高速公路波形護欄清洗裝置設計

胡 泰 鄭夫水 劉 航 周旭陽 何永明*

（東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱150040）

隨著國民經濟的發展和機動車總量的增加，我國公路運輸業發展迅猛。截至2019 年底，我國高速公路總里程達14.26 萬公里，高速公路的護欄總長度超過57 萬公里，居世界第一位。為了能夠更好地引導駕駛員的視線，充分保障道路交通安全，我們需要定期對防護欄上的污垢進行清洗。目前，我國多采用“滾筒式”清洗車來進行高速公路護欄的清洗和養護，但是大部分高速公路護欄清洗車的清洗成本高，清洗效率低，清洗時浪費水資源現象較為嚴重。除此之外，由于目前的高速公路護欄清洗車的刷頭多為滾筒型，對于波型護欄難以做到清洗全面，時間一久，那些未被清洗的地方就會受到雨水的腐蝕而造成損壞。為了解決這些問題，論文研究了與波型護欄相適應的M型清洗刷頭。該刷頭與目前的滾筒式刷頭相比清洗死角少、作業效率高、對水資源的利用效率高，主要用于全國各等級高速公路護欄的清洗和養護工作。研究與波型護欄相適應的新型高速公路護欄清洗設備對我國高速公路設施的養護和交通運輸的發展都具有重要作用。

1 系統總體結構

1.1 系統結構

M型高速公路護欄清洗裝置由M型刷頭清洗子系統、輪式刷頭清洗子系統和干燥子系統組成。M型刷頭清洗系統由網格狀噴水口、截流調節閥、小型水泵、電機和刷毛組成。根據護欄需清洗的程度等實際情況可以調節水流的大小和壓強。M型刷頭清洗系統由機械臂直接控制。輪式刷頭清洗系統由四個旋轉的輪式刷頭和電機組成。根據實際情況通過電機調節輪式刷頭的旋轉速度和工作強度。干燥系統由支架和海綿組成。整個清洗裝置通過側立方式安裝，使刷頭與高速公路護欄表面緊密貼合。輪子安裝在整套裝置上，幫助清洗裝置沿護欄前進，減少機械臂的作業壓力。

M 型高速公路護欄清洗裝置的控制通過水車和機械臂實現。控制系統工作時，通過水車上的操控設備控制機械臂的移動和清洗設備電機的開關，實現開啟、關閉設備，增大、減小噴水強度等操作。

1.2 系統設備

考慮到實用性和經濟性，系統設備均采用價格低廉，性價比高的國產設備。方案按照M型高速公路護欄清洗設備設計理論的實際出發，綜合經濟性和實用性需要，最大限度提高清潔能力。系統方案選擇如下：1.2.1 水泵選擇WKY1000 小型水泵。此型號水泵體積較小，可長時間連續運轉，能完成設計功能又經濟實用。1.2.2 噴頭選擇SK508 噴水嘴。該噴水嘴具有可靠性高、噴水均勻、造價低廉等特點。1.2.3 電動機選擇型號為MY1120ZXF 的600W 尤奈特永磁直流有刷電機。該電機重量輕、體積小、發熱少，動力較強。1.2.4 輪刷采用直徑100mm 規格的凱馳掃刷。該刷頭清洗效果好、磨損率低，耐用性強。

2 M 型刷頭清洗子系統

2.1 M型刷頭結構

為了更好的適應波型護欄，我們設計出與之能夠貼合的M型刷頭位于整個機箱的前半部分，其刷面上有若干個呈網格狀分布的噴水孔。噴水孔和噴水裝置相通，噴水裝置通過水接口，用軟管連接在清洗車配備的儲水箱上。在機箱裝置的后表面上安裝一個外接抽水機，當抽水機接通電源后，將水噴灑在護欄表面。M型刷頭能夠與高速公路波形護欄緊密貼合，使得清洗不留死角，清洗效果好。

2.2 工作原理

清洗車工作人員通過控制機械臂，將清洗裝置與高速公路護欄表面緊密貼合，然后按下電源開關，通過水泵將水從車上的儲水箱經過噴水裝置噴灑在護欄表面，在車前進過程中牽引著M型刷頭進行刷洗。根據護欄表面灰塵積累的實際情況，可以控制水流的壓強和大小。在灰塵積累較厚處，可以適當增大噴水強度；反之，則減小。刷頭和護欄相貼合從而形成良好接觸，刷頭面上分布著“網格狀”噴水孔，這樣不僅將水充分利用，同時也能對護欄表面進行全方位清洗。

3 輪式刷頭清洗子系統

輪式刷頭結構：

位于機箱中部的輪式刷頭清洗系統主要由四個輪刷和四個電機組成。分別將每兩個輪刷固定在機箱上，使它們呈現出一定的角度，這樣就構成了一個和W 型護欄相適應的路輪式刷頭結構。輪式刷頭結構如圖1 所示。

圖1 輪式刷頭結構圖

輪式刷頭工作在M型刷頭之后。在前面M型刷頭噴灑水及清洗之后，輪式刷頭在電機的帶動下進行旋轉擦洗。

4 干燥子系統

吸水層材料:

干燥系統主要由聚氨酯海綿構成。海綿的寬度大于護欄的寬度，同時還要滿足可以達到壓縮海綿形狀與護欄吻合的厚度要求。海綿的主要作用是將清洗干凈的護欄上殘留的水分除去。聚氨酯海綿層吸水性好、透水度高，具有優秀的吸附性和去漬能力。同時表面有細膩柔軟的泡孔，在浸水后能迅速增大孔隙，借助海綿特有的吸附性，增強吸水效果。高速公路護欄上殘余的水分將被干燥系統吸除，從而延長護欄使用壽命，增強清洗效果。

5 系統工作過程

5.1 裝置組成

高速公路波形護欄清洗裝置主要由M型刷頭，輪式刷頭和擦拭抹布以及機箱四部分組成。清洗裝置結構圖如圖2 所示。

圖2 清洗裝置側視圖

5.2 裝置工作過程

當進行工作時，清洗車司機通過控制機械臂使清洗裝置與護欄貼合，然后按下電源開關，水在水泵的作用下從車上的儲水箱經過噴水裝置噴灑在護欄的表面，在起到濕潤欄面的同時，M型刷頭在車的牽引作用下進行第一道刷洗；與此同時，M型刷頭后邊的輪式刷頭在電機旋轉的作用下，在欄面上進行第二道刷洗；擦拭抹布由于海綿的形變始終和欄面緊密接觸，從而對欄面進行第三道處理——干燥。M型刷頭的平移擦洗，輪式刷頭的旋轉擦洗以及海綿抹布的干燥處理同時進行，增強了清洗效果。

6 參數分析

6.1 水路系統流量的計算

經過大量的實驗的統計數據得出，高速公路護欄清洗車的用水量與護欄寬度、護欄表面單位長度的受水量、噴嘴數量、清洗設備前進速度有關。根據護欄清洗車的實際經驗，得出下面的基本計算公式：

式中：Q- 水路系統的流量；q- 護欄板的單位長度受水量；v- 清洗車前進速度；n- 噴水嘴數目；σ- 射水重復系數。我國高速公路目前采用的是寬度為300mm 的波形防撞護欄板。根據實際經驗，其有效清洗寬度為400mm。護欄板的單位長度受水量為0.03L/m，噴水嘴個數為6。系統容積效率為0.8，射水重復系數為0.15。在實際情況的高速公路護欄清洗過程中，清洗車前進的常用速度為5km/h～15km/h，初取5km/h。把上述參數值帶入公式（1）中，得到清洗車單位額定需水量為1294L/h。

6.2 水泵的選取

護欄清洗設備中的高壓水流可以起到濕潤護欄和沖擊污垢的作用。水流過小時起不到清洗效果，而過大又會浪費水資源。根據實際經驗可知，我國高速公路護欄清洗時的水流壓強為8～10MPa。為了得到更好的清洗效果，這里選取水壓為10MPa。噴嘴與護欄表面之間的距離取300mm 以內。得到水泵壓力為

式中Q- 水泵的流量；PB- 水泵壓力，Pa；η- 水泵效率，為0.95；代入數據可得P=4.79kw。由以上數據可得水泵功率最小為4.79kw。這里選取功率為5kw的水泵。

6.3 水路管道設計

噴頭水路管道的直徑會影響清洗裝置工作時噴水口的水流壓力，從而對清洗效果有著一定程度上的影響。由水路管道流量大小的計算公式可得:

式中Q- 水路系統的流量；V- 水的常用流速（取3m/s）；d-支路管道直徑。代入參數到公式（4）中，得d=15cm，由以上數據可知水路管道直徑應為15cm。

結束語

本文主要設計了新型高速公路波形護欄清洗裝置，通過水路流量計算等進行了水路系統的設計。本裝置結構簡單，操作方便，成本低廉，還可以充分利用水資源，節約資源。兩道刷洗，最后干燥，三位一體，清潔高效，是高速公路波型護欄清洗的一種較為理想的裝置，可推廣使用。