高压水射流外墙清洗用喷头工作机构设计

高压水射流外墙清洗用喷头工作机构设计

【摘要】文章选择曲柄滑块机构作为喷头工作机构，将喷头固定在滑块上，利用滑块的往复直线运动，带动喷头左右移动，从而实现清洗的目的。介绍了曲柄和连杆长度的确定，并通过对曲柄和连杆的受力分析，计算了曲柄和连杆的横截面积，为满足滑块不同行程的需要，把曲柄设计成了可调节结构。

【关键词】高压水射流外墙清洗

1、高压水射流外墙清洗系统

高压水射流清洗系统原理如图1所示高压水射流外墙清洗系统由高压泵、水箱、喷头以及喷头工作机构和升降台组成。其中喷头工作机构是用来保证喷头能够左右移动，以便能清洗一定的面积，升降台用于使喷头以及喷头工作机构升降到所需要的高度。本文主要研究喷头工作机构的设计。

2、喷头工作机构的确定

为了实现喷头左右移动，有不同的传动方案。可以利用液压传动，用液压缸带动喷头作往复运动，这个方案结构比较简单，行程范围大，但成本比较高，需要一套液压系统和控制系统;也可以用螺旋副机构实现喷头的移动，但螺旋副的移动速度一般比较慢，因而清洗效率比较低;第三种方法是曲柄滑块机构来实现喷嘴的移动，曲柄滑块机构可以方便地实现往复直线运动，而且结构简单，能够达到要求的运动速度。另外，曲柄滑块机构也可以设计成可调节式的形式，以便在使用过程中根据现场情况，调节其清洗的面积。综合比较三种方案，本文选择对心曲柄滑块机构作为喷头工作机构，将喷头固定在滑块上，利用滑块的往复直线运动，带动喷头左右移动，从而实现清洗的目的。

2.1电动机的选择

喷头左右移动的速度应适中，如果速度太高则不能保证把墙壁冲洗干净，而速度太低又会影响工作效率，这样就需要选择具有合适转速的电动机。一般的普通电动机不能满足需要，因为升降台面积是有限的，如果选用普通电动机则需要配备减速器等设备，必然增加体积以及重量。因而最终确定选择微型电动机，本设计选择转速为12r/min的微型电机。

2.2曲柄滑块机构的设计

由电动机带动曲柄作回转运动，再通过连杆带动固定在滑块上的喷嘴在工作台上做往复移动，最终完成清洗任务。

2.2.1曲柄和连杆长度的确定

为曲柄滑块机构示意图，其中r为曲柄的长度，H为滑块的行程。由可知曲柄的长度决定了滑块的行程范围，而连杆的长度至少应该要大于滑块的行程H，滑块的行程受升降台大小的限制，应在限定的长度范围内使滑块的行程尽量达到最大值，若取曲柄长度r=400mm，为了节省空间，取B2C1的距离为0时，则连杆BC的长度为：LBC=800mm。

2.2.2曲柄和连杆横截面积的确定

为保证曲柄和连杆有足够的强度，曲柄和连杆横截面积要根据曲柄和连杆的受力加以确定。曲柄和连杆的受力M—驱动力矩，FR12—机架1对曲柄2的作用力，FR32—连杆3对曲柄2的作用力，FR34—连杆3对滑块4的作用力，L—力臂。曲柄在驱动力矩M、力FR32和FR12作用下平衡，FR32=FR12=M/L，在曲柄回转过程中，L值的大小是变化的，当L取最小值时受力达到最大，现按一种极限情况计算，即在力FR12的作用线与曲柄所夹锐角为0°时，L值最小即等于摩擦园直径2ρ，根据电动机的轴颈和驱动力矩，可求得力FR32和FR12的最大值。对于本文FR12max=FR32max=43642.86N。连杆是二力杆，在力FR23、FR43作用下平衡，因此FR23=FR43，又FR23与FR32大小相等方向相反、FR43与FR34大小相等方向相反，所以连杆受力最大值也为43642.86N。曲柄和连杆的材料均选用45钢，其屈服极限σs=355MPa，安全系数取1，则许用应力[]σ=355MPa，[τ]=248MPa。那么：在受最大拉力时，其受力最小面积为：在受最大剪切力时，其受力最小面积为：故只要所取曲柄和连杆的截面积大于176mm2就能够满足强度要求。

另外在本设计中，为满足滑块不同行程的需要，把曲柄设计成了可调节结构，这样曲柄的长度就能够在200～400mm的范围内进行调整，同时滑块的行程也就可以在400～800mm之间进行变动。

3、结论

由于对心曲柄滑块机构没有急回运动，可满足喷头左右移动都能均匀清洗的要求，因而曲柄滑块机构可作为喷头工作机构，同时把曲柄设计成可调节结构，喷头清洗的宽度为400～800mm，以满足喷头不同行程的需要。