谌礼群-节水式道路绿化带清洗系统(说明书)(共9页)

节水式道路绿化带清洗系统设计说明书设计者：谌礼群 何畅 向康 杨金江 牛灿 陆晴漪 盛甘澍指导教师：吴波（武汉理工大学机电工程学院，武汉，）作品内容简介针对现有城市园林作业车对道路绿化带清洗方面水资源浪费严重、清洗设备落后的情况，自主设计了一套节水式道路绿化带清洗系统。与传统人工高炮清洗装置相比，该系统节能减排优势体现在以下四个方面：1、喷头的出水锥度和出水角度可调，可实现对不同宽度道路绿化带的准确清洗；2、喷头出水状为锥形实流，出水均匀性好，冲击力强，无需多次清洗，水资源利用率高；3、根据道路绿化带宽度，可相应调节其出水流量，实现按需清洗；4、控制方便，无需专人操作，节省人力。系统制作完成后，与武汉市汉南区建设局园林科取得了合作，并在其园林车上进行了相关的清洗实验。实践证明：清洗相同长度和宽度的道路绿化带，在保证清洗效果前提下，使用节水式道路绿化带清洗系统的用水量仅为使用传统高炮装置的65.5，节水效益明显（用户体验见附件三：试用报告）。目前已申报国家实用新型专利一项（见附件一：实用新型专利受理通知书），发表论文1篇（见附件二：论文录用通知书），同时武汉晚报等多家新闻媒体对该系统进行了多方面报道(见附件四：媒体评价)。联系人：谌礼群；联系电话：；EMAIL：1 研制背景及意义城市道路绿化带犹如城市的一条彩带，是净化城市的 “法宝”，对固态和气态的大气污染物均有较强的防护效果，具有滤尘、吸毒、放氧等净化大气和降低噪音的作用1 ,2 ,被誉为“城市绿肺”。在工业发达城市，扬尘污染严重，尘埃落在植被叶面堵住植物气孔（如图1所示），不仅影响了市容，同时严重阻碍了植物的蒸腾作用、光合作用3，导致其净化大气的效果大打折扣。因此需要定期清洗城市道路绿化带,保持城市道路绿化带清洁。通过对武汉市进行实地调研总结得出，武汉市城市道路绿化带以灌木为主4，清洗方式主要为园林作业车移动式喷洒，即人工高炮喷洒，如图2所示。高炮清洗过程中，由于人为操作的不稳定性，其出水范围难以准确控制，无法实现准确清洗，大量的水洒在绿化带之外；而高炮清洗设备自身结构的设计（如图3所示），导致其出水形状为雾状空心锥，出水均匀性一般，冲击力小，易产生漂移损失5，需多次清洗，水资源利用率低；不同宽度道路绿化带需水量不同，作业时，无法根据道路绿化带宽度相应调节其流量大小。针对现有城市道路绿化带的清洗现状，提出了一种节水式道路绿化带清洗系统，与传统清洗设备相比，其可实现以下功能：1、实现对不同宽度道路绿化带的准确清洗；2、出水状为锥形实流，提高水资源利用率；3、出水流量可自动调节，实现按需清洗；4、控制方便，园林车司机可在驾驶室完成所有操作。图1 带有尘埃叶片 图2 人工高炮喷洒 图3 高炮结构2 设计方案 1、绿化带；2、清洗系统；3、园林作业车图5 本系统变量调节示意图图4 作业中可调变量示意图 若要实现对不同宽度道路绿化带的准确清洗，由图4可知，可调节喷头出水角度、出水锥度、作业车距绿化带距离l、喷头高度h四个变量。其中，作业车距绿化带距离 l受道路实况限制而无法量化控制，喷头高度 h因受道路环境限制可调范围较小。根据对武汉市汉南区道路绿化带规格的调研，确定本系统l=0.5m、h=1.9m。通过调节喷头出水锥度、出水角度，实现对不同宽度绿化带的准确清洗。如图5所示，该示意图为对宽度为2m、4m的绿化带进行作业。为保证出水状为锥形实流，提高其出水均匀性和冲击力，喷头采用内外双层弧面结构，并在合适位置分别布置不同锥度的出水孔。外层固定，内层贴合于外层并可相对外层旋转，以此控制每圈出水孔对齐与否，完成出水锥度变换，实现实心锥出水；同时，通过旋转机构带动整个喷头模块旋转，实现出水角度变换。不同宽度道路绿化带所需的清洗水量不一样，通过控制出水阀门开度大小，调节水流量。3 机械结构设计自主设计的节水式道路绿化带清洗系统机械结构部分由喷头模块、旋转机构和流量控制模块三部分组成。喷头模块调节出水锥度，旋转机构调节出水角度，流量控制模块调节出水流量，其机械结构如图6所示。图6 节水式道路绿化带清洗系统机械结构图3.1 喷头模块3.1.1喷头结构设计 为保证出水状为锥形实流，增大喷头喷洒范围，将喷头设计内外两层成弧面结构，并在合适位置分别布置不同锥度的出水孔。其中，喷头外层固定，舵机转动，在减速齿轮传动下，内层喷头转动，实现不同锥度的变换。图7和图8为喷头模块的三维模型图和实物图。图7 喷头模型图 图8 喷头实物图3.1.2出水孔设计喷头内外层均布置5圈大小相同的出水孔，从内到外各层出水孔的出水锥度依次为28、43、60、78、98，相邻出水孔与圆心夹角依次为15、15、30、12、18。图9为外层喷头旋转0、60、30、45时出水孔的对准情况，其中，红色代表封闭，黑色代表出水。图10为第4档出水孔实物图。图9 出水孔位置设计原理图 图10 第4档出水孔实物图3.2 旋转机构图11为旋转机构实物图，如图所示，步进电机转动，在减速齿轮传动下，带动空心轴转动，进而使喷头模块整体转动，从而改变出水角度。 图11 旋转机构实物图3.3 流量调节模块通过控制气缸伸缩距离，带动球阀旋转，进而调节出水阀门开度，控制其流量大小和出水压力大小。图12为流量调节模块的实物图。 图12 流量调节模块的实物图4控制模块设计4.1 整体方案设计作品采用MCS-51单片机为控制系统核心，接收超声波测距模块采集的距离信号与键盘输入的控制信号。单片机根据内部时钟和中断处理，输出园林作业车到绿化带的距离和相应占空比的PWM信号6，控制喷头出水锥度与角度。同时，园林车司机可通过驾驶室内监控器，实时观察清洗情况。其硬件电路总框图如图13所示。测距模块电源模块键盘模块单片机控制系统显示模块流量调节模块档位控制模块监控模块图13 总体框图设计4.2 测距模块测距模块由超声波测距传感器和信号处理电路构成7。超声波传感器实时监测园林作业车到道路绿化带的距离，并通过LCD1602液晶显示结果，提醒作业车司机观测并调整园林作业车与道路绿化带的距离，防止从喷头喷出的水洒到绿化带外。测距模块实物图如图14所示。4.3 键盘及显示模块园林车司机可通过键盘选择相应的档位，调节喷头出水角度、锥度及流量，以适应2m、3m、4m等常规宽度绿化带。系统采用LCD1602对系统工作状态予以显示，主界面显示的信息包括：车体距绿化带距离，阀门档位，清洗档位。键盘及显示模块，实物图如图15所示。图14 测距模块实物图 图15 显示模块实物图4.4 监控模块监控模块由摄像头和监控器组成。作业时，园林车司机可通过驾驶室内监控器观察绿化带的清洗情况，并通过手动控制键适当调节喷头的出水锥度与出水角度，从而保证对不同宽度道路绿化带的准确清洗。摄像头和监控器实物图如图16、17所示。图16 摄像头实物图 图17 监控器实物图5性能测试5.1 清洗策略 根据对武汉市汉南区道路绿化带规格的调研，确定作业车与绿化带距离l=0.5m，喷头安装高度h=1.9m。通过实际测量和查询相关标准得，武汉市常规道路绿化带宽度有：2m、3m、4m8。通过多次实验，确定了针对2m、3m、4m三种宽度道路绿化带的清洗策略，如表1所示。表1 常见宽度道路绿化带清洗策略出水锥度喷洒角度2m宽绿化带3m宽绿化带4m宽绿化带436060364456对于非常规宽度的道路绿化带，驾驶员可手动连续控制舵机和步进电机工作，相应调节喷头出水角度和锥度，实现对非常规宽度绿化带的准确清洗。5.2 清洗效果展示实物制作完成后，与汉南区建设局园林科取得了合作，并在其园林作业车上进行了相关清洗效果实验。实验证明：通过调节出水角度和出水锥度，可以实现对不同宽度道路绿化带的准确清洗。图18为对2m（常规）宽度道路绿化带清洗状态，图19为对3.5m（非常规）宽度道路绿化带清洗状态。 图18 2m（常规）宽度道路绿化带清洗状态图 图19 3.5m（非常规）宽度道路绿化带清洗状态图自主设计的喷头出水均匀性好，冲击力强，仅需一次清洗，水资源利用率高，清洗效果良好。图20、图21为叶片清洗前后对比图。 图20 叶片清洗前 图21 叶片清洗后图22、图23为传统高炮装置和节水式道路绿化带清洗系统对于2m绿化带清洗作业后左右两侧的水量情况。从图片中可以看出，相比于传统高炮，使用本系统后，洒到绿化带两侧的水量大大减少。 a) 绿化带左侧 b) 绿化带右侧 a) 绿化带左侧 b) 绿化带右侧 图22 传统高炮装置清洗后绿化带两侧水量情况 图23 本系统清洗后绿化带两侧水量情况6 节能减排效益分析6.1 道路绿化带单位面积节水效益实验实物制作完成后，与武汉市汉南区建设局园林科取得了合作，并在汉南区选取了宽度分别为2m、3m、4m的道路绿化带进行了相关清洗实验。汉南区道路绿化带栽种植被种类主要为灌木，在保证良好清洗效果前提下，每取50m长度绿化带为一实验路段，分别用传统高炮装置和节水式道路绿化带清洗系统对等长度的绿化带试验路段进行清洗实验。通过水表读出其实验前后的用水量，并记录其达到相同清洗效果时两套装置分别需要清洗的次数。（用户体验见附件三：试用报告）实验结果如表2所示。绿化带宽B（m）清洗距离L（m）清洗次数作业前水表示数W(m3)作业后水表示数M(m3)高炮本系统高炮本系统高炮本系统2233445050505050502121211.4103.6172.6383.8533.1324.0111.5373.6982.8103.9633.3594.166表2 高炮、本系统实验数据对比表根据式可算得每次实验的单位面积用水量，计算得：传统高炮装置单位面积平均用水量；本系统单位面积平均用水量。由式可算得使用本系统后的节水比例。计算得到使用本系统后相对于传统高炮单位面积可节水约34.5%。6.2 武汉市主城区节水效益分析武汉市主城区道路绿化带总面积为170公顷，平均单位面积用水量为2.703吨/公顷(数据来源于武汉市园林局官网)。随各季度降雨量、空气湿度的变化，武汉市园林作业车每月工作天数和每天喷洒次数如图24所示（数据来源于武汉市水务集团有限公司官网）。根据计算式：总用水量=洒水次数单位面积用水量道路绿化带总面积每月作业天数，可计算出武汉市一年内每月绿化带作业实际用水量如图25。 图24 武汉市园林车每月工作天数和洒水次数 图25武汉市一年内每月绿化带作业实际用水量计算得，武汉市主城区道路绿化带年用水量：。以汉南区纱帽街道路绿化带节水情况推算武汉市主城区的节水效益，按每平方米节水比34.5计算得出，若将该节水式道路绿化带系统推广至武汉市主城区每辆园林作业车上，每年可节省水量：。6.3 人力节省分析传统清洗装置需一专人在作业车后方对高炮进行操作，而节水式道路绿化带清洗系统只需园林作业车司机一人在驾驶室操作即可完成全部动作。对于常见宽度道路绿化带，司机只需通过键盘选择相应宽度工作档位即可；对于非常规宽度道路绿化带，司机可通过键盘手动调节出水角度和出水锥度，实现对非常规宽度道路绿化带的准确清洗。根据武汉市园林局提供的数据可知，各区园林作业车（包括园林局作业车和其它私人企业作业车）数量如表3所示：硚口区武昌区洪山区汉阳区江汉区江岸区204137343330表3 武汉各区高炮式道路绿化带作业车数量武汉市上述6区高炮式园林作业车数量总量为195辆，即需195人在作业车后方对高炮进行操作。按每名高炮操作人员每月工资为2000元，每套节水式道路绿化带系统成本为1600元，若节水式道路绿化带系统推广至武汉市主城区所有园林作业车上，即可解放195名劳动力，同时每年可节约人力成本：。7 创新点1）喷头出水角度和出水锥度自动可调，可实现对不同宽度道路绿化带的准确清洗； 2）喷头出水状为锥形实流，保证了出水的均匀性和清洗水柱的冲击力，仅需一次清洗即可，水资源利用率高；3）根据绿化带宽度可相应调节其出水流量，实现对不同宽度道路绿化带的按需清洗。8 应用前景实物制作完毕后，与武汉市汉南区建设局园林科取得了合作，并在其园林作业车上进行了多次清洗实验。实验表明：节水式道路绿化带清洗系统可以实现对不同宽度道路绿化带的准确清洗，清洗效果良好，节水效果明显，且无需专人操作，满足园林车辆上路作业的各项需求。（用户体验见附件三：试用报告）该系统在汉南区正在推广使用，并得到了多方媒体的关注与认可，武汉晚报、汉南电视台、长江网和汉南视线四家媒体先后进行了多方面报道(见附件四：媒体评价)，相信该节水式道路绿化带清洗系统会有着广阔的市场应用前景。参考文献1范丽雅.绿化带对城市大气环境及空气质量的影响J.气候与环境研究,2006,11(1):85-862丁亚超.绿化带对公路交通噪声衰减的效果研究J. HIGHWAY.2004.12(12):204-2063郑琳露. “由植物蒸腾作用看城市沿街绿化带定期清洗的重要性”的实验设计与实践J. 生物学教学,2002,27(2) :38-39.4徐小玉. 武汉市道路绿化带植物景观评价研究J. 江汉大学学报(自然科学版).2005.33(3):79-825.J.6孟海刚. 基于8051单片机控制的直流电机PWM调速系统设计J.伺服控制,2013.2:42-45.7郑志聪, 超声波测距技术J. 福建农机,2008(2):28-29.8 GB 50220-1995,城市道路交通规划设计规范S.