高层玻璃幕墙自动清洗装置设计

付家林 王文东 陈海涛 贾华坡

（郑州科技学院 机械工程学院，河南 郑州450064）

随着建造技术的发展和社会的进步，越来越多的城市地标建筑都在采用特殊的外部构型以给人们留下深刻的印象，但特殊的外部构型给自动清洗设备提出更高、更严格的要求[1]。目前大部分高楼玻璃幕墙的清洁由人工完成，这种方式不仅效率低，而且工人也会非常的危险[2]。大量学者针对高层玻璃幕墙清洗设备进行了开发，提出了绳牵引式清洗装置、清洗机器人和CLBL 型壁面清洗爬壁机器人等[3-6]，虽然能够满足相应的清洗要求，但使用成本高昂、清洗效率低下、功能单一、不能适应复杂环境下的清洗任务。

针对目前存在的问题，本文提出应用SolidWorks 三维软件设计出一套玻璃幕墙自动清洗装置，该装置分为两部分：一是垂吊在大楼玻璃幕墙外部的清洗装置，为该装置主体部分；二是位于建筑物顶端的辅助设施，包括供电电源、供水水泵、以及操控台。通过卷扬机收放绳索实现主体清洗装置在清洗表面的上下移动，装置四角安装的缓冲辅助越障导向轮既能引导主体清洗装置的上下运动也能起缓冲作用，可防止主体清洗机与清洗表面发生磕碰又能辅助主体清洗机越过障碍。该设备能够适应各种复杂环境的清洗要求，将工人从高危的工作环境中解放出来，改变当前城市玻璃幕墙清洗自动化水平落后的局面，解决人工清洗危险性大、效率低和成本高等问题。

1 整机设计

本清洗装置由主体清洗装置、辅助设施、PLC 控制系统组成，清洗装置整体示意如图1 所示。其中，主体清洗装置设计有垂直于清洗面的可伸缩、易更换的旋转刷盘、涵道风扇、缓冲辅助越障导向轮如图2 所示。辅助设施包括供电电源、供水水泵、以及操控台等如图3 所示。

图1 清洗装置整体示意图

图2 主体清洗装置

图3 辅助设施

清洗装置具有四大功能：清洗功能、移动功能、风干功能、越障功能。清洗功能通过自主创新设计的可伸缩、易更换的旋转刷盘垂直于清洗表面旋转清洗；移动功能通过辅助设施的卷扬机收放绳索实现主体清洗装置的上下运动，通过辅助设施的平行移动带动主体清洗装置的横向移动；通过涵道风扇的高速气流对清洗表面快速风干，防止由于水分导致的灰尘沾染；借助涵道风扇垂直于清洗表面的反作用力和缓冲辅助越障导向轮的配合越障方案实现主体清洗装置的轻松越障。

2 清洗装置主要部件设计

2.1 旋转刷盘设计

采用独特的垂直于清洗表面的可伸缩式旋转刷盘进行旋转清洗，不仅能够清洗玻璃，还能够对瓷砖外墙、普通外墙、有凹凸造型的复杂外墙进行清洗。刷盘主要有波纹管、连接管和上下轴承底座等组成（如图4），具有可伸缩性以适应复杂工况的作业要求，结构简单、实用，且该刷盘与目前市面上洗地机清洗刷盘具有一定通用性。此设计至少有以下两大优点：（1）能够与平整表面以及凹凸不平的表面良好接触进而进行清洗工作；（2）此种设计也使得刷盘易于更换，在清洗粗糙度不同的外墙时可更换不同种类的刷盘。

图4 旋转刷盘

2.2 涵道风扇设计

涵道风扇设计有低风阻电机基座连接支架、高效率三叶碳纤维螺旋桨、大功率无刷电机和低风阻安全罩网，如图5 所示。通过控制涵道风扇桨叶的顺时针转动与逆时针转动来控制主体清洗装置垂直于清洗面方向上的移动，在主体清洗装置处于相对于外墙内凹的窗户下沿时可以通过涵道风扇给主体清洗装置一个沿垂直于清洗面向外的力，将主体清洗装置拉出相对于外墙内凹的窗户下沿方便主体清洗装置继续向下运行，使得清洗工作连续高效进行。

图5 涵道风扇

2.3 缓冲辅助越障导向轮设计

缓冲辅助越障导向轮（如图6）由导向轮、支撑部分和上、下限位杆组成，在起到移动、导向作用外，还具有越障作用。主体清洗装置是由上垂直向下施放，由于重力作用当轮子遇到凹陷处时会碰到上限位杆，而当轮子接触到凹陷的边缘时会由于阻力作用向下限位杆运动，最终在下限位杆的阻挡下使轮子与障碍有一个最优的越过角，进而帮助主体清洗装置越过障碍。

图6 缓冲辅助越障导向轮

3 结论

基于SolidWorks 三维软件设计的高层玻璃幕墙自动清洗装置具有可靠性高、适用性广等优点，无需在大楼施工时预先安装轨道；其具有的越障、风干作用对于不同工作环境适应性强，不需在特定材料表面工作；整机结构紧凑、体积小和模块化结构设计便于安装、运输、维护更换。因此，本设计的高层玻璃幕墙自动清洗装置具有广阔应用前景。