山东英才学院 山东 济南 250104
摘要：很多高等建筑一般采用的是玻璃外墙，空气污染又很严重。在我国，高层建筑外墙主要依靠清洁工人通过吊顶悬挂在空中，用简单的清洗工具清洁外墙。清洁高层外墙属于高危工作，且清洁难度大，工作强度高。为此本文设计了一种高层建筑外墙自动清洗机[1]。此清洗机主要分为清洗装置和固定装置。清洗装置利用十字架型机构，可自适应跨越障碍；并且通过风机施加推力贴合玻璃，自动喷出清洗液，进行无死角的清洁处理；固定装置采用双绳悬吊的方式，保证清洗装置在清洁过程中的稳定性。该清洗机能够完全代替人工进行高层建筑外墙的清洁，可以自适应一些特殊情况，不仅提高工作效率，还避免了人工作业的危险性。
关键词：清洁高层外墙、清洗机、清洗装置、固定装置
1 概述
从20世纪年代50起,高层建筑的外围护墙结构不再沿用传统的钻土砖砌体，代之以备受业主和建筑师青睐的玻璃幕墙，所谓玻璃幕墙是指悬挂在建筑主体结构上以玻璃为主要材料的外围护墙体。由于玻璃幕墙是以大面积玻璃作为建筑物的外墙面，能充分体现建筑师的想象力，展示建筑物的现代风格，并能充分发挥玻璃本身的特性，使建筑物显得别具一格。目前玻璃幕墙经成为现代城市的 一种标志。但是，令人烦恼的玻璃清洁问题也随之而来。
环境恶化加剧了玻璃窗面的污染过程，玻璃透光率减低5%人就能感受到，减低10%则明显地感到不清洁。风格迥异、造型独特的建筑物对玻璃幕墙清洁的要求愈来愈高，传统方式(人工吊板、人工吊篮)从技术层面上已经无法满足造型复杂、多变、个性化的建筑的清洗需要。何况从安全、清洗成本以及环境保护的层面来看，传统方式也存在诸多问题：比如“蜘蛛人方式极其不安全，因此逐渐受到政策的限制；人工吊篮的安全防护相对好一些，但仍缺乏安全感，效率较低；此外，它们的清洗方式都是粗放式的，水流喷涌，水花四溅，对水资源的浪费严重。
显然，玻璃幕墙清洁的出路在于自动化，自动化清洁正在成为市场需求，目前市场急需一种环境适应性强，效率高，续航能力强，清洗成本低的高层建筑幕墙自动清洗机。
本文设计了一种高层玻璃幕墙清洗机，该清洗机可分为清洗部分和固定部分，清洗部分主要针对高层外墙清洁机构与机械传动配合方式进行设计；固定部分包括底座、吊机、补给站和自动转向机构等四大部分。其结构三维模型如图1所示。
2. 高层建筑外墙自动清洗机的总体设计
1.1 清洗装置的结构设计
为了让清洗机在外墙中可以达到贴墙清洁的目的，参考扫地机器人的清扫模式，清洗机不仅要在外墙上实现清洗，还要达到行走的目的。由于高层建筑的外墙不同于平整的陆地，工作过程中难免会遇见窗棱等一些突起障碍物，因此，本文所设计的清洗机必须具备一定的跨越障碍能力。考虑完行走的问题，另一方面及是贴墙清洁，根据人工清洁状态可知，在清洁过程中，虽然工人是悬挂在外墙上，但其脚或者手都有一方与外墙接触。因为外墙外不可控因素较多，例如风向的转换，会使人出现旋转，无法正常进行清洁等。清洗机亦是如此，在清洁过程中，应保证机器的稳定性，因此本文提出贴墙机构的设计。
1.1.1跨障机构
高层外墙的主要障碍为一些窗棱等较小的障碍，根据跨障形式，一种方法是靠机械臂跨障如图2所示[2]。这种跨障机构由电脑智能控制，像人的手臂一样，灵活性很高，可实现智能跨越障碍。但其缺点相当明显，其结构复杂，加大了制作成本。并且安装形式不符合清洗机的设计。
另一种方法是支撑架旋转跨障机构如图3所示[3]，其方式简单，制作成本低，有绳索牵引，运作过程安全性比较高。但现在已有的支撑架旋转跨障机构存在一些缺点，在支撑架交换一次的过程中，清洗机的整体会随支撑架有很大的波动，这对于清洗机的清洗效果将会有非常大的影响。
通过以上跨障形式可以看出，目前存在的两种跨障形式都有其无法避免的弊端，影响着清洗机的正常工作，基于对以上跨障形式的研究，本文在支撑架旋转跨障机构的基础上引用一种新型的跨障形式—十字架跨障机构，如图4所示。
十字架跨障机构主要就是将毛刷分别设立在十字架的四个顶点上，毛刷包裹的从动轮与十字架的主动轮相连接，因此毛刷也可以达到独立旋转的目的，原理如图5所示。这样的好处是:毛刷在清洁过程中不是靠拖动来实现清洁，而是通过自身的旋转来清洁，即使整个清洗装置不移动，仍然可以达到清洁的目的：另一个优势是当碰到障碍时，一个毛刷被阻挡了，然后同一组的一个毛刷以被阻挡那个毛刷为支点，跨越障碍，继续前进。这时交换过程会遗漏一段墙壁，但是第一次做支点的毛刷会继续跟上，把遗漏的地方给清洗干净。这样，每遇见一次障碍物，洗刷墙壁的毛刷就自行更换一次。同时，还可以防止出现毛刷在清洗墙面的时候，毛刷被染脏，不能更换导致脏刷清洁脏墙壁，清洗之后仍不干净等问题。
1.1.2 贴墙机构
为使机器在光滑玻璃上行走，主要包含了两种方式。一种为吸盘式如图6[4]所示，主要是在适合的时间通过抽风机，利用气压压强的原理，将吸盘内的空气吸干，达到真空模式，使清洗机紧紧贴合在墙壁上。这种方法使清洗机结构大大简化，摆脱绳索的牵引。但这种方法对墙壁表面质量要求严格，如果墙壁某一处出现缝隙或者毁坏，将会造成吸盘漏气，清洗机丧失吸力或者吸力不够，可能会从高楼坠落在地，甚至可能会出现波及到人身安全的情况。
另一种方式为风压式如图7所示[5]，其机构简单实用，用绳索吊挂清洗机，清洗机携带风机，风机产生强风，使清洗机贴紧墙面。其最主要的缺点就是需要绳索吊挂，由于清洗机在清洁过程中需要清洁液等工具。但清洗机又不宜过大，因此本文采用添加吊机的方式来辅助清洗机清洁。
1.2 吊机的结构设计
清洗机的主要工作是清洗，同时根据前文的贴墙机构，本文在清洗机上面没有添加复杂的爬升机构。把清洗机的大部分空间都用来清洗，这样才能更大程度的增加清洗机的续航能力。因此本文把清洗机的上升和下降的牵引动力设计在吊机上面，这样就可以减少清洗机自身的设计复杂度，并且吊机的横向平移就是清洗机的横向平移，把更多的控制权交给吊机，对于专门负责清洗的清洗机无疑是减少了很大的负荷。
清洗机采用双绳牵引法，是为了在拉清洗机在工作的时候，可以在墙壁上爬行更加稳定，并且当清洗机工作一段时间后，毛刷会因灰尘变得很脏，需要人工清洗和更换，当吊机将清洗机上升时，如果是一根绳子，清洗机会不停的绕着绳索旋转，这对工人和高层建筑都有一定的危害，而两根绳子的设计，清洗机自身就不会随意旋转，这样对安全有着一定保障。
在吊机的底座部分，还添加了一个自动转向机构，由于楼房的楼顶大多是九十度转角，或者就是弧形拐角，所以针对这种情况，吊机采用运动机构和支撑架分离的方法，针对九十度转弯，吊机的运动机构通过内部的齿轮套筒和齿轮齿条的相互作用，将与悬挂臂相联的清洗机带动旋转，实现换面清洁的目的。
1.3 其他结构
清洗机在包含以上创新性外，还配备了喷洒装置：当清洗过程中出现较为干燥的情况下，在清洗机上有一根喷水管，通过高压将水通过洒水管内的细孔喷撒到毛刷上，给毛刷加湿，达到更好的清洁效果；清洗机的补给装置：在吊机的底座部分，装配了一个补给箱，里面装载着清洁剂和水源。高层建筑物在清洗的时候，由于任务量太大，凭靠清洗机自身携带的资源，是无法完成如此之大的清洗量。因此通过悬挂臂上的注水孔将水和清洁剂运输到清洗机的暂存蓄水箱内，这样不需要经常给清洗机添加能源，也可以达到持续清洁的目的。
结语
本文设计的清洗机是应用于高层建筑外墙清洗的机器技术，研究的清洗机可以对玻璃外墙进行无损伤的清洗，在清洗过程中具有低成本、无污染、高效率，低危险等特点，有着非常好的效果。在清洗机工作的时候，只需要人设置好参数数据，工作过程中即可独立完成任务，具有一定的通用性，对我国幕墙清洗难题有着巨大的贡献和经济价值，具有较大的市场需求。
参考文献：
[1]张利霞.高层外墙清洗机器人的设计[J].包装工程，2014（16）:8-12.
[2]何爱军.爬壁机器人工作空间及越障机构步态分析研究[M].南京理工大学,2013.
[3]丁官元.高楼外墙清洁智能机器人的设计与实现[J].机电一体化,2015(5)19-23.
[4]邵洁.基于壁虎形态仿生的爬壁机器人技术研究[D].北京理工大学，2014.
[5]张永德，姜金刚，张舒，罗春玲，陈耀.柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人研制及实验研究[J].仪器仪表学报,2013(3)13-15.
论文作者:邓涛,王志文 王发港 张超 于慧
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/11/1
标签：清洗机论文; 清洁论文; 外墙论文; 毛刷论文; 机构论文; 支撑架论文; 过程中论文; 《城镇建设》2019年第18期论文;