高层建筑玻璃幕墙自动清洗机三维结构设计及有限元分析_王素艳

王素艳
（ 沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045）
摘要： 基于自动化、智能化、低成本、安全高效的理念对高层建筑玻璃幕墙自动清洗机的行走机构、清洗机构、转向 机构及安全机构等进行三维结构设计，同时采用 SolidWorks 软件中的 Simulation 插件，对自动清洗机中受力最大的底板进行 有限元分析。该自动清洗机能可靠地吸附在垂直的玻璃幕墙外表面，实现自动行走、转向、清洗，安全可靠，可有效解决 人工清洗高层建筑玻璃幕墙危险性大、效率低等弊端，大大提高劳动效率。
Keywords： Glass curtain wall； Automatic cleaning machine； Structure design； SolidWorks； Finite element analysis
0 前言 现代城市中，用玻璃幕墙进行外装饰的高层建筑
物越来越多。玻璃幕墙的清洗十分困难、人工清洗具 有很高的危险性、且耗时长、效率低、清洁效果差。 高层建筑玻璃幕墙自动清洗机基于自动化、智能化、 低成本、高效率的理念进行设计，可以有效解决人工 清洗高层建筑玻璃幕墙的弊端，大大提高劳动效率。 玻璃幕墙清自动清洗机应该具备以下功能： 能可靠地 吸附在垂直的玻璃幕墙外表面； 自动在幕墙表面爬 行； 在行进中清洗玻璃幕墙； 在遇到障碍时，会自动 调整爬行高度、步距及转向［1］。 1 整体结构设计 1. 1 行走机构设计 1. 1. 1 吸盘吸附机构设计
清洗机在进行清洗作业时，要保证横梁带动清洗 轮匀速运动，这就需要在第一组吸盘处于吸附状态、 第二组吸盘处于释放状态时，在齿条导轨驱动电机、 齿条导轨 传 动 系 统、两 个 齿 条 导 轨 等 传 动 机 构 作 用 下，横梁带动第二组吸盘及清洗轮沿齿条导轨垂直移 动 （ 此时，清洗轮在正常旋转、清洗，为保证清洗 效果，此运动应为匀速运动） ； 而第二组吸盘处于吸 附状态、第一组吸盘处于释放状态时，两个齿条导轨 带动第一组吸盘随着齿条导轨垂直移动 （ 此运动可
图 3 齿条导轨及清洗轮传动系统设计
1. 2 转向机构设计 左、右转向机构分别由自动清洗机前端两个传感
器发出信号驱动转向电机，通过齿轮传动，驱动转向 齿环顺或逆时针旋转一定角度。转向时，仅中心吸盘 吸附，转向齿环带动自动清洗机实现左右转向［4］，如 图 4 中所示。
图 4 转向机构设计
图 5 清洗机构设计
WANG Suyan （ Shenyang Polytechnic College，Shenyang Liaoning 110045，China）
Abstract： Based on automation，intelligent，low cost，safe and effective ideas for automatic cleaning machine running mechanism of glass curtain wall of high-rise building，a cleaning mechanism，a steering mechanism and security mechanism of three dimensional （ 3D） structure was designed，at the same time using SolidWorks software in the Simulation plug-in，automatic cleaning machine for floor of the largest stress of finite element analysis （ FEA） was carried out． The automatic cleaning machine could be reliably adsorped in the outer surface of the glass curtain wall vertically to realize the automatic walking，turning，clean，safe and reliable． It can effectively solve the problem of big risk of manual cleaning of glass curtain wall of high-rise buildings，the defects of low efficiency，and greatly improve labour efficiency．
［M］． 北京： 机械工业出版社，2007．
tain Wall of Tall Buildings： China，201420259483． 2［P］．
结构形状，考虑到工作时作用在底板上的最大载荷 为全部机构的质量载荷及工作载荷，且工作中载荷 稳定不变，所以可对此状态下的底板进行静态有限 元分析。
对底板划 分 网 格，经 过 运 算 得 到 底 板 的 最 大 应 力、最大应变、最大位移及最小安全系数对应的网格 节点位置，经与材料许用的应力、应变、位移比较， 均满足设计要求，分析得到的最小安全系数为 2. 2， 也满足设计要求［7 －8］，应力、应变、位移云图如图 6 所示。
图 6 应力、应变、位移云图
4 结论
［2］ 田培棠，石晓辉，米林． 机械零部件结构设计手册［M］．
通过 SolidWorks 软件进行高层建筑玻璃幕墙自动 清洗机三维结构设计，以及 Simulation 插件对主要元 件的有限元分析，保证了设计的科学合理。该自动清 洗机操作方便、安全可靠，可实现自动化、智能化、 低成本、高效率的工作，有效地解决人工清洗高层建 筑玻璃幕墙危险性大、劳动强度大、效率低等弊端。 在现代城市中高层建筑玻璃幕墙越来越多的情况下， 具有广泛的应用前景。 参考文献： ［1］ 王 素 艳． 高 层 建 筑 玻 璃 幕 墙 自 动 清 洗 机： 中 国，
图 1 两组吸盘的结构设计
收稿日期： 2014 － 12 － 14 基金项目： 沈阳市科学技术计划项目 （ F13 － 015 － 2 － 00） 作者简介： 王素艳 （ 1971—） ，女，硕士，副教授，高级工程师，主要从事机械设计与制造、机械 CAD / CAM / CAE、设备控
制及数控技术应用的教学及科研等工作。E － mail： wsy197111@ 163. com。
图 2 吸盘及小型真空泵 1. 1. 2 齿条导轨传动机构设计
要实现清洗机行走，需要两组吸盘交替吸附、释 放，并配以齿轮、齿条传动系统来实现。工作时，当 第一组吸盘吸附、第二组吸盘释放时，动力通过齿条 导轨传动系统，使得横梁带动第二组吸盘沿齿条导轨 垂直移动； 而第二组吸盘处于吸附、第一组吸盘释放 时，两个齿条导轨带动第一组吸盘随着齿条导轨垂直 移动，从而实现清洗机自如运动，齿条导轨传动系统 设计如图 3 所示［2 。 － 3］
第7 期
王素艳： 高层建筑玻璃幕墙自动清洗机三维结构设计及有限元分析
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快速进行） ，两种状态交替进行，从而实现清洗机边 清洗、边运动，同时在转向机构、安全机构及纠偏及 信号反馈机构的配合下，完成自动清洗工作。 3 有限元分析
由于清洗 机 底 板 上 安 装 有 清 洗 机 构 及 第 二 组 吸 盘，工作时清洗机的自重及工作载荷均由底板承受， 其受力最大。为使清洗机安全可靠工作，通过 SolidWorks 软件中的 Simulation 插件，对 清 洗 机 中 受 力 最 大的底板进行有限元分析。当底板采用的材质为铝 合金板材，为减轻质量，由数控铣加工得到所需的
2009． ［5］ 王春燕，陆凤仪． 机械原理［M］． 北京： 机械工业出版社，
2011． ［6］ 张有忱，赵芸芸． 机械设计［M］． 北京： 化学工业出版社，
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lation 基础教程［M］． 北京： 机械工业出版社，2010． ［8］ 江洪，陈燎，王智等． SolidWorks 有限元 分 析 实 例 解 析
1. 4 其他结构设计 1. 4. 1 安全机构设计
为保证清洗机工作安全可靠，在自动清洗机前端 设有安全绳连接孔，同时也将电源等接入清洗机，如 图 1 所示。自动清洗机工作时，通过脐带式安全绳将 清洗机与高层建筑楼顶牢固连接，并可根据需求调整 安全绳长度。 1. 4. 2 纠偏及信号反馈机构设计
自动清洗机前端装有左右两个传感器，可自动探 测幕墙窗棱高度及墙壁等障碍，自动调整爬行高度、 步距及转向角度。其工作场合既适合于隐框玻璃幕墙 也适合于明框玻璃幕墙。
201420800551． 1［P］． 2015 － 04 － 22． WANG Suyan． Automatic Cleaning Machine for Glass Cur-
北京： 国防工业出版社，2011． ［3］ 成大先． 机械设计手册［M］． 北京： 化学工业出版社，2008． ［4］ 闻邦椿． 机械设计手册［M］． 北京： 机械工业出版 社，
关键词： 玻璃幕墙； 自动清洗机； 结构设计； SolidWorks； 有限元分析 中图分类号： TH16 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2016） 07 － 147 － 3
Finite Element Analysis and Three-dimensional Structure Design of Automatic Cleaning Machine for Glass Curtain Wall of High-rise Buildings
玻璃幕墙清自动清洗机工作时，应可靠地吸附在 垂直的玻璃幕墙外表面，并实现爬行运动。采用吸盘 结构简单可靠，吸盘通过小型真空泵吸出吸盘内空 气，使清洗机保持可靠的吸附在幕墙表面。
为实现爬行运动，自动清洗机采用两组共 9 个吸 盘，分别为第一组前、后及中心共 5 个吸盘，第二组 在清洗机横梁前后共 4 个吸盘，两组吸盘的结构设计 如图 1 所示。
当自动清洗机前端两个传感器中任意一个或同时 探测到障碍高度小于 10 mm 时 （ 障碍高度可设定） ， 第二组吸 盘 吸 附 并 升 高，带 动 第 一 组 吸 盘、 齿 轮 导 轨、传动机构等升高，实现跨越障碍； 当自动清洗机 前端两个传感器中任意一个探测到障碍高度大于 10 mm 时 （ 障碍高度可设定） ，第二组吸盘的中心吸盘 吸附，其余全部吸盘抬起，转向机构工作，旋转一定 角度 （ 可设定） ，自动清洗机进行方向调整； 当自动 清洗机前端 2 个传感器同时探测到障碍高度大于 10 mm 时 （ 墙壁高度可设定） ，自动清洗机工作停止并 发出信号。 2 自动清洗机工作原理
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机床与液压
第 44 卷
吸盘通过 吸 盘 后 部 的 小 型 真 空 泵 吸 出 吸 盘 内 空 气、产生负压，使自动清洗机通过吸盘可靠地吸附在 玻璃幕墙表面，如图 2 所示。
1. 3 清洗机构设计 在自动清 洗 机 中 部 的 横 梁 上 装 有 旋 转 式 清 洗 装
置，清洗轮由清洗轮驱动电机、清洗轮传动系统、贯 穿横梁的丝杠与齿轮传动来驱动旋转，如图 3、图 5 所示。清洗轮的后部存贮有清洁剂，并可注入到清洗 轮端面，在自动清洗机爬行的同时，清洗轮旋转、端 面开始清洗玻璃幕墙［5 －6］，如图 5 所示。
2016 年 4 月 第 44 卷 第 7 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDＲAULICS
Apr. 2016 Vol. 44 No. 7
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2016. 07. 037
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高层建筑玻璃幕墙自动清洗机三维结构设计及有限元分析