有两种：一种是纯粹依靠人工利用简易刮铲进行广告铲除作业;另一种是利用辅助设备进行清除广告作业.第一种方式劳动强度大、效率低、清除效果不好且长时间工作易使工作人员手臂麻木，有害健康. 第二种方式劳动强度有所下降，但清除效果依然不理想且耗费水资源、在清除过程中会对周围环境产生二次污染.为了解决当前清除广告过程中存在的劳动强度大、清除不干净、耗费能源、不能很好的清洗圆柱曲面类墙面、清洗过程中易对环境产生二次污染等问题，根据市场相关产品的实际使用需求设计了一种新型多功能清洗机构，并创新设计了一种自适应支撑驱动轮机构，以帮助其更好的适应不同直径的圆柱曲面等特殊墙体的清洗工作.

1    清洗机设计方案分析

1.1    清洗机构工艺要求

通过对当前人工清理方式、借助辅助清理设备进行清理小广告的方式进行清扫机理研究，发现清洗小广告的过程大致为：清洗前的润湿处理、滚刷清洗、打扫清洗下来的碎屑这几个步骤.通过对城市大街小巷实地走访调查，发现城市中被粘贴小广告的圆柱曲面主要是电线杆、路灯杆、指示牌立柱等.电线杆的表面材质大多为混凝土材质;路灯杆、指示牌立柱表面大多为卷钢材质.通过对图1所示几种城市主流的圆柱墙体进行结构分析，发现严格意义上这些都不属于圆柱类，是带有一定锥度（锥度为[1∶75]）的类圆柱墙体，这就为清洗机的结构设计带来一定的困难，需要将清洗机的主从动轮设计成可调结构，保证沿着圆柱墙体攀爬或下降的过程中清洗机的主从动轮始终能够紧紧贴合在墙面上.

广告清洗机的工艺要求为：清洗过程中，机器能够稳固在圆柱墙体上不会受自重的影响出现 “掉落”现象;能够根据自身工作需要实现机器自动爬升或下降的功能需求;能够实现整机绕圆柱墙体轴线的旋转运动进而实现对圆柱墙体表面清洗的全覆盖功能;能够实现清洗工作与碎屑收集的同步进行功能.

1.2    方案分析

广告清洗机由机械结构、传感检测、嵌入式控制、人机操作终端等组成.其中机械结构部分包括了清洗机的外框机架、主从动轮组件、滚刷清洗组件、碎屑收集组件、集水组件等.清洗机整体结构如图2所示.

清洗机设计方案的完整工作过程规划如下：首先，根据待清洗件的具体情况，例如，圆柱墙体的直径大小、广告粘贴的形式以及紧密程度等合理选择滚刷的种类、外框安装板的大小.确定条件后开始打开清洗机外框的活动铰链，将清洗机套在圆柱墙体周围，最后闭合活动铰链，完成启动前的准备工作.按下人机操作终端上的启动按钮，清洗机微控制器开始控制清洗机主动轮的驱动电机工作[7-8]，带动主动轮沿着圆柱墙体爬升.清洗机上面装有传感检测模块，在运动过程中实时监测墙体表面是否有小广告等异物，当传感器检测到小广告的存在时，反馈一个电信号至微控制器，微控制器通过植入的程序启动主动轮的转向伺服电机、滚刷的驱动电机、水泵电机、碎屑收集装置电机等同时运作.在此过程中水泵将水抽出并通过喷嘴喷撒在墙体上，完成对小广告清洗前的润湿处理工作;滚刷驱动电机带动滚刷高速旋转，开始清扫工作;主动轮转向伺服电机带动主动轮主轴完成旋转90°的动作，然后由主动轮驱动电机带动主动轮继续旋转，这样就完成了整机绕圆柱墙体的旋转运动，进而完成了对墙体外表面的全覆盖清洗.碎屑收集装置在此过程中完成对碎屑的收集工作，避免碎屑掉落对周围环境造成二次污染.当传感器检测不到墙体表面的小广告时，控制器控制转向伺服电机回转90°，使主动轮继续沿着圆柱墙体爬升[9]，传感器继续检测重复完成上述工作，直至检测到指定高度，控制器控制主动轮电机回转，完成清洗机沿着圆柱墙体下降收回的工作过程.整个装置设计方案的工作规划过程[10]详见流程图，如图3所示.

2    清洗机结构设计

2.1    外框组件结构设计

根据清洗机设计需求，外框的结构设计需要满足以下几个基本条件：第一，清洗机能够适应一定范围不同直径的待清洗件;第二，清洗机外框能够开闭，操作简单;第三，外框结构尽可能简单、重量轻.为了达到上述要求，借用多边形内切圆的原理将装置外框整体结构设计成多边形的形式，如图4所示.每块安装板上都打有上下对称的螺纹孔，通过带有U型槽的活动铰链进行连接，由于U型槽具有一定的长度，可以在一定范围内拓展外框多边形的边长，进而使外框可以适应更大范围直径的墙体.

2.2   主从动轮结构设计

由清洗机的设计需求可知，主动轮必须设计成可调节结构以便于适应圆柱墙体的锥度，不会出现因为锥度的存在导致攀爬或下降时轮子与墙面贴合不紧密的现象[11].主动轮由主动轮转向电机轴、紧固螺栓、锁紧螺母、外滑套、高压弹簧、内套杆、小型电机安装板、电机固定套、蜗轮蜗杆减速装置、橡胶滚轮、挡泥板、挡泥板直角安装板、电机安装座组成，如图5所示.高压弹簧、滑动套杆的存在保证了清洗机在工作时轮子与圆柱墙面的紧密贴合;小型电机、蜗轮蜗杆减速机的组合使用主要是給橡胶滚轮提供一个低转速的稳定动力;主动轮中间的紧固螺栓、锁紧螺母起到传递换向伺服电机带来的扭矩和动力的作用.从动轮的结构设计采用了与主动轮同样的结构，仅缺少了与二级连接传动轴相连接的转向伺服电机，滚轮轴处缺少了与之相连的蜗轮蜗杆减速装置、直流驱动电机、电机安装板等部分，总体结构相对更为简单.

2.3   洗刷组件结构设计

清洗机洗刷组件由小型步进电机、电机安装座、圆柱直齿轮、滚子轴承、轴承座、滚刷轴、轴套、滚刷、紧固螺栓组成，如图6所示.清洗机正常工作时，控制器控制电机的转速，电机通过齿轮传动传递动力和扭矩给滚刷轴，进而由滚刷轴带动滚刷做高速旋转运动，完成洗刷作业[12-13].设计用直齿轮传动还能起到节约空间的作用，让装置更为紧凑[14].此外将滚刷做成内空心的结构既可以起到减重的作用，还能方便更换滚刷起到便于维修保养的作用.

2.4   碎屑收集装置结构设计

清洗机碎屑收集装置由一层过滤网、碎屑收集槽、二层过滤网、小型立柱、电机安装板、小型直流电机、小型离心风扇组成，如图7所示.保证了清洗机在工作时清扫下来的广告碎屑被离心风扇的吸力直接吸收到装置过滤网后方的收集槽内，避免了清洗过程中因碎屑掉落所造成的二次污染现象.电机安装板设计为对称异形结构实现了装置减轻重量的要求.

3    力学分析与静力结构仿真

3.1   力学分析

为了保证设计的清洗机产品能够满足使用过程中的承载要求，对清洗机关键受力零部件支撑主动轮结构进行了受力分析.分析发现，主动轮同时受到了弯矩、轴向压力、扭矩的作用，属于复合受力状态.清洗机主要受到自身重力G1、主从动轮滚轮与圆柱墙面的摩擦力f1、圆柱墙面对主从轮的支反力FN2的作用.主动轮还受到转向伺服电机提供的扭矩T1作用、装置外框轴承对主动轮主轴轴肩的一个压紧力FN1的作用、清洗机滚刷高速旋转与圆柱墙体会产生一个较大的摩擦力f21，并最终通过反作用力作用在主动轮上，而墙体则会对主动轮装置产生一个反作用力f22.滚轮的驱动电机将会对滚轮作用一个驱动扭矩T2，具体受力状态如图8所示.电机驱动扭矩可根据所选电机型号参数查得，装置总重量可以根据所选材料、体积利用SOLIDWORKS自带质量属性功能求得.

此处圆形截面的主动轮轴的静矩SZ为d3/12，代入已知数值求得d22≥15.766 mm.

当考虑受扭状态时，由扭矩公式：

为保证主动轮在多种受力状态下均能满足强度使用要求，从d11、d22、d31取d的求解相对最大值并取整数，即d为16 mm.

3.2   静力结构仿真

为了对清洗机主动轮承载能力及受力分析过程进行直观的验证，利用有限元软件workbench进行静力结构分析.为减少有限元后处理的计算工作量，主动轮结构进行合理的简化[15].将滑动套杆处及其两端的螺栓连接触进行刚化处理.直流驱动电机部分通过蜗轮蜗杆传递扭矩至主动轮滚轮处，可将扭矩作用载荷直接加载至主动轮并略去电机、蜗轮蜗杆传动部分的具体结构.将简化后的主动轮三维模型保存为IGES格式，并导入到workbench的geometry中，然后进行材料的选择、网格的划分，在重点受力部位、形状突变处进行网格局部细化处理.并根据前面的受力分析完成对有限元模型的加载处理，最后进行有限元求解，得到主动轮结构的应力、应变云图，如图9所示.

通过有限元仿真发现主动轮主轴的变形显示为深蓝色，几乎无变形;滚轮选用的为橡胶材质，挡泥板选用的塑料材质，受到挤压力的作用有略微变形，但是在安全范围内满足使用要求;主动轮最大应力为1.712 MPa，最大应变为8.650 9，均在安全工作范围.通过云图发现，清洗机的重要受力零部件主动轮能够承受工作过程中的载荷，可以满足正常使用需求，也验证了通过力学分析的主动轮轴的设计合理性，满足强度要求.

4    结论

1）根据清洗机结构及工艺要求设计了外框组件，能够适应一定范围内不同导杆的直径，具体范围值与外框安装板上U型槽的长度直接相关.

2）通过创新式设计提出了一种自适应支撑驱动轮机构，并对该机构进行力学分析和静力结构仿真实验验证，表明该主动轮结构设计合理，能够满足清洗机构正常使用的强度要求.

3）为了保证清洗机构功能的多样化，装置还设计了碎屑收集机构，避免了清洗机在清洗过程中产生清洗垃圾，造成二次污染的问题.

4）该产品的设计对于新型多功能清洗机的后续开发、样机研制与实验验证和功能结构优化有很好的参考价值.对于清洗过程中，清洗机的圆周旋转速度、沿杆爬升或下降的轴向速度、滚刷的转速、滚刷末端与墙体的接触长度等几项关键参数的耦合关系对最终广告清洁度的影响，还需在今后实验中进一步探究.

参考文献

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