一种矮层玻璃幕墙清洗装置设计

邹修敏，李 磊，郝红梅，陈 丽

(四川化工职业技术学院，四川 泸州 646300)

0 引 言

随着人们生活水平的提高，工作和生活环境越来越美好，新的建筑材料层出不穷，由于玻璃采光及保温防潮性能较好，因此建筑用玻璃越来越被广泛应用。以玻璃幕墙为主要装饰材料的摩天大楼正在迅速崛起，虽然玻璃幕墙美化了环境，但是玻璃幕墙清洗的高成本及高风险性成为市政清洁的一大难题，传统的清洗方式都是人工通过“搭塔架”、“吊篮”、“蜘蛛人”等人工清洗作业，工人不但要克服巨大的心理恐惧，而且成本高、效率低、存在安全隐患，且在对幕墙进行清洗时对出入玻璃幕墙建筑物的人们带来出行不便，基于此，研发一种适合当今社会建筑发展、性能好、特点鲜明、作业安全可靠的幕墙清洗装置非常必要。

目前玻璃幕墙清洗方面有很多方法，各有其特点,目前清洗机器人主要有真空吸附式、负压吸附式、仿生壁面式等几种[1]。田静眉[2]在真空吸附式壁面清洗机器人方面进行了研究，提出了构型的基本原则，探索了其设计原理，但由于真空吸附式幕墙清洗机器人需要很长的真空发生器长管，这增加了机器人附加负载，因此机器人爬行高度受到了限制，导致此类机器人不能清洗高层建筑玻璃。刘 凌[3]对玻璃幕墙清洗机器人攀爬的结构原理、真空吸附墙面的具体性能要求、多吸盘真空吸附等方面进行了研究，但仍然存在结构复杂，负载不大，清洗受到限制等缺陷。邵浩[4]等人研究了负压吸附式机器人结构、设计了负压产生装置、控制及驱动系统，由此可以看出负压吸附式对密封性有较高的要求，且结构复杂，成本高，推广应用有一定难度。王妹婷[5]研制了履带式磁吸附爬壁机器人，主要采用履带结构，实现机器人爬壁动作。李芳丽等[6]研究了高空玻璃幕墙清洗机器人的设计，主要从主体设计、控制分析、仿真分析进行了理论分析，但未制作出样机，效果无法得到检验，仿生壁面式对吸附材料要求高，成本和开发难度大，这些都不太适合矮层玻璃幕墙的清洗，因此对于矮层玻璃幕墙清洗需要安全、清洗方便、成本低廉的清洗装置。

此次提出的简易清洗装置，其设计方案是通过自动控制模式，设计清洗剂自动喷洒装置、清洗剂自动收集清装置、清洗头自动移动装置，目的是降低成本、减少环境污染，降低安全风险。有较好的经济效益和社会效益。

1 清洗流程介绍

所设计玻璃幕墙简易清洗装置主要包括滚刷装置、喷淋装置、污水回收装置以及洁面装置等组成，为了高效清洗矮层玻璃幕墙，采用成本低廉、操作简单的玻璃清洗器，其清洗流程如图1所示。通过泵将清洗液从贮槽输送到喷淋装置，利用泵送压力喷洒在待清洗幕墙上，并利用滚刷装置除去玻璃幕墙的污染物，达到清洁幕墙的目的；清洗幕墙的污液通过回收管收集到回收贮槽，再通过过滤净化输送到清洗液贮槽，达到循环使用，既节约成本，又减少环境污染。

图1 玻璃幕墙清洗流程

2 总体结构设计方案

低层玻璃幕墙清洗机构主要由立柱、上下移动系统、左右移动系统、清洗液输送系统、清洗系统、污液回收系统组成，如图2所示。

图2 清洗机构整体方案示意图1.定滑轮 2.滚刷装置 3.牵引钢丝绳 4.清洗液回收管 5.卷扬机 6.电机Ⅰ 7.回收液贮槽 8.移动小车 9.清洗液贮槽 10.电机Ⅱ 11.泵 12.清洗液输送管 13.清洗装置 14.立柱

2.1 清洗装置移动系统结构设计

为了使清洗系统移动而达到清洗整个玻璃幕墙的目的，清洗系统的上下移动是通过卷扬机5带动钢丝绳3运动，钢丝绳3固定在清洗系统上，通过钢丝绳运动带动滚刷系统和清洗装置上下移动，如图2所示。当清洗系统需要向上运动运动时开启卷扬机，当需要向下运动时，利用清洗装置等的自重自行下降，下降速度任由卷扬机控制。

当需要清洗装置水平移动时，可以移动移动小车8达到，由于整个装置结构简单、重量轻，因而水平移动小车可以设计成人工推动方式完成清洗系统的左右移动。

2.2 清洗输送系统结构设计

如图2所示，清洗输送系统由电机10、泵11和输送管12组成。工作时通过电机10带动泵11运动，将清洗液通过管12输送进清洗系统13，达到清洗目的。电机10、泵12和输送管13均选用标准件，无需自行设计。

2.3 滚刷装置的设计方案

如图3所示，滚刷装置是由两个平行的滚刷筒(7和9)、电机2、齿轮减速器(1和5)等组成。滚刷筒7、9的圆柱表面开有很多小孔，清洗液通过泵送入进滚筒内，然后利用表面小孔喷洒在玻璃幕墙上；滚刷筒表面套一层孔隙率较高的绒布，通过电机2、减速装置带动滚刷筒旋转，滚筒表面高孔隙率绒布与幕墙接触，在泵入压力和旋转滚刷筒离心力的共同作用下将清洗液甩洒在玻璃幕墙上，并利用滚筒外表明的绒布与幕墙摩擦接触，从而达到清洗的目的。

图3 滚刷装置结构设计示意图1.齿轮Ⅰ 2.电机Ⅲ 3.蜗杆涡轮 4.齿轮 5.齿轮 6.绒布 7.滚筒Ⅰ 8.绒布 9.滚筒Ⅱ

清洗幕墙时为了不损坏玻璃，滚刷筒表面敷上一层孔隙率较高的绒布或者高分子材料，如图4所示；清洗时间较久后，滚筒表面的绒布或者高孔隙率的高分子套筒可能损坏，可通过更换的方式解决，这样既降低了成本，又不至于损坏玻璃幕墙的玻璃。

图4 滚刷筒设计示意图

2.4 污液回收系统设计方案

为了减少清洗液污液对环境的污染，需要对污液进行回收处理，达到循环利用利用的目的。如图5所示，幕墙清洗后的清洗液是通过滚筒1、2将抛洒在玻璃幕墙5上，利用滚筒表明绒布与幕墙接触达到清洗目的，清洗液被收集在收集箱3内，在液体重力作用下通过出口4以及与4连接的回收管流入回收液贮槽内，回收的清洗液通过过滤后输入清洗液贮槽内，达到循环使用，清洗系统是整个幕墙清洗器的关键装置，它主要由滚刷筒装置、滚刷筒动力驱动装置、清洗液回收装置组成。

图5 清洗液回收系统

3 立柱结构设计及强度计算

3.1 立柱质量计算

两根立柱选用材料为Q235、规格为φ40×3的钢管，其许用应力为[σ]=113 MPa，主要用于支撑和承受清洗装置，本机构主要用于4层及以下楼层的清洗，取4层楼高为20 m，所以每根立柱质量为：

G=h×A×ρ

(0.040-0.034)×7.85

=0.0547(t)=54.7 kg

因此在搭建时靠人工方式完全能够完成，为了便于携带和运输，可以作成可拆卸式的两段或者三段，在清洗现场进行组装，其结果如图6所示。钢管1、3与连接头2采用间隙配合，以便于随时拆卸和安装，当清洗完毕后进行拆卸以便于运输；如此的结构简单，装拆、运输方便，重量轻，具有很大的优点。

图6 可拆卸接头结构1.钢管 2.连接头 3.钢管

3.2 立柱强度计算

立柱主要承受定滑轮、钢丝绳、清洗装置、清洗液、清洗管等的重量，其所承受的总质量为：

G=G定滑轮+G钢丝绳+G滚刷装置+G清洗装置+G清洗液+

G清洗管+G其它

(1)

式中：G定滑轮预估为2 kg；G钢丝绳=长度×单位长度质量20×2=40 kg；G滚刷装置预估为10 kg；G清洗装置预估为10 kg；G清洗液=V×ρ=πr2Lρ=3.14×0.012×20×1000=6.28 kg；G清洗管预估5 kg；G其它预估为2 kg。

将以上重量带入式(1)，计算总质量为：

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

以上质量将全部由2根φ40×3立柱承受，每根立柱承受约为38 kg，这些载荷使立柱受压和弯曲作用，因此立柱受到压应力和弯曲应力，为了方便计算，假设偏心载荷引起应力为质量载荷引起应力的50%，立柱内侧受到压应力和弯曲应力综合作用，因此内侧的压应力为：

=160.4 N/cm2=1.6 MPa<[σ]

根据计算结果，强度完全满足要求。

4 结 语

矮层玻璃幕墙清洗需要携带方便、便于装拆、成本低廉的清洗装置，此次通过调研和查阅资料，设计了清洗装置总体结构、立柱结构、移动装置、输送系统、滚刷系统、清洗液回收系统等，该装置可用于低于4层楼、最高可达20 m左右高度的玻璃幕墙的清洗，结构简单、装拆方面、便于携带，制造成本和使用成本低廉，具有较好的市场前景。