新能源节能照明灯机具研制

朱伟涛，冯凯文

（北京首发公路养护工程有限公司，北京 102600）

引言

以高速公路夜间施工照明设备为研究对象，以公路工程理论知识和实际施工经验为依托，通过查阅和比较国内外关于公路建设项目设备应用情况，发现国外用于道路施工的夜间照明设备除使用移动式发电照明设备，还配备“可穿戴”的照明设备，但其辅助性功能成效并不凸显。

市场中最常用的是贝利牌PB2000 球形工程车（又称球型照明灯），根据多年使用经验，发现该机具存在三方面弊端：（1）购置和使用成本高，其中平均每台机具年油耗、维修和保养等费用高达16 000 元。（2）机具采用汽油发电机提供220 V 电压，存在较大机电安全隐患。（3）机具运转产生大量尾气和噪音，严重影响施工现场和周边区域的环保健康。

1 设计方案

1.1 总体构造

新能源节能照明灯由行走装置、工作装置、控制装置和动力装置四部分组成。行走装置是移动式四轮推车，前排是万向轮组，后排是定向轮组；工作装置分为升降系统和照明系统，其中升降系统选装1.5～3 m 的气动升降杆搭配12 V 电动气泵，照明系统由自主设计的灯架（前后各两组）和总功率是400 W的LED 灯管等部件装配而成；控制装置是由两块（195 AH、12 V）蓄电池作为动力源，蓄电池采用太阳能和市电双路充电，太阳能充电为主，市电为辅。

1.2 工作原理

（1）蓄电池充电阶段。利用太阳光照射在太阳能电池板上，发生光电反应，将光能转化为电能，电能经太阳能板端子输出直流电流，电流存储至两块蓄电池中。（2）升降杆起升阶段。人工锁止行走装置后，首先旋转电源总开关，其次正向拨动气泵开关，气泵与蓄电池之间形成通路，电动气泵开始运转并压缩空气，产生的气压推动气动杆进行上升运动。当上升到合适高度时，松开气泵开关，升降杆将在此高度保持静止状态。（3）夜间照明阶段。分别开启两侧灯具开关，保持灯光光线与车道平行，减少对双向来往车辆的干扰，根据作业工序进度调整机具位置。（4）回收机具阶段。解锁行走装置，完成机具回收。升降杆降落阶段。在完成作业后，将机具装车前，首先负向拨动气泵开关，使得工作装置彻底归位，然后松动开关，最后关闭总电源开关。

图1 机具运转流程

1.3 绘制新能源节能照明灯

根据机具的总体构造、工作原理、外观设计（外观颜色为橘黄色；外观结构紧凑；表面粗糙度低；移动车体省力）、人机工效设计（设备规格符合中国普遍成年男性物理特性）和道路施工要求，绘制设备的外观见图2～图5，有助于产品后期研制。

图2 机具

图3 机具充电状态

图4 机具充电状态

图5 机具完成充电状态

2 选材分析

机具重要部件和组成材料选用综合分析见表1。

表1 机具重要部件和组成材料选用综合分析

3 产品研发制造

3.1 行走装置

由自制手推式移动车，车体本着“轻便型、紧凑型和最小化”的设计目标，全车使用3×3 方钢，各连接处采用焊接工艺，后排使用刹车万向轮，前排使用导向轮，使用螺栓与底盘固连，使用两块12 V 电瓶配重，保障车体平稳移动。

3.2 工作装置

由灯罩、灯具、升降杆、控制开关和供电系统组成。灯罩是自主研制的屋脊顶防水罩，采用铝制板制作，减少折程，防止水腐蚀灯具和局部线路；灯具安装在灯架上，可围绕升降杆轴心全周旋转；升降杆重心与机具重心高度重合，通过气泵传动，径向实现升降；供电系统中，蓄电池置于自制冲压式铝罩，单块太阳能板收拢时与机具三点固连，舒展时与机具两点固连。

3.3 控制系统

控制系统是联动整机运转的关键点，采用独立控制开关（安装在控制箱上），分为总电源开关、照明开关、升降开关和气泵开关。

图6 灯机具实物

3.4 动力装置

动力装置是两块安全可靠蓄电池作为动力，置于行走推车底盘上，采用太阳能和市电双路充电。

4 模拟调试

通过模拟调试一方面为检验机具是否存在故障或是缺陷，另一方面通过比对和改进试验，逐步提高本产品的实操功效。本机具主要对升降杆、灯具、蓄电池和行走车四部分进行递进式模拟调试。

（1）升降杆。第一代升降杆使用机械式手摇传动，存在升降效率低、操作复杂和设备笨拙等缺点。采用气动升降杆，使得机具操作安全、运转高效，可在1～3 s 内平稳完成升降操作。（2）灯具。逐级选用100 W、150 W 灯具并不能满足夜间道路照明要求，存在光通量低、光强低和夜间照明效果低，最终采用两副双排双向200 W 的灯具，实现了高亮度、单车道宽幅和双层叠加照明的效果。（3）蓄电池。因单组12 V 蓄电池不能满足单台班工作时长，故而并联两块蓄电池，其平均使用寿命4～5 a，充放电次数800～1 000 次，机具满负荷照明持续时间30 h，自带太阳能板充满2 块蓄电池需15 h。（4）行走车。为提高机具在沥青路面上速率，使用两副橡胶轮代替将第一代充气轮胎。模拟试验证明，研制出的新能源照明节能灯机具满足了夜间施工规范要求，实现了预期的目标，未出现设备故障或者缺陷。

5 应用及效果

试验地点取京哈高速进京方向K24 三车道，试验时间为23∶00，试验项目是在路面病害处理施工现场进行移动式照明试验。机具使用状况良好，已完成充电。路面病害处理专项工程的主要施工工艺流程［3］见图7。

图7 施工工艺流程

完成占路交通导改作业后，车辆、设备陆续进入工作区，在卸下新能源照明灯机具后进行调试机具，并分别放置在上游过渡区、终止区和工作区中各一台。

（1）试验一。在路面清扫作业中，移动机具至铣刨路面中位，实测夜间作业区内机具应用效果。机具小型轻便，操作灵敏，移动便捷，经现场检测，最高升限3 m 高，在6 级风力下机具整体保持稳定；有效照明长度80 m，宽度6 m，满足施工区作业要求；电源常闭计时下，设备满负荷照明持续时间为30 h。（2）试验二。实测夜间行车过程中，机具对作业区外部环境的影响。作业区外部其他车道上的车辆在迎灯方向上或是在背灯方向上行驶时，接收到机具的光通量值平均低于30 LM，对驾驶员的安全行使无影响。

该机具样灯已研制完成，经过多次充、放电和现场照明测试，使用试验分析方法，确定出新能源节能照明灯机具的主要参数指标，并与同功能PB2000B 球型照明灯进行比较，得出自主设计的机具符合照明安全技术规范和现场施工需求。试验结果见表2。

表2 试验参数和指标综合对比

6 社会经济效益分析

6.1 经济效益

目前在用照明灯采用汽油发电机供电，日运转时长约6 h，油耗约为12 L，日油费约80 元，年工作天数150 d，年油费约12 000 元，另外机械损耗和维修费用约4 000 元，年使用成本总计16 000 元；改用新能源节能照明灯，主要零部件使用寿命均在5 a以上，每台1 a 可节约资金约16 000 元。球形照明灯原值每台21 000 元，新能源节能照明灯单台制造成本约7 000 元，购置成本每台可节约14 000 元。

6.2 全寿命比较

球形照明灯原值21 000 元，使用寿命8 a，年平均折旧2 600 元；新能源节能灯制造成本7 000 元，使用寿命5 a，年折旧成本1 400 元。使用新能源节能灯年节约购置成本1 200 元。综上，我单位所需照明工程灯60 台应用新能源节能照明灯，较球形照明灯灯每台每年可节约总成本17 200 元，60 台每年可节约成本103.2 万元。

6.3 安全保障

蓄电池供电的输出电压为12 V,可确保用电安全。LED 照明灯光线柔和，其他非作业车道的光干扰微乎其微，对来车方向通行车辆无影响，满足施工区照明安全技术要求。

6.4 社会效益

可达到“零排放、无噪声”，完全符合施工安全环保要求。可广泛应用于夜间道路施工、养护作业、桥隧施工和应急抢险等多个方面，推广应用前景广阔。

7 结语

此机具从根本上解决了夜间道路施工现场照明设备的问题，实现了安全、环保、可靠、节能和低成本的目标，同时移动灵敏便捷、设备耐用。设备的机具实现了主要功用，但是生产加工制造工艺水平有有待提高和完善，同时设备的智能化水平设计还有很大提升空间。