一种广告清洗机模拟装置模块化设计与实验分析

郑 特，谌炎辉，蒋国平

（1.广西科技大学机械与交通工程学院，广西 柳州 545006；2.重型车辆零部件先进设计制造教育部工程研究中心（广西科技大学），广西 柳州 545006）

1 引言

清洗机的设计水平在很大程度上反映了清洗技术的发展水平。学者们对清洗技术进行了大量深入地研究，各类型清洗机也相继被研制出来。文献[1]研制了一款电动高压清洗机（2000PSI），并验证了该机的结构合理性和可行性；文献[2]学者研制了一款小型家用高压清洗机，该机经过压力测试、流量测试、清洗实验，证明了该设计的合理性；文献[3]设计了一款高压水射流清洗机，该机是依据液压原理进行设计，作者从清洗泵的结构设计、主要参数的计算以及系列化等方面介绍了其设计过程。设计柱状墙面广告清洗机的主要目的是要将各类柱面物体上粘贴的小广告最大限度的清除干净，而影响广告清洗机工作时清洁效果的几大关键因素有[4−5]：清洗机绕柱转速值、清洗机毛刷转速值、毛刷与柱状墙面接触距离等。因此，在研制柱状墙面广告清洗机时要充分考虑到这几个影响清洁效果的参数值，并且要对其进行有效控制，测算出最合理的参数范围值，从而达到较高的清洗效果。为了解决以上清洗参数的测定问题，通过模块化方法制作了一台清洗机模拟实验装置。

2 实验装置模块设计

2.1 总方案设计

该装置主要用于模拟柱状墙面广告清洗机在圆柱形表面清洗时的运动情况，其具体模拟的有以下三个方向的运动：（1）机体围绕柱状墙体的圆周运动ω1；（2）机体毛刷的自身旋转ω2；（3）机体沿墙面的相对运动v1。根据以上需要，设计了实验装置方案，其原理图，如图1所示。

图1 设计原理图Fig.1 Design Schematic

实验装置主要划分为柱状墙体模块、毛刷组件模块、滑动模块和其它支撑模块组成。在清洗机的实际应用中，柱形墙体是固定不动的，而广告清洗机则是围绕着柱形墙体进行圆周运动。因此，在方案设计时，采用运动相对性原理，使用交流电机驱动柱状墙体、软质毛刷模块部分同时进行旋转运动，从而模拟实际广告清洗机围绕柱状墙体旋转的运动功能。此外，毛刷模块还有一个相对墙体的移动副，其移动方向如图1中V1所示。

2.2 各模块结构设计

2.2.1 墙体模块设计

为了更好的模拟广告清洗机绕柱旋转清洗运动状态，遂将柱状墙体设计成旋转运动，采用电机驱动圆柱形墙体主轴进行圆周运动，模拟墙体主轴结构，如图2所示。

图2 柱状墙体模块结构图Fig.2 Column Wall Module Structure

2.2.2 毛刷模块设计

把毛刷作设计为独立可移动的模块单元，目的是方便控制墙面与毛刷的接触距离。交流电机带动毛刷高速旋转，电机转速控制器可以调节电机转速，从而控制清洗时毛刷的转速值，辅助研究该值对广告清洗机清洗效果的影响。其结构，如图3所示。

图3 毛刷模块结构图Fig.3 Brush Module Structure

2.2.3 滑动模块结构设计

为了能够精确地调节毛刷构件表面与圆柱墙面的距离，设计了一组滑动机构。该机构安装有刻度尺用于精确测量两者之间距离参数。具体结构，如图4所示。

图4 滑动模块结构图Fig.4 Mobile Module Structure Diagram

各机构模块按照一定的约束规则装配完成后得到完整的模拟设备装配图，如图5所示。

图5 装配图Fig.5 Assembly Drawing

3 实物制作

通过生产加工、并将各模块进行组装后最终完成了模拟实验设备的实物制作，如图6所示。

图6 实验装置实物图Fig.6 Experimental Device Physical Map

4 实验及分析

利用制作好的模拟实验装置来研究清洗毛刷和柱状墙体转速之间的运动关系对清洗效果的影响[6]。在清洗实验中采用ω1表示清洗机绕柱状墙体的转速值、ω2表示毛刷自身转速值、l表示毛刷与墙体的接触距离，C表示清洁度，清洁度定义为：墙面上残留的广告体平面面积比上清洗前广告体总面积。采用清洁度C高低来评价清洁效果好坏并给出如下定义：（1）C≥0.9清洁效果为优秀；（2）0.8≤C＜0.9清洁效果良好；（3）0.7≤C＜0.8效果中等；（4）C＜0.7评为较差。由于清洗之后残留在墙体表面的碎片不规则，为了方便求出其面积，可以利用微元法原理，选取不规则平面上两条相互垂直的最大长度相乘作为不规则图形的近似面积，如图7所示。即A1=h1×h2，则清洁度为：C=1−A1/A。

图7 残留碎片测量方法图Fig.7 Residual Debris Measurement Method Diagram

实验时，将毛刷与墙面刚接触时即l=0mm规定为参考零点，毛刷远离墙体方向为正方向，反之为负方向。以零点位置开展第一组实验，实验中各项参数，如表1所示。

表1 l=0mm时各实验参数Tab.1 Experimental Parameters when l=0mm

调节毛刷机构与墙面接触距离l=−5mm时开展第二组实验，其参数，如表2所示。

表2 l=-5mm 时各实验参数Tab.2 Experimental Parameters when l=-5mm

调节毛刷机构与墙面接触距离l=−10mm 时开展第三组实验，其参数，如表3所示。

表3 l=-10mm 时各实验参数Tab.3 Experimental Parameters when l=-10mm

调节毛刷机构与墙面接触距离l=−15mm 时开展第四组实验，其参数，如表4所示。

表4 l=-15mm 时各实验参数Tab.4 Experimental Parameters when l=-15mm

对实验数据进行分析发现：当毛刷与墙面的接触距离值l在0mm到10mm范围内时，其清洁效果总体较优，而当l=5mm时清洁度为最优值。当转速相同的情况下，随着距离值l从0mm逐渐调节至15mm时，清洁效果呈先上升后下降的趋势，当l=5mm时清洁效果最优，l值超过10mm后清洁效果逐渐下降。变化趋势，如图8所示。

图8 趋势对比图Fig.8 Trend Comparison Chart

分析一系列清洗实验数据得知：当毛刷与墙面距离l保持不变，毛刷转速值ω2逐渐增加，清洁效果随着逐步上升，当达到一定转速后清洁效果趋于稳定。当墙体转速ω1为8到9rad/min时达到清洁度峰值，清洗毛刷转速ω2增至1250 rad/min时达到较好清洁效果，继续提升毛刷转速清洁效果无明显变化。因此，从节能减排、成本控制和清洁效果方面综合考虑，清洗机绕柱状墙体转速ω1取值范围应在（8~9）rad/min，清洗毛刷转速ω2取值为1250 rad/min时设计较为合理。

5 结论

为了使即将研制的柱状墙面广告清洗机能对圆柱形墙面具有良好的清洁效果，需要对其工作运行过程中的几个影响清洁效果的关键参数包括：清洗机自身绕柱转速值ω1、清洗毛刷转速值ω2和毛刷与墙面接触距离l，进行了分析测定。并通过模块化方法设计了一款模拟清洗实验设备，利用该设备进行了柱状墙面广告清洗机的模拟清洗实验。通过若干组实验数据分析，找到了一组能使清洁效果保持较高水平的参数范围值，为后续柱状墙面广告清洗机的研制提供了设计参数依据[7]。