多功能户外照明设备的设计与研究

时间：2024-07-28

刘艳艳林朝辉李海峰

（南京理工大学紫金学院智能制造学院，南京 210023）

户外照明设备是基础设施的重要组成部分。它的功能是夜间时段照明，白天时段充当一种装饰。很多城市会其特有的植物、动物、风景以及特产等元素与其相结合，因此户外照明设备也代表着一个城市的文化和品牌。但是，如今传统的户外照明设备一般仅具有照明功能，通常由灯杆和灯头组成，功能性单一，已无法满足我国正在推进的智慧城市建设需求[1-3]。因此，对户外照明设备多用途性的探索已然成为了一种研究趋势。例如陶隽儒[4]结合行人的需要提供了一种方便行人休息的太阳能路灯，其中路灯杆上设有座椅，座板下方设有滑动垃圾盒，可方便行人放置垃圾。此外，杨登路[5]设计了一种具有灭蚊虫功能的太阳能路灯，张贵中[6]设计了一种远程智能控制的可喷淋及清洗浇灌的景观路灯。

1 功能设计

本研究在满足传统户外照明设备基本功能属性的基础上，基于物联网的可控性要求和公共设备智能化原则，开展户外照明设备的总体功能设计，在满足道路照明功能的基础上，通过人机交互和功能转换实现为行人提供休闲座椅、监控、避雨场所等扩展功能，如图1所示。

2 系统设计

2.1 整体结构设计

根据设备功能要求，开展多功能户外照明设备的整体结构设计。整体结构由框架、气缸翻转组件、LED灯组以及雨棚模块等组成，如图2所示[7]。框架由大/小支脚和椅体构成，是设备主体结构和承力部件；气缸翻转机构为设备功能转换的驱动装置；LED灯组和雨棚为设备的功能模块。

图1 多功能户外照明设备系统功能

图2 设备硬件结构够成图

2.2 主要结构设计与计算

2.2.1 框架选材与设计计算

本设备框架部件选择Q235材质。在座椅形态下，以椅板上可承受3个成年人（各100 kg）的情况进行设计。人体与椅板接触面积为350 mm×350 mm，则椅板受力为：

式中，m为人体总质量，a为人体与椅板接触面积。于是，有：

基于Q235材料的力学性能，最后计算：

故选用厚度为8 mm的Q235板材强度足够。

2.2.2 翻转机构设计计算

翻转机构由椅体翻转（大气缸驱动）、小支脚翻转（小气缸驱动）、回拉弹簧以及稳定装置（齿轮齿条）等子机构组成。

（1）大气缸计算

大气缸的作用是为椅体的翻转提供动力。选用两个相同气缸对称分布于两侧，气缸需承受整个椅体和小支脚的质量。已知总质量为300 kg，则单个气缸所需的推力F1=1 500 N。

根据式（4）：

可得缸筒内径D1=80 mm和活塞杆直径d1=25 mm。根据实际结构设计，气缸行程S1取300 mm。

（2）小气缸计算

小气缸缸筒内径D2和活塞杆直径d2均选取较大值，即D2=80 mm、d2=25 mm、工作压强p=0.5 MPa。结合实际结构设计，行程S2取100 mm。

（3）回拉弹簧

参考工程设计经验和设备设计实际，回拉弹簧设计成Ⅱ类载荷弹簧，选油淬火回火碳素弹簧钢丝B类，初步假设钢丝直径d为7～9 mm。为保证弹簧特性，要求工作载荷F在试验载荷Fs的20%～80%，取F=0.8Fs，工作载荷F=1 400 N，则：

用查表法[7]确定钢丝直径，得试验载荷：

故选用弹簧钢丝直径d为8 mm、弹簧中径D为50 mm、试验载荷Fs为2 352 N、一圈弹簧的试验变形量fsd为7.27 mm、一圈弹簧的刚度Kd为324 N·mm-1。

计算弹簧试验载荷最大值为：

故弹簧强度满足要求，弹簧内径D1=42 mm、D2=58 mm。

（4）齿轮齿条设计

齿轮齿条机构用于实现座椅缓慢回缩，保证系统运行平稳性。根据传动设备的空间结构要求，底板尺寸、输出端齿轮中心高度及中心距范围必须满足原机型的结构参数。根据传动比i=2，设齿轮齿数Z1=30，选取模数m=5，齿条的齿数Z2=60，齿轮齿条中心距a=450 mm，齿轮直径D1=150 mm。

把上述参数带入式（8）进行齿轮强度计算，有：

式中，ZH为节点区域系数，ZE为材料弹性系数，Zε为重合度系数，Zβ为螺旋角系数，μ为齿数比，KA为使用系数，KV为动载系数，KHα为齿间载荷分布系数，KHβ为齿向载荷分布系数，b为齿宽。可知，齿轮符合强度要求。

2.3 人机交互系统设计

人机交互系统用于实现设备功能转换的控制和照明、雨棚、监控功能的人机控制等。硬件模块由PLC、触摸屏、伺服电机及其驱动器等组成，是人机交互系统的执行机构，用于驱动并实现设备功能的转换。智能交互模块由光线传感器、无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）器等构成，是人机交互系统的感知元件和神经中枢，实现设备对周围环境的感知和智能化控制，如图3所示。

图3 人机交互系统框架设计