多功能戶外照明設備的設計與研究

劉艷艷 林朝輝 李海峰

（南京理工大學紫金學院 智能制造學院，南京 210023）

戶外照明設備是基礎設施的重要組成部分。它的功能是夜間時段照明，白天時段充當一種裝飾。很多城市會其特有的植物、動物、風景以及特產等元素與其相結合，因此戶外照明設備也代表著一個城市的文化和品牌。但是，如今傳統的戶外照明設備一般僅具有照明功能，通常由燈桿和燈頭組成，功能性單一，已無法滿足我國正在推進的智慧城市建設需求[1-3]。因此，對戶外照明設備多用途性的探索已然成為了一種研究趨勢。例如陶雋儒[4]結合行人的需要提供了一種方便行人休息的太陽能路燈，其中路燈桿上設有座椅，座板下方設有滑動垃圾盒，可方便行人放置垃圾。此外，楊登路[5]設計了一種具有滅蚊蟲功能的太陽能路燈，張貴中[6]設計了一種遠程智能控制的可噴淋及清洗澆灌的景觀路燈。

1 功能設計

本研究在滿足傳統戶外照明設備基本功能屬性的基礎上，基于物聯網的可控性要求和公共設備智能化原則，開展戶外照明設備的總體功能設計，在滿足道路照明功能的基礎上，通過人機交互和功能轉換實現為行人提供休閑座椅、監控、避雨場所等擴展功能，如圖1所示。

2 系統設計

2.1 整體結構設計

根據設備功能要求，開展多功能戶外照明設備的整體結構設計。整體結構由框架、氣缸翻轉組件、LED燈組以及雨棚模塊等組成，如圖2所示[7]。框架由大/小支腳和椅體構成，是設備主體結構和承力部件；氣缸翻轉機構為設備功能轉換的驅動裝置；LED燈組和雨棚為設備的功能模塊。

圖1 多功能戶外照明設備系統功能

圖2 設備硬件結構夠成圖

2.2 主要結構設計與計算

2.2.1 框架選材與設計計算

本設備框架部件選擇Q235材質。在座椅形態下，以椅板上可承受3個成年人（各100 kg）的情況進行設計。人體與椅板接觸面積為350 mm×350 mm，則椅板受力為：

式中，m為人體總質量，a為人體與椅板接觸面積。于是，有：

基于Q235材料的力學性能，最后計算：

故選用厚度為8 mm的Q235板材強度足夠。

2.2.2 翻轉機構設計計算

翻轉機構由椅體翻轉（大氣缸驅動）、小支腳翻轉（小氣缸驅動）、回拉彈簧以及穩定裝置（齒輪齒條）等子機構組成。

（1）大氣缸計算

大氣缸的作用是為椅體的翻轉提供動力。選用兩個相同氣缸對稱分布于兩側，氣缸需承受整個椅體和小支腳的質量。已知總質量為300 kg，則單個氣缸所需的推力F1=1 500 N。

根據式（4）：

可得缸筒內徑D1=80 mm和活塞桿直徑d1=25 mm。根據實際結構設計，氣缸行程S1取300 mm。

（2）小氣缸計算

小氣缸缸筒內徑D2和活塞桿直徑d2均選取較大值，即D2=80 mm、d2=25 mm、工作壓強p=0.5 MPa。結合實際結構設計，行程S2取100 mm。

（3）回拉彈簧

參考工程設計經驗和設備設計實際，回拉彈簧設計成Ⅱ類載荷彈簧，選油淬火回火碳素彈簧鋼絲B類，初步假設鋼絲直徑d為7～9 mm。為保證彈簧特性，要求工作載荷F在試驗載荷Fs的20%～80%，取F=0.8Fs，工作載荷F=1 400 N，則：

用查表法[7]確定鋼絲直徑，得試驗載荷：

故選用彈簧鋼絲直徑d為8 mm、彈簧中徑D為50 mm、試驗載荷Fs為2 352 N、一圈彈簧的試驗變形量fsd為7.27 mm、一圈彈簧的剛度Kd為324 N·mm-1。

計算彈簧試驗載荷最大值為：

故彈簧強度滿足要求，彈簧內徑D1=42 mm、D2=58 mm。

（4）齒輪齒條設計

齒輪齒條機構用于實現座椅緩慢回縮，保證系統運行平穩性。根據傳動設備的空間結構要求，底板尺寸、輸出端齒輪中心高度及中心距范圍必須滿足原機型的結構參數。根據傳動比i=2，設齒輪齒數Z1=30，選取模數m=5，齒條的齒數Z2=60，齒輪齒條中心距a=450 mm，齒輪直徑D1=150 mm。

把上述參數帶入式（8）進行齒輪強度計算，有：

式中，ZH為節點區域系數，ZE為材料彈性系數，Zε為重合度系數，Zβ為螺旋角系數，μ為齒數比，KA為使用系數，KV為動載系數，KHα為齒間載荷分布系數，KHβ為齒向載荷分布系數，b為齒寬。可知，齒輪符合強度要求。

2.3 人機交互系統設計

人機交互系統用于實現設備功能轉換的控制和照明、雨棚、監控功能的人機控制等。硬件模塊由PLC、觸摸屏、伺服電機及其驅動器等組成，是人機交互系統的執行機構，用于驅動并實現設備功能的轉換。智能交互模塊由光線傳感器、無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）器等構成，是人機交互系統的感知元件和神經中樞，實現設備對周圍環境的感知和智能化控制，如圖3所示。

圖3 人機交互系統框架設計

2.4 系統三維設計

基于上述設計計算，應用SolidWorks 2016軟件進行框架、氣缸翻轉組件、LED燈組、雨棚模塊等組件的三維建模，并實現設備的整體裝配。三維裝配效果如圖4所示。

圖4 多功能戶外照明設備三維裝配圖

3 結語

面向智慧城市建設的整體需求，基于“照明+座椅+人機交互”的總體設計方案，本研究完成了多功能戶外照明設備的結構設計，建立了設備三維裝配圖，并對智能化人機交互系統進行了整體設計，大大提升了戶外照明設備的功能性。研究成果在滿足智慧城市建設、提高城市公共服務能力等方面，具有重要參考意義和推廣價值。