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      新型高樓幕墻清洗機器人的研制及安全性分析

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-26 06:34:38    瀏覽次數:9    評論:0
      導讀

      當今世界各地的現代化都市中,越來越多的高樓建筑都采用玻璃幕墻裝飾,且逐漸成為現代都市建筑的一種象征。為了保證玻璃幕墻的清潔美觀,同時解決人工清洗方式帶來的工作條件危險、清洗效率低以及雇傭成本高等諸多問題,對全自動化高樓清洗機器人的研制提出了更高的要求。目前在高樓清洗機器人的研發領域,對清洗機器

      1 引言

      當今世界各地的現代化都市中,越來越多的高樓建筑都采用玻璃幕墻裝飾,且逐漸成為現代都市建筑的一種象征。為了保證玻璃幕墻的清潔美觀,同時解決人工清洗方式帶來的工作條件危險、清洗效率低以及雇傭成本高等諸多問題,對全自動化高樓清洗機器人的研制提出了更高的要求。

      目前在高樓清洗機器人的研發領域,對清洗機器人的吸附方式、移動機能和清洗機能研究較多,例如文獻[1-4]研究了真空吸附、推力吸附和磁吸附等吸附方式;文獻[5-7]研究了履帶式、腿足式和多層框架式等移動方式;文獻[8-10]研究了水射流清洗、機械力清洗、激光清洗等清洗方式;但針對不同高度的建筑樓層,由自然風力和建筑群體結構引起的空氣動力學問題研究較少?;贔LUENT對在高空作業下的清洗機器人進行空氣流體分析,并結合真空吸盤吸附方式,研制出了適合不同高度下的全自動清洗機器人,同時該機器人具有結構合理、操作簡單和高空作業過程更加安全等特點。

      2 總體方案設計

      2.1 整機的原理

      該新型高樓幕墻清洗機器人主要包括樓頂輔助機和清洗機兩部分。機器人全局清洗幕墻運動與樓頂輔助機的運動相互結合,具有輔助機控制清洗機器人的升降、橫向移位和壁面牽引移動等運動功能模塊和清洗機控制旋轉擦洗、平面擦洗、吸壁移步以及刮水等功能模塊。整機采取空間多自由度的機械系統,結構緊湊,合理可靠,增加了工作的靈活性。整機的具體運動簡圖,如圖1所示。

      圖1 清洗機器人的運動簡圖
      Fig.1 The Motion Diagram of Cleaning Robot

      整機動力源采用直流電機與氣缸驅動方式;控制模塊包括機械控制、電子控制和氣動控制三個部分。具體工作過程為:清洗機器人開始清洗幕墻時,高空清洗機位于幕墻頂端一側,在樓頂輔助機升降機構、同步帶傳動機構及曲柄滑塊機構的共同作用下,使機器人內部的滾筒刷和平面刷實現豎直和水平方向雙重清洗;位于機器人底部的兩組吸盤,通過往復地吸壁及移步動作,實現了擦洗及擦洗速度的勻速控制。當清洗機器人運動到玻璃幕墻底端時,其位置信號被底端的傳感器接收,單片機編程控制結束一列的玻璃幕墻清洗工作。此時真空吸盤氣壓釋放,所有吸盤處于脫壁狀態,彈性萬向輪伸出,樓頂輔助機帶動清洗機器人橫向移動,移動結束后由樓頂輔助機升降機構牽引清洗機器人快速上升,當到達玻璃幕墻頂部時,上端的位置傳感器接收并反饋信號,使樓頂輔助機停止向上牽引,此時機器開始另一列的清洗工作。上述工作過程不斷循環、往復,最終達到幕墻完全清洗的目的。另外,清洗機上還設有刮水裝置和污水回收箱,不僅可讓幕墻不留水漬,而且避免了二次水污染,使幕墻清洗后變得更加清潔明亮。

      2.2 移動機能

      2.2.1 樓頂輔助機的移動控制

      樓頂輔助機控制清洗機器人的升降運動、橫向移動、縱向按壓和壁面牽引移動等多種運動,其具體運動控制方式為:當機器人在豎直方向進行清洗工作時,利用樓頂輔助機內的單片機控制其在豎直方向上進行往復移位清洗;在清洗機器人結束豎直方向上的清洗工作后,通過樓頂輔助機水平運動控制清洗機器人水平移位運動,以實現對整個玻璃幕墻的全方位清洗工作。整個過程中,樓頂輔助機采用鏈傳動方式完成對清洗機的水平控制。樓頂輔助機的運動控制,如圖2所示。

      圖2 樓頂輔助機的運動控制示意圖
      Fig.2 The Movement Control Schematic of Roof Auxiliary Machine

      2.2.2 高樓幕墻清洗機器人的移動控制

      高樓幕墻清洗機器人在玻璃幕墻上的水平與豎直移動功能的控制方式為:當清洗機器人進行豎直與水平方向移動時,由執行氣缸和電磁閥聯合控制的兩側彈性萬向輪同時伸出,使擦塊和吸盤脫離墻面,此時萬向輪可沿著玻璃幕墻滾動,確保清洗機器人在樓頂輔助機控制下朝幕墻不同方位進行定向移動;在清洗工作過程中,由單片機控制的兩側萬向輪自動收起,保證清洗機器人的正常工作。清洗機器人的的運動控制,如圖3所示。

      圖3 高空清洗機的的運動控制示意圖
      Fig.3 The Movement Control Schematic of High Altitude Ceaning Machine

      2.3 清洗機能

      為提高機器人的清洗效率,本款新型高樓幕墻清洗機器人具備了一種集滾動刷擦洗、平面刷擦洗于一體的復合清洗的優點。其清洗機構原理,如圖4所示。直流電機3通過聯軸器4和圓錐齒輪機構5同時驅動曲柄滑塊機構1與同步帶輪6傳動;膠棉擦塊安裝于滑塊1上,以實現往復滑動擦洗運動;固連在從動帶輪的滾筒8外表面裝有特別縫制的高級棉布刷,經過上一道擦洗工序后,滾筒刷再次連續旋轉擦洗。清洗機構原理圖,如圖4所示。

      圖4 清洗機構原理圖
      Fig.4 The Principle Diagram of the Cleaning Mechanism

      2.4 吸附機能

      為保證機器人在不同高度下工作的安全性,其吸附方式的設計變得尤為重要。本款新型高樓幕墻清洗機器人的吸附機能設計方案為:采用兩副移動導軌和安裝于底端兩側的八個真空吸盤,并由移動導軌保證機器始終吸緊幕墻,來實現機器人勻速下降的功能。八個真空吸盤的控制是通過氣動回路和單片機程序來完成。使用行程開關限位裝置和單片機程序控制方式,實現機器人的交替吸壁及移步功能。換步行走示意圖,如圖5所示。

      圖5 換步行走示意圖
      Fig.5 Change Walking Diagram

      3 清洗機器人的安全性分析

      清洗機器人在高空工作過程中,受自然環境因素影響較大,一般在惡劣自然環境中使用較少,因此忽略較為惡劣的自然環境因素,著重分析自然狀態下空氣流對此機器人工作安全性的影響。

      新型幕墻清洗機器人的研制共采用八個真空吸盤,根據換步行走的設計要求將其分為兩組。在清洗玻璃的整個過程中,真空吸盤產生的吸附力使清洗機器人始終保持著緊貼幕墻的狀態。為保證清洗機器人在高空作業下的安全性,以下計算了不同高度下需求的真空吸盤尺寸。吸盤的尺寸受高空中風力大小影響較大,在工作過程中,吸盤和壁面不能發生相對移動,因此進行分析時將正常吸附狀態視為靜力平衡狀態[11]??紤]到清洗機器人在高空工作時,迎風面受到的風力為最大影響外力,根據清洗機器人在迎風面下的最大傾覆力矩求得吸盤的適合尺寸,可保證清洗機器人安全、穩定的工作。計算分析機器人所受風力時,首先通過相關的經驗公式進行理論推導,其次結合FLUENT軟件模擬空氣流對吸盤吸附力的影響環境,然后根據仿真結果與理論計算值進行對比驗證,最終得出滿足設計要求的真空吸盤尺寸,以保證新型幕墻清洗機器人工作過程的安全穩定。

      3.1 高空作業所受風力的推導

      風力等級估計風速公式[12]

      高度為h1處的風速得出任意高度為h2處的風速:

      機器人受到風壓為:

      吸盤受到的風力為

      由以上公式,推導出風力公式:

      式中:U—風速,m/s;F—風力等級;U1—高度為處的風速,m/s;U2—高度為處的風速,m/s;V—機器人附近最高風速,m/s;P—風壓,kg/m2;A—物體垂直于風向的迎風面積,m2;f—物體所受的壓力,N;G—重力加速度,9.8m/s2。

      假定機器人10m處受到的最高風力等級為5級(蒲氏風力等級表),機器人迎風面積A為1m2,由以上公式計算可得50m處的風力大小為102.6N,100m處的風力大小為135.3N,150m處的風力大小為159.2N。

      3.2 FLUENT流體仿真分析

      3.2.1 模型的簡化與建立

      為了保證全面準確的反映清洗機器人復雜的實體外形特征,同時使復雜的三維實體模型得到合理簡化,在不影響所要求的分析精度下,對清洗機器人三維實體模型進行了適當的簡化;將一種方便空氣流對清洗機器人產生作用力的外形替代原清洗機器人的復雜外形模型;并直接使用GAMBIT軟件進行此二維模型繪制。風力作用下的簡化二維模型,如圖6所示。這樣可以減少計算時間,提高計算效率,同時保證了分析精度。

      圖6 清洗機器人二維模型
      Fig.6 The Cleaning Robot Two-Dimensional Model

      3.2.2 網格劃分

      計算域建模完成之后,利用ANSYS對模型進行網格劃分。網格化時采取四面體網格劃分,為了劃分比較整齊的結構化網格,必須將計算區域分割成兩個部分。在靠近機器人側面附近區域,則加密網格劃分,在遠離機器人側面則網格較稀疏,網格劃分效果,如圖7所示。

      圖7 網格劃分效果圖
      Fig.7 Mesh Rendering

      3.2.3 仿真各參數及邊界條件的設定

      仿真中采用空氣為默認流體,考慮到流體的壓縮效應和熱物理特性隨溫度變化,仿真中采用Sutherland定律求粘性,即:

      式中:μ—對應溫度下的空氣粘度;μ0—對應于參考溫度下的參考粘度;TS—薩瑟蘭常數。

      對于可壓縮流體,習慣將物性設為隨溫度而變化,為了簡化模擬,將熱傳導率和定壓比率設為常數;同時將工作壓力值設為101325。將計算域的任意一側設為速度進口邊界條件,將清洗機器人的上、下兩個任一側面設置為受力的邊界條件,同時設置壓力遠場邊界條件,仿真選擇pressure-far-field邊界類型,設定馬赫數為0.20,流體的初始攻角設為0°,每次以5°增加,當攻角設置為90度時停止整個計算過程。

      3.2.4 仿真求解

      在攻角從0°逐漸變化至90°的仿真過程中,每次求解計算時設置迭代步數為5000次,迭代達到默認收斂標準后停止。

      3.3 仿真結果及分析

      根據設定的各種邊界條件及調研目前都市高樓建筑群的高度特征的情況,仿真過程中選取50m的高度特征,在此高度下,通過FLUENT模擬,每次記錄清洗機器人在不同的攻角側面受到風力值大小,具體,如表1所示。由表1的結果數據清晰的得出:清洗機器人在不同攻角下所受的風力值大??;在攻角為60°時,側面受到的風力最大,其最大值大小為112.56N,同時繪制得出側面所受風力隨攻角的變化曲線圖。具體,如圖8所示。

      表1 不同攻角下所受的風力值
      Tab.1 Wind Force at Different Angles of Attack

      圖8 側面所受風力隨攻角的變化曲線
      Fig.8 Side by Wind Power Curve Along with the Change of Angle of Attack

      由圖8得出:在不同的攻角風力作用下,清洗機器人迎風面受到最大風力呈現出單峰狀規律,由此可見自然風對清洗機器人在幕墻上工作時會產生不利的影響,同時給出仿真計算過程中的計算殘差圖,取受到最大風力下的計算殘差圖,具體,如圖9所示。

      圖9 所受最大風力的計算殘差圖
      Fig.9 The Calculated Residuals of the Maximum Wind Force

      由圖9的計算殘差圖表明其仿真結果的可靠性高。因此在設計研制此清洗機器人時,須充分考慮其高空作業下的安全性,這樣有助于研制出工作更為安全的清洗機器人。

      3.4 實際所需吸盤的安全尺寸

      根據FLUENT仿真分析結果,并結合經驗公式計算值,對比得出兩者的計算結果基本相符,因此根據最大傾覆力矩得出每個吸盤最小的吸附力。設機器人在不同高度下受到的風力為F1,在最大風力影響方向上取仿真分析結果和經驗公式計算結果中較大的值,設一組吸盤正常工作時產生的真空吸附力為F2和F3,機器人所受風力到機器人對稱中心的力臂為L1,吸盤正常工作時產生的真空吸附力到對稱中心的力臂分別為L2和L3,根據樣機尺寸,L1取值為0.5m,L2、L3取值均為0.3m。

      根據力矩公式,得出在高樓建筑特征在50m高空處,每一個吸盤須產生的最小為85N的真空吸附力;在100m高空處,每一吸盤須產生最小為112.7N的真空吸附力;在150m高空處,每一吸盤最小須產生152.2N的真空吸附力,由此才可確保清洗機器人在不同高度中遇到強風時始終保持正常的工作狀態。則真空吸盤的直徑為:

      式中:P—吸盤的真空壓強,根據實際情況取得0.5MPa;F—單個吸盤的真空吸附力,N;A—吸盤的有效面積,一般取吸盤實際面積的80%,mm2;D—吸盤的實際直徑,mm;S—安全系數,取值2。

      代入初始數據:解得50m處吸盤直徑D1=23.26mm;100m處吸盤直徑D2為26.7mm;150m處吸盤直徑D3=31.1mm。根據吸盤的規格標準[12],選取吸盤直徑D1應選取直徑為30mm的真空吸盤;吸盤直徑D2應選取直徑為30mm的真空吸盤,吸盤直徑D3應選取直徑為40mm的真空吸盤,則可以滿足清洗機器人在不同高度時的設計要求。

      4 實驗驗證

      根據設計方案和數值計算結果,制作出一臺適用于50m以下幕墻高度的原型樣機,外觀,如圖10所示。

      圖10 原型樣機圖
      Fig.10 Prototype Diagram

      對此原型樣機進行室外模擬全自動清洗工作過程。下面設置實驗條件:(1)由于受場地限制,整個實驗過程在高度50m以下的玻璃幕墻進行;(2)結合文中安全性計算與FLUENT仿真模擬50m以下的自然風環境得出的機器人側面受到的風力,采用吸盤的安全直徑大小為30mm;(3)為了防止天氣風力大小的偶然性,室外模擬實驗時間為多天連續。

      實驗結果:經過多天的室外實驗模擬觀察,原型樣機工作安全,沒有發生掉落現象,同時發現此原型樣機清洗面積速度達到0.3m2/s;在實現復合式清洗功能提前下,此機器人的清洗部位始終對幕墻保持了恒定的壓緊力。另外,原型樣機可對洗滌污水進行收集,減少水源浪費。樣機上安裝的高清攝像頭和單片機模塊可同步觀察和控制整個實驗過程,以保證清洗效果。通過原型樣機實驗結果,進一步驗證了機器人在清洗幕墻時能夠按照預定的程序完成各項規定動作,并能實現穩定、安全、高效的清洗工作。

      5 結語

      針對高層建筑玻璃幕墻引發的清洗問題,研制了一款新型高樓幕墻清洗機器人,并通過對清洗機器人的工作穩定性計算分析得出以下結論:(1)根據現有清洗機器人的結構特點,結合了本清洗機器人移動、清洗和吸附三個方面機能對其進行設計,其多自由度的空間結構保證了運動的靈活性;(2)利用FLUENT模擬自然風環境,對新型清洗機器人中的真空吸盤的尺寸大小進行校核,保證了清洗機器人高空作業的安全性;(3)根據經驗公式推導得出所需真空吸盤的大小,與FLUENT仿真結果對比,最終得出真空吸盤的直徑尺寸,使該清洗機器人能夠適應于多高度的樓層建筑;(4)通過制作原型樣機實驗驗證了模擬仿真結果的正確性;同時發現這款新型清洗機器人兼具清洗效率高、操作方便靈活、自動化與實用化程度高等性能特點,為今后此類機器人的研制提供了參考價值。

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      (文/小編)
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