高速公路波形护栏清洗装置设计

胡 泰 郑夫水 刘 航 周旭阳 何永明*

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨150040）

随着国民经济的发展和机动车总量的增加，我国公路运输业发展迅猛。截至2019 年底，我国高速公路总里程达14.26 万公里，高速公路的护栏总长度超过57 万公里，居世界第一位。为了能够更好地引导驾驶员的视线，充分保障道路交通安全，我们需要定期对防护栏上的污垢进行清洗。目前，我国多采用“滚筒式”清洗车来进行高速公路护栏的清洗和养护，但是大部分高速公路护栏清洗车的清洗成本高，清洗效率低，清洗时浪费水资源现象较为严重。除此之外，由于目前的高速公路护栏清洗车的刷头多为滚筒型，对于波型护栏难以做到清洗全面，时间一久，那些未被清洗的地方就会受到雨水的腐蚀而造成损坏。为了解决这些问题，论文研究了与波型护栏相适应的M型清洗刷头。该刷头与目前的滚筒式刷头相比清洗死角少、作业效率高、对水资源的利用效率高，主要用于全国各等级高速公路护栏的清洗和养护工作。研究与波型护栏相适应的新型高速公路护栏清洗设备对我国高速公路设施的养护和交通运输的发展都具有重要作用。

1 系统总体结构

1.1 系统结构

M型高速公路护栏清洗装置由M型刷头清洗子系统、轮式刷头清洗子系统和干燥子系统组成。M型刷头清洗系统由网格状喷水口、截流调节阀、小型水泵、电机和刷毛组成。根据护栏需清洗的程度等实际情况可以调节水流的大小和压强。M型刷头清洗系统由机械臂直接控制。轮式刷头清洗系统由四个旋转的轮式刷头和电机组成。根据实际情况通过电机调节轮式刷头的旋转速度和工作强度。干燥系统由支架和海绵组成。整个清洗装置通过侧立方式安装，使刷头与高速公路护栏表面紧密贴合。轮子安装在整套装置上，帮助清洗装置沿护栏前进，减少机械臂的作业压力。

M 型高速公路护栏清洗装置的控制通过水车和机械臂实现。控制系统工作时，通过水车上的操控设备控制机械臂的移动和清洗设备电机的开关，实现开启、关闭设备，增大、减小喷水强度等操作。

1.2 系统设备

考虑到实用性和经济性，系统设备均采用价格低廉，性价比高的国产设备。方案按照M型高速公路护栏清洗设备设计理论的实际出发，综合经济性和实用性需要，最大限度提高清洁能力。系统方案选择如下：1.2.1 水泵选择WKY1000 小型水泵。此型号水泵体积较小，可长时间连续运转，能完成设计功能又经济实用。1.2.2 喷头选择SK508 喷水嘴。该喷水嘴具有可靠性高、喷水均匀、造价低廉等特点。1.2.3 电动机选择型号为MY1120ZXF 的600W 尤奈特永磁直流有刷电机。该电机重量轻、体积小、发热少，动力较强。1.2.4 轮刷采用直径100mm 规格的凯驰扫刷。该刷头清洗效果好、磨损率低，耐用性强。

2 M 型刷头清洗子系统

2.1 M型刷头结构

为了更好的适应波型护栏，我们设计出与之能够贴合的M型刷头位于整个机箱的前半部分，其刷面上有若干个呈网格状分布的喷水孔。喷水孔和喷水装置相通，喷水装置通过水接口，用软管连接在清洗车配备的储水箱上。在机箱装置的后表面上安装一个外接抽水机，当抽水机接通电源后，将水喷洒在护栏表面。M型刷头能够与高速公路波形护栏紧密贴合，使得清洗不留死角，清洗效果好。

2.2 工作原理

清洗车工作人员通过控制机械臂，将清洗装置与高速公路护栏表面紧密贴合，然后按下电源开关，通过水泵将水从车上的储水箱经过喷水装置喷洒在护栏表面，在车前进过程中牵引着M型刷头进行刷洗。根据护栏表面灰尘积累的实际情况，可以控制水流的压强和大小。在灰尘积累较厚处，可以适当增大喷水强度；反之，则减小。刷头和护栏相贴合从而形成良好接触，刷头面上分布着“网格状”喷水孔，这样不仅将水充分利用，同时也能对护栏表面进行全方位清洗。

3 轮式刷头清洗子系统

轮式刷头结构：

位于机箱中部的轮式刷头清洗系统主要由四个轮刷和四个电机组成。分别将每两个轮刷固定在机箱上，使它们呈现出一定的角度，这样就构成了一个和W 型护栏相适应的路轮式刷头结构。轮式刷头结构如图1 所示。

图1 轮式刷头结构图

轮式刷头工作在M型刷头之后。在前面M型刷头喷洒水及清洗之后，轮式刷头在电机的带动下进行旋转擦洗。

4 干燥子系统

吸水层材料:

干燥系统主要由聚氨酯海绵构成。海绵的宽度大于护栏的宽度，同时还要满足可以达到压缩海绵形状与护栏吻合的厚度要求。海绵的主要作用是将清洗干净的护栏上残留的水分除去。聚氨酯海绵层吸水性好、透水度高，具有优秀的吸附性和去渍能力。同时表面有细腻柔软的泡孔，在浸水后能迅速增大孔隙，借助海绵特有的吸附性，增强吸水效果。高速公路护栏上残余的水分将被干燥系统吸除，从而延长护栏使用寿命，增强清洗效果。

5 系统工作过程

5.1 装置组成

高速公路波形护栏清洗装置主要由M型刷头，轮式刷头和擦拭抹布以及机箱四部分组成。清洗装置结构图如图2 所示。

图2 清洗装置侧视图

5.2 装置工作过程

当进行工作时，清洗车司机通过控制机械臂使清洗装置与护栏贴合，然后按下电源开关，水在水泵的作用下从车上的储水箱经过喷水装置喷洒在护栏的表面，在起到湿润栏面的同时，M型刷头在车的牵引作用下进行第一道刷洗；与此同时，M型刷头后边的轮式刷头在电机旋转的作用下，在栏面上进行第二道刷洗；擦拭抹布由于海绵的形变始终和栏面紧密接触，从而对栏面进行第三道处理——干燥。M型刷头的平移擦洗，轮式刷头的旋转擦洗以及海绵抹布的干燥处理同时进行，增强了清洗效果。

6 参数分析

6.1 水路系统流量的计算

经过大量的实验的统计数据得出，高速公路护栏清洗车的用水量与护栏宽度、护栏表面单位长度的受水量、喷嘴数量、清洗设备前进速度有关。根据护栏清洗车的实际经验，得出下面的基本计算公式：

式中：Q- 水路系统的流量；q- 护栏板的单位长度受水量；v- 清洗车前进速度；n- 喷水嘴数目；σ- 射水重复系数。我国高速公路目前采用的是宽度为300mm 的波形防撞护栏板。根据实际经验，其有效清洗宽度为400mm。护栏板的单位长度受水量为0.03L/m，喷水嘴个数为6。系统容积效率为0.8，射水重复系数为0.15。在实际情况的高速公路护栏清洗过程中，清洗车前进的常用速度为5km/h～15km/h，初取5km/h。把上述参数值带入公式（1）中，得到清洗车单位额定需水量为1294L/h。

6.2 水泵的选取

护栏清洗设备中的高压水流可以起到湿润护栏和冲击污垢的作用。水流过小时起不到清洗效果，而过大又会浪费水资源。根据实际经验可知，我国高速公路护栏清洗时的水流压强为8～10MPa。为了得到更好的清洗效果，这里选取水压为10MPa。喷嘴与护栏表面之间的距离取300mm 以内。得到水泵压力为

式中Q- 水泵的流量；PB- 水泵压力，Pa；η- 水泵效率，为0.95；代入数据可得P=4.79kw。由以上数据可得水泵功率最小为4.79kw。这里选取功率为5kw的水泵。

6.3 水路管道设计

喷头水路管道的直径会影响清洗装置工作时喷水口的水流压力，从而对清洗效果有着一定程度上的影响。由水路管道流量大小的计算公式可得:

式中Q- 水路系统的流量；V- 水的常用流速（取3m/s）；d-支路管道直径。代入参数到公式（4）中，得d=15cm，由以上数据可知水路管道直径应为15cm。

结束语

本文主要设计了新型高速公路波形护栏清洗装置，通过水路流量计算等进行了水路系统的设计。本装置结构简单，操作方便，成本低廉，还可以充分利用水资源，节约资源。两道刷洗，最后干燥，三位一体，清洁高效，是高速公路波型护栏清洗的一种较为理想的装置，可推广使用。