高等级公路护栏清洗机械规避装置

1 概述
由山西省交通科学研究院开发研制的HXC-300型高等级公路护栏清洗车，已经在省内多条高速公路得到推广应用，为提高高等级公路机械化养护的整体管理水平初步发挥了作用。该护栏清洗车的工作原理如图1所示。滚刷是其主要的作业执行机构，由滚轴和刷毛组成，刷毛伸开时直径为0.8m。滚刷通过转臂、动架装在底盘车前横梁上。清洗作业时，使高速旋转中的滚刷徐徐贴近护栏，让刷毛对其产生一定的压力，然后驱动底盘车匀速前行，利用刷毛的强摩擦和副设的高压射水冲洗双重作用，使附着在护栏板上的污垢和灰尘得到彻底清洗。
实践表明，刷毛对护栏板具有最佳作业力矩时，滚刷的回转中心到护栏板表面的垂直距离h大致等于刷毛旋转伸开半径的1/3~1/2，约180~200mm。h过大会使刷毛的压力减小或者脱离护栏板表面，失去作业效能；h过小又会增大功耗，甚至出现机架损坏、挤坏护栏的事故。由此看来，在整个作业过程中准确的控制h值，保持刷毛对护栏板表面的恒定压力，对于保证安全生产和提高作业效率是至关重要的。
　　那么，如何才能有效控制h值呢？为解决这一技术难题，滚刷规避结构（见图1）就是在这种情况下，反复构思和设计的特殊装置。它的成功研制和应用，不仅解决了上述技术难题，提高了整机的工作可靠性，而且也为护栏清洗车的进一步改进和推广创造了有利条件。
　　2 结构设计与受力分析
考虑到清洗作业机构的整机布置和安装维修的方便性，滚刷规避机构设置在转臂和动架之间的位置上（图1）。图中给出的是滚刷在清洗车右侧安装的情形。根据需要，通过拔出和插入规避机构的插销，滚刷转臂绕铰接点O旋转到清洗车左侧，并将规避机构移位安装到左侧对应位置。实质上规避机构的工作性质很像一个类似于弹性体的装置。当其两端受到因h值的改变所产生的附加外力作用时,它会将自动身长或缩短，通过转臂的水平摆动，使h值迅速得到恢复，从而达到恒定滚刷对护栏板表面摩擦力的目的。
图2给出了规避机构在初始状态（即h=180~200mm，滚刷对护栏板表面的正压力合力等于设定值）时的受力情况。图中杆件AO代表转臂，BC代表规避机构，P为护栏板对滚刷轴心的反作用力Q在转臂垂直向上的分力，在数值上
P=Qsinβ (1)
β是系统平衡时转臂AO与机架OC之间的夹角，在数值上

其中S为底盘车宽，S=2.0m；H为底盘外侧距护栏般的垂直距离，约0.5mm（图1）；AO=1.5m。
P′是以O为圆点施加在转臂B点上与力P相平衡的力，
当结构确定后，BO为已知量，这里BO为0.7m。
F为力P′在规避机构方向上的分力，在数值上
F=P′/sinα，即
F=P?AO/(BOsinα)=AO?Qsinβ/(BOsinα) (3)
式中α为规避机构与转臂AO之间的夹角OBC，当机构确定后，α随之已知。Q如前面提到，它是护栏板对滚刷轴心的反作用力，在数值上与滚刷对护栏板表面的正压力合力相等；在初始状态下，即当h值等于刷毛旋转伸开半径1/3~1/2时，经测定滚刷对护栏板表面的正压力合力为150~200N，即Q=150~200N。
这里的F，就是初始状态下作用于规避机构而与力P相平衡的力，是设计规避机构的重要依据。
　　根据以上给出的已知条件，可求得转臂AO与即架OC之间的夹角β的值：

设定初始状态下AO与BC间的夹角α=60°，则由式（3）可求得F的标准值：
F=AO?Qsinβ/(BOsinα)=1.5×20×0.475/(0.7×0.866)
　　3 规避机构的工作原理
设定规避机构在力F的作用下，处于初始状态时的长度BC=l。规避机构的工作性质很像一个弹性体的作用，当夹在其两端的外力恒定时，其长度l亦保持不变；而一旦外力发生变化（增大或减小）时，它会迅速做出反应，通过改变其长度使系统恢复平衡。图3所示的时规避机构在遇到底盘车走偏引起h值的变化外，通过随机调整自身长度，有效控制滚刷与护栏之间距离，从而确保最佳作业力矩的工作过程。
图中AO为转臂，BC为规避机构。图中A10、A2O以及B1C、B2C分别表示出规避机构的两个不同的工作循环：当底盘车远离护栏板引起h值增大时，此时护栏板对滚刷轴心的反作用力Q立刻减小，与之相对应由式（3）确定的力F值也会随之减小。
　　规避机构在其两端的作用力F小于标准值（如计算所得235N）后，就会迅速即产生收缩，使其长度改变为l-△l1，如图中B1C所示。此时转臂受规避机构的拉动而回转，达到A1O的位置。显然这一作用的结果使h产生了负位移，向护栏板靠近了△h1，从而可以弥补因底盘车远离引起的增值，使Q值得以重新确立起来。这个工作循环可以简称为：h↑-Q↓-F↓-l↓-h↓至Q↑。
于此相反，当底盘车靠进护栏板时，立刻会引起h减小，则同样在规避机构的作用下，会出现如下的工作循环：由h↓-Q↑-F↑-l↑-h↑至Q↓恢复到设计值。
　　4 结束语
由于设置了具有随动调整作用的规避结构，使得有效控制滚刷与护栏板之间距离这一难度较大的控制问题得到了较好的解决，确保最佳作业力矩的设想也得到