朱偉濤，馮凱文

（北京首發(fā)公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，北京 102600）

引言

以高速公路夜間施工照明設(shè)備為研究對(duì)象，以公路工程理論知識(shí)和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)為依托，通過(guò)查閱和比較國(guó)內(nèi)外關(guān)于公路建設(shè)項(xiàng)目設(shè)備應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)國(guó)外用于道路施工的夜間照明設(shè)備除使用移動(dòng)式發(fā)電照明設(shè)備，還配備“可穿戴”的照明設(shè)備，但其輔助性功能成效并不凸顯。

市場(chǎng)中最常用的是貝利牌PB2000 球形工程車（又稱球型照明燈），根據(jù)多年使用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該機(jī)具存在三方面弊端：（1）購(gòu)置和使用成本高，其中平均每臺(tái)機(jī)具年油耗、維修和保養(yǎng)等費(fèi)用高達(dá)16 000 元。（2）機(jī)具采用汽油發(fā)電機(jī)提供220 V 電壓，存在較大機(jī)電安全隱患。（3）機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量尾氣和噪音，嚴(yán)重影響施工現(xiàn)場(chǎng)和周邊區(qū)域的環(huán)保健康。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體構(gòu)造

新能源節(jié)能照明燈由行走裝置、工作裝置、控制裝置和動(dòng)力裝置四部分組成。行走裝置是移動(dòng)式四輪推車，前排是萬(wàn)向輪組，后排是定向輪組；工作裝置分為升降系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，其中升降系統(tǒng)選裝1.5～3 m 的氣動(dòng)升降桿搭配12 V 電動(dòng)氣泵，照明系統(tǒng)由自主設(shè)計(jì)的燈架（前后各兩組）和總功率是400 W的LED 燈管等部件裝配而成；控制裝置是由兩塊（195 AH、12 V）蓄電池作為動(dòng)力源，蓄電池采用太陽(yáng)能和市電雙路充電，太陽(yáng)能充電為主，市電為輔。

1.2 工作原理

（1）蓄電池充電階段。利用太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池板上，發(fā)生光電反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，電能經(jīng)太陽(yáng)能板端子輸出直流電流，電流存儲(chǔ)至兩塊蓄電池中。（2）升降桿起升階段。人工鎖止行走裝置后，首先旋轉(zhuǎn)電源總開(kāi)關(guān)，其次正向撥動(dòng)氣泵開(kāi)關(guān)，氣泵與蓄電池之間形成通路，電動(dòng)氣泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)并壓縮空氣，產(chǎn)生的氣壓推動(dòng)氣動(dòng)桿進(jìn)行上升運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上升到合適高度時(shí)，松開(kāi)氣泵開(kāi)關(guān)，升降桿將在此高度保持靜止?fàn)顟B(tài)。（3）夜間照明階段。分別開(kāi)啟兩側(cè)燈具開(kāi)關(guān)，保持燈光光線與車道平行，減少對(duì)雙向來(lái)往車輛的干擾，根據(jù)作業(yè)工序進(jìn)度調(diào)整機(jī)具位置。（4）回收機(jī)具階段。解鎖行走裝置，完成機(jī)具回收。升降桿降落階段。在完成作業(yè)后，將機(jī)具裝車前，首先負(fù)向撥動(dòng)氣泵開(kāi)關(guān)，使得工作裝置徹底歸位，然后松動(dòng)開(kāi)關(guān)，最后關(guān)閉總電源開(kāi)關(guān)。

圖1 機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)流程

1.3 繪制新能源節(jié)能照明燈

根據(jù)機(jī)具的總體構(gòu)造、工作原理、外觀設(shè)計(jì)（外觀顏色為橘黃色；外觀結(jié)構(gòu)緊湊；表面粗糙度低；移動(dòng)車體省力）、人機(jī)工效設(shè)計(jì)（設(shè)備規(guī)格符合中國(guó)普遍成年男性物理特性）和道路施工要求，繪制設(shè)備的外觀見(jiàn)圖2～圖5，有助于產(chǎn)品后期研制。

圖2 機(jī)具

圖3 機(jī)具充電狀態(tài)

圖4 機(jī)具充電狀態(tài)

圖5 機(jī)具完成充電狀態(tài)

2 選材分析

機(jī)具重要部件和組成材料選用綜合分析見(jiàn)表1。

表1 機(jī)具重要部件和組成材料選用綜合分析

3 產(chǎn)品研發(fā)制造

3.1 行走裝置

由自制手推式移動(dòng)車，車體本著“輕便型、緊湊型和最小化”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，全車使用3×3 方鋼，各連接處采用焊接工藝，后排使用剎車萬(wàn)向輪，前排使用導(dǎo)向輪，使用螺栓與底盤固連，使用兩塊12 V 電瓶配重，保障車體平穩(wěn)移動(dòng)。

3.2 工作裝置

由燈罩、燈具、升降桿、控制開(kāi)關(guān)和供電系統(tǒng)組成。燈罩是自主研制的屋脊頂防水罩，采用鋁制板制作，減少折程，防止水腐蝕燈具和局部線路；燈具安裝在燈架上，可圍繞升降桿軸心全周旋轉(zhuǎn)；升降桿重心與機(jī)具重心高度重合，通過(guò)氣泵傳動(dòng)，徑向?qū)崿F(xiàn)升降；供電系統(tǒng)中，蓄電池置于自制沖壓式鋁罩，單塊太陽(yáng)能板收攏時(shí)與機(jī)具三點(diǎn)固連，舒展時(shí)與機(jī)具兩點(diǎn)固連。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是聯(lián)動(dòng)整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)，采用獨(dú)立控制開(kāi)關(guān)（安裝在控制箱上），分為總電源開(kāi)關(guān)、照明開(kāi)關(guān)、升降開(kāi)關(guān)和氣泵開(kāi)關(guān)。

圖6 燈機(jī)具實(shí)物

3.4 動(dòng)力裝置

動(dòng)力裝置是兩塊安全可靠蓄電池作為動(dòng)力，置于行走推車底盤上，采用太陽(yáng)能和市電雙路充電。

4 模擬調(diào)試

通過(guò)模擬調(diào)試一方面為檢驗(yàn)機(jī)具是否存在故障或是缺陷，另一方面通過(guò)比對(duì)和改進(jìn)試驗(yàn)，逐步提高本產(chǎn)品的實(shí)操功效。本機(jī)具主要對(duì)升降桿、燈具、蓄電池和行走車四部分進(jìn)行遞進(jìn)式模擬調(diào)試。

（1）升降桿。第一代升降桿使用機(jī)械式手搖傳動(dòng)，存在升降效率低、操作復(fù)雜和設(shè)備笨拙等缺點(diǎn)。采用氣動(dòng)升降桿，使得機(jī)具操作安全、運(yùn)轉(zhuǎn)高效，可在1～3 s 內(nèi)平穩(wěn)完成升降操作。（2）燈具。逐級(jí)選用100 W、150 W 燈具并不能滿足夜間道路照明要求，存在光通量低、光強(qiáng)低和夜間照明效果低，最終采用兩副雙排雙向200 W 的燈具，實(shí)現(xiàn)了高亮度、單車道寬幅和雙層疊加照明的效果。（3）蓄電池。因單組12 V 蓄電池不能滿足單臺(tái)班工作時(shí)長(zhǎng)，故而并聯(lián)兩塊蓄電池，其平均使用壽命4～5 a，充放電次數(shù)800～1 000 次，機(jī)具滿負(fù)荷照明持續(xù)時(shí)間30 h，自帶太陽(yáng)能板充滿2 塊蓄電池需15 h。（4）行走車。為提高機(jī)具在瀝青路面上速率，使用兩副橡膠輪代替將第一代充氣輪胎。模擬試驗(yàn)證明，研制出的新能源照明節(jié)能燈機(jī)具滿足了夜間施工規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)，未出現(xiàn)設(shè)備故障或者缺陷。

5 應(yīng)用及效果

試驗(yàn)地點(diǎn)取京哈高速進(jìn)京方向K24 三車道，試驗(yàn)時(shí)間為23∶00，試驗(yàn)項(xiàng)目是在路面病害處理施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行移動(dòng)式照明試驗(yàn)。機(jī)具使用狀況良好，已完成充電。路面病害處理專項(xiàng)工程的主要施工工藝流程［3］見(jiàn)圖7。

圖7 施工工藝流程

完成占路交通導(dǎo)改作業(yè)后，車輛、設(shè)備陸續(xù)進(jìn)入工作區(qū)，在卸下新能源照明燈機(jī)具后進(jìn)行調(diào)試機(jī)具，并分別放置在上游過(guò)渡區(qū)、終止區(qū)和工作區(qū)中各一臺(tái)。

（1）試驗(yàn)一。在路面清掃作業(yè)中，移動(dòng)機(jī)具至銑刨路面中位，實(shí)測(cè)夜間作業(yè)區(qū)內(nèi)機(jī)具應(yīng)用效果。機(jī)具小型輕便，操作靈敏，移動(dòng)便捷，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，最高升限3 m 高，在6 級(jí)風(fēng)力下機(jī)具整體保持穩(wěn)定；有效照明長(zhǎng)度80 m，寬度6 m，滿足施工區(qū)作業(yè)要求；電源常閉計(jì)時(shí)下，設(shè)備滿負(fù)荷照明持續(xù)時(shí)間為30 h。（2）試驗(yàn)二。實(shí)測(cè)夜間行車過(guò)程中，機(jī)具對(duì)作業(yè)區(qū)外部環(huán)境的影響。作業(yè)區(qū)外部其他車道上的車輛在迎燈方向上或是在背燈方向上行駛時(shí)，接收到機(jī)具的光通量值平均低于30 LM，對(duì)駕駛員的安全行使無(wú)影響。

該機(jī)具樣燈已研制完成，經(jīng)過(guò)多次充、放電和現(xiàn)場(chǎng)照明測(cè)試，使用試驗(yàn)分析方法，確定出新能源節(jié)能照明燈機(jī)具的主要參數(shù)指標(biāo)，并與同功能PB2000B 球型照明燈進(jìn)行比較，得出自主設(shè)計(jì)的機(jī)具符合照明安全技術(shù)規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)施工需求。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)和指標(biāo)綜合對(duì)比

6 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

目前在用照明燈采用汽油發(fā)電機(jī)供電，日運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)約6 h，油耗約為12 L，日油費(fèi)約80 元，年工作天數(shù)150 d，年油費(fèi)約12 000 元，另外機(jī)械損耗和維修費(fèi)用約4 000 元，年使用成本總計(jì)16 000 元；改用新能源節(jié)能照明燈，主要零部件使用壽命均在5 a以上，每臺(tái)1 a 可節(jié)約資金約16 000 元。球形照明燈原值每臺(tái)21 000 元，新能源節(jié)能照明燈單臺(tái)制造成本約7 000 元，購(gòu)置成本每臺(tái)可節(jié)約14 000 元。

6.2 全壽命比較

球形照明燈原值21 000 元，使用壽命8 a，年平均折舊2 600 元；新能源節(jié)能燈制造成本7 000 元，使用壽命5 a，年折舊成本1 400 元。使用新能源節(jié)能燈年節(jié)約購(gòu)置成本1 200 元。綜上，我單位所需照明工程燈60 臺(tái)應(yīng)用新能源節(jié)能照明燈，較球形照明燈燈每臺(tái)每年可節(jié)約總成本17 200 元，60 臺(tái)每年可節(jié)約成本103.2 萬(wàn)元。

6.3 安全保障

蓄電池供電的輸出電壓為12 V,可確保用電安全。LED 照明燈光線柔和，其他非作業(yè)車道的光干擾微乎其微，對(duì)來(lái)車方向通行車輛無(wú)影響，滿足施工區(qū)照明安全技術(shù)要求。

6.4 社會(huì)效益

可達(dá)到“零排放、無(wú)噪聲”，完全符合施工安全環(huán)保要求?？蓮V泛應(yīng)用于夜間道路施工、養(yǎng)護(hù)作業(yè)、橋隧施工和應(yīng)急搶險(xiǎn)等多個(gè)方面，推廣應(yīng)用前景廣闊。

7 結(jié)語(yǔ)

此機(jī)具從根本上解決了夜間道路施工現(xiàn)場(chǎng)照明設(shè)備的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了安全、環(huán)保、可靠、節(jié)能和低成本的目標(biāo)，同時(shí)移動(dòng)靈敏便捷、設(shè)備耐用。設(shè)備的機(jī)具實(shí)現(xiàn)了主要功用，但是生產(chǎn)加工制造工藝水平有有待提高和完善，同時(shí)設(shè)備的智能化水平設(shè)計(jì)還有很大提升空間。