一種矮層玻璃幕墻清洗裝置設計

鄒修敏，李 磊，郝紅梅，陳 麗

(四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646300)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，工作和生活環境越來越美好，新的建筑材料層出不窮，由于玻璃采光及保溫防潮性能較好，因此建筑用玻璃越來越被廣泛應用。以玻璃幕墻為主要裝飾材料的摩天大樓正在迅速崛起，雖然玻璃幕墻美化了環境，但是玻璃幕墻清洗的高成本及高風險性成為市政清潔的一大難題，傳統的清洗方式都是人工通過“搭塔架”、“吊籃”、“蜘蛛人”等人工清洗作業，工人不但要克服巨大的心理恐懼，而且成本高、效率低、存在安全隱患，且在對幕墻進行清洗時對出入玻璃幕墻建筑物的人們帶來出行不便，基于此，研發一種適合當今社會建筑發展、性能好、特點鮮明、作業安全可靠的幕墻清洗裝置非常必要。

目前玻璃幕墻清洗方面有很多方法，各有其特點,目前清洗機器人主要有真空吸附式、負壓吸附式、仿生壁面式等幾種[1]。田靜眉[2]在真空吸附式壁面清洗機器人方面進行了研究，提出了構型的基本原則，探索了其設計原理，但由于真空吸附式幕墻清洗機器人需要很長的真空發生器長管，這增加了機器人附加負載，因此機器人爬行高度受到了限制，導致此類機器人不能清洗高層建筑玻璃。劉 凌[3]對玻璃幕墻清洗機器人攀爬的結構原理、真空吸附墻面的具體性能要求、多吸盤真空吸附等方面進行了研究，但仍然存在結構復雜，負載不大，清洗受到限制等缺陷。邵浩[4]等人研究了負壓吸附式機器人結構、設計了負壓產生裝置、控制及驅動系統，由此可以看出負壓吸附式對密封性有較高的要求，且結構復雜，成本高，推廣應用有一定難度。王妹婷[5]研制了履帶式磁吸附爬壁機器人，主要采用履帶結構，實現機器人爬壁動作。李芳麗等[6]研究了高空玻璃幕墻清洗機器人的設計，主要從主體設計、控制分析、仿真分析進行了理論分析，但未制作出樣機，效果無法得到檢驗，仿生壁面式對吸附材料要求高，成本和開發難度大，這些都不太適合矮層玻璃幕墻的清洗，因此對于矮層玻璃幕墻清洗需要安全、清洗方便、成本低廉的清洗裝置。

此次提出的簡易清洗裝置，其設計方案是通過自動控制模式，設計清洗劑自動噴灑裝置、清洗劑自動收集清裝置、清洗頭自動移動裝置，目的是降低成本、減少環境污染，降低安全風險。有較好的經濟效益和社會效益。

1 清洗流程介紹

所設計玻璃幕墻簡易清洗裝置主要包括滾刷裝置、噴淋裝置、污水回收裝置以及潔面裝置等組成，為了高效清洗矮層玻璃幕墻，采用成本低廉、操作簡單的玻璃清洗器，其清洗流程如圖1所示。通過泵將清洗液從貯槽輸送到噴淋裝置，利用泵送壓力噴灑在待清洗幕墻上，并利用滾刷裝置除去玻璃幕墻的污染物，達到清潔幕墻的目的；清洗幕墻的污液通過回收管收集到回收貯槽，再通過過濾凈化輸送到清洗液貯槽，達到循環使用，既節約成本，又減少環境污染。

圖1 玻璃幕墻清洗流程

2 總體結構設計方案

低層玻璃幕墻清洗機構主要由立柱、上下移動系統、左右移動系統、清洗液輸送系統、清洗系統、污液回收系統組成，如圖2所示。

圖2 清洗機構整體方案示意圖1.定滑輪 2.滾刷裝置 3.牽引鋼絲繩 4.清洗液回收管 5.卷揚機 6.電機Ⅰ 7.回收液貯槽 8.移動小車 9.清洗液貯槽 10.電機Ⅱ 11.泵 12.清洗液輸送管 13.清洗裝置 14.立柱

2.1 清洗裝置移動系統結構設計

為了使清洗系統移動而達到清洗整個玻璃幕墻的目的，清洗系統的上下移動是通過卷揚機5帶動鋼絲繩3運動，鋼絲繩3固定在清洗系統上，通過鋼絲繩運動帶動滾刷系統和清洗裝置上下移動，如圖2所示。當清洗系統需要向上運動運動時開啟卷揚機，當需要向下運動時，利用清洗裝置等的自重自行下降，下降速度任由卷揚機控制。

當需要清洗裝置水平移動時，可以移動移動小車8達到，由于整個裝置結構簡單、重量輕，因而水平移動小車可以設計成人工推動方式完成清洗系統的左右移動。

2.2 清洗輸送系統結構設計

如圖2所示，清洗輸送系統由電機10、泵11和輸送管12組成。工作時通過電機10帶動泵11運動，將清洗液通過管12輸送進清洗系統13，達到清洗目的。電機10、泵12和輸送管13均選用標準件，無需自行設計。

2.3 滾刷裝置的設計方案

如圖3所示，滾刷裝置是由兩個平行的滾刷筒(7和9)、電機2、齒輪減速器(1和5)等組成。滾刷筒7、9的圓柱表面開有很多小孔，清洗液通過泵送入進滾筒內，然后利用表面小孔噴灑在玻璃幕墻上；滾刷筒表面套一層孔隙率較高的絨布，通過電機2、減速裝置帶動滾刷筒旋轉，滾筒表面高孔隙率絨布與幕墻接觸，在泵入壓力和旋轉滾刷筒離心力的共同作用下將清洗液甩灑在玻璃幕墻上，并利用滾筒外表明的絨布與幕墻摩擦接觸，從而達到清洗的目的。

圖3 滾刷裝置結構設計示意圖1.齒輪Ⅰ 2.電機Ⅲ 3.蝸桿渦輪 4.齒輪 5.齒輪 6.絨布 7.滾筒Ⅰ 8.絨布 9.滾筒Ⅱ

清洗幕墻時為了不損壞玻璃，滾刷筒表面敷上一層孔隙率較高的絨布或者高分子材料，如圖4所示；清洗時間較久后，滾筒表面的絨布或者高孔隙率的高分子套筒可能損壞，可通過更換的方式解決，這樣既降低了成本，又不至于損壞玻璃幕墻的玻璃。

圖4 滾刷筒設計示意圖

2.4 污液回收系統設計方案

為了減少清洗液污液對環境的污染，需要對污液進行回收處理，達到循環利用利用的目的。如圖5所示，幕墻清洗后的清洗液是通過滾筒1、2將拋灑在玻璃幕墻5上，利用滾筒表明絨布與幕墻接觸達到清洗目的，清洗液被收集在收集箱3內，在液體重力作用下通過出口4以及與4連接的回收管流入回收液貯槽內，回收的清洗液通過過濾后輸入清洗液貯槽內，達到循環使用，清洗系統是整個幕墻清洗器的關鍵裝置，它主要由滾刷筒裝置、滾刷筒動力驅動裝置、清洗液回收裝置組成。

圖5 清洗液回收系統

3 立柱結構設計及強度計算

3.1 立柱質量計算

兩根立柱選用材料為Q235、規格為φ40×3的鋼管，其許用應力為[σ]=113 MPa，主要用于支撐和承受清洗裝置，本機構主要用于4層及以下樓層的清洗，取4層樓高為20 m，所以每根立柱質量為：

G=h×A×ρ

(0.040-0.034)×7.85

=0.0547(t)=54.7 kg

因此在搭建時靠人工方式完全能夠完成，為了便于攜帶和運輸，可以作成可拆卸式的兩段或者三段，在清洗現場進行組裝，其結果如圖6所示。鋼管1、3與連接頭2采用間隙配合，以便于隨時拆卸和安裝，當清洗完畢后進行拆卸以便于運輸；如此的結構簡單，裝拆、運輸方便，重量輕，具有很大的優點。

圖6 可拆卸接頭結構1.鋼管 2.連接頭 3.鋼管

3.2 立柱強度計算

立柱主要承受定滑輪、鋼絲繩、清洗裝置、清洗液、清洗管等的重量，其所承受的總質量為：

G=G定滑輪+G鋼絲繩+G滾刷裝置+G清洗裝置+G清洗液+

G清洗管+G其它

(1)

式中：G定滑輪預估為2 kg；G鋼絲繩=長度×單位長度質量20×2=40 kg；G滾刷裝置預估為10 kg；G清洗裝置預估為10 kg；G清洗液=V×ρ=πr2Lρ=3.14×0.012×20×1000=6.28 kg；G清洗管預估5 kg；G其它預估為2 kg。

將以上重量帶入式(1)，計算總質量為：

G=2+40+10+10+6.28+5+2=75.28 kg

以上質量將全部由2根φ40×3立柱承受，每根立柱承受約為38 kg，這些載荷使立柱受壓和彎曲作用，因此立柱受到壓應力和彎曲應力，為了方便計算，假設偏心載荷引起應力為質量載荷引起應力的50%，立柱內側受到壓應力和彎曲應力綜合作用，因此內側的壓應力為：

=160.4 N/cm2=1.6 MPa<[σ]

根據計算結果，強度完全滿足要求。

4 結 語

矮層玻璃幕墻清洗需要攜帶方便、便于裝拆、成本低廉的清洗裝置，此次通過調研和查閱資料，設計了清洗裝置總體結構、立柱結構、移動裝置、輸送系統、滾刷系統、清洗液回收系統等，該裝置可用于低于4層樓、最高可達20 m左右高度的玻璃幕墻的清洗，結構簡單、裝拆方面、便于攜帶，制造成本和使用成本低廉，具有較好的市場前景。