一种护栏清洗车滚刷避让机构的优化设计

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摘要 针对目前国产护栏清洗车常用的弹簧避让式滚刷自动纠偏装置，提出了一种优化设计方法，并对优化结果进行了反计算，计算结果表明优化后的弹簧能够保证在清洗过程中滚刷与护栏之间的压力波动始终保持在一个很小的范围内，从而可以解决因清洗车走偏而导致的清洗效果差问题，提高工作效率，同时降低工作人员的劳动强度。

关键词 弹簧；滚刷；护栏

中图分类号TH123 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）77-0190-02

0引言

近年来国内许多公路护栏的清洗工作已采用护栏清洗车来进行，护栏清洗车的推广应用为加快我国城市建设和提高高等级公路机械化护养以及整体管理水平发挥了重要作用。国产护栏清洗车的滚刷自动纠偏机构主要有液压规避和弹簧避让两种，液压规避机构具有灵敏度高、反馈速度快、性能可靠等特点，但相比弹簧避让机构比较复杂、对工作环境要求比较严格，成本较高，因此目前国产护栏清洗车的滚刷自动纠偏机构多采用弹簧避让机构。在此介绍弹簧避让机构的工作原理、优化设计方法以及验算结果，优化后的避让机构保证了工作过程中滚刷与护栏的接触压力基本恒定，这对于提高护栏的清洗效果具有重要的现实意义。

1 弹簧式滚刷避让机构工作原理

弹簧式滚刷避让机构的工作原理如图1所示。滚刷由滚轴和刷毛组成，是清洗作业的主要执行机构，工作时刷毛的展开直径为0.6m，滚刷通过转臂安装在清洗车上。在进行清洗作业时，高速旋转的滚刷贴近护栏，使刷毛对护栏产生一定的压力和摩擦力，然后在清洗车高压射水的清洗作用下，将附着于护栏上的污垢和灰尘彻底清洗。

图1滚刷避让机构

在清洗车前进过程中，不可避免的会出现小范围走偏，同时考虑到有些护栏上还装有附属部件（如螺栓、螺母等），因此必须要有一个避让机构来调节滚刷的位置，将滚刷与护栏之间的距离和压力波动保持在一个较小的范围内。

弹簧式滚刷避让机构主要部件是安装于滚刷和刷臂上的一个拉伸弹簧。滚刷和刷臂在弹簧和护栏的共同作用下保持平衡状态，当滚刷因清洗车跑偏或遇到附属部件引起压力变动时，可以通过弹簧拉力的变化起到避让作用，使滚刷和列车外皮的接触压力维持在一个相对恒定的范围之内。

2 滚刷和刷臂的受力分析

滚刷与刷臂的受力情况如图2所示。滚刷受到电动机的旋转力矩M、护栏的作用力（可以简化为通过滚刷中心的支撑力F和沿护栏平面的摩擦力F2，其中F2作用点到滚刷中心的距离为L1）以及刷臂作用力F3和F4。图中OA的长度为L2。

通过力学计算可得：

如要压力F为正数，则必须满足，也即，其中为滚刷与护栏的摩擦系数。滚刷与护栏的摩擦系数，求得。

当清洗车偏近护栏时，护栏挤压滚刷，滚刷中心与列车外皮之间的距离减小、压力F增大，此时在弹簧拉力的作用下刷臂向机器人中心方向转动，从而使L1增大，并趋近原来的数值，保证压力F在很小的范围内变化。同理，当机器人远离列车时，滚刷中心与护栏之间的距离L1增大、压力F减小，此时在弹簧拉力的作用下刷臂向列车方向转动，从而使L1减小，并趋近原来的数值，保证压力F在很小的范围内变化。

3 避让机构的优化设计

3.1最优化设计数学原理模型

滚刷避让机构优化的目标是实现在1～2内变化时（1、2根据刷臂的实际工作情况确定），F在较小范围内变化。以O点为坐标原点建立如图3所示的直角坐标系，选取以下参数作为设计变量：OA的长度L2，弹簧的安装支点C的坐标（xc，yc），弹簧的自由高度下初始力F0、弹簧的刚度k，以及弹簧的中径D，弹簧丝直径为d。

目标函数：

设计变量为：

弹簧力T以及角度求解如下：

式中：H0——弹簧的初始长度，H——弹簧的即时长度。

约束函数有：

1）C点的坐标限制，约束函数为：

2）L2的长度限制，约束函数为：

3）=1时，AC的长度Lmin要大于弹簧的初始长度H0，其中：

约束函数为：

4）弹簧的扭转剪应力不超出许用应力[]的85%，约束函数为：

其中：F2-弹簧的最大工作载荷，即弹簧在=2时的工作载荷；

H2-弹簧的最大工作长度。即弹簧在=2时的长度；

K-曲度系数，当载荷作用次数不小于103时，。

5）弹簧的最小工作圈数不小于8圈，其约束条件为：

6）弹簧的旋绕比C的限制

7）弹簧的刚度要求，约束函数为：

（18）

8）弹簧初拉力F0要求

（19）

取MPa，160MPa，则F0的约束函数为：

（20）

弹簧的直径是离散数值，直径d序列如：…2.5，3，3.5…，弹簧的中径D也为离散数值，中径序列如…20，22，25…，xc、yc的取值也为离散型，可以采用网络法进行优化，在此不再详述。

3.2避让弹簧实例设计计算

取，经优化得到L2=250mm、（xc，yc）=（100，-100）、、D=22mm、d=4mm、弹簧工作圈数n=44。

取=25°、34°、43°三个典型位置对优化结果进行演算，结果如下：

4结论

本文针对目前国产护栏清洗车常用的弹簧避让式滚刷自动纠偏装置进行了优化设计，通过优化可以使护栏清洗车常用的弹簧避让式滚刷与护栏之间的压力波动始终保持在一个很小的范围内，从而可以很大程度上解决因清洗车走偏而导致的清洗效果差问题，能够有效提供工作效率、降低工作人员的劳动强度。

参考文献

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