引言

垃圾清理是公路路面養(yǎng)護(hù)管理的一項(xiàng)重要工作。傳統(tǒng)的垃圾清掃車(chē)主要用于清理小粒徑輕質(zhì)垃圾,然而受自然環(huán)境和氣流影響,高速公路垃圾多為具有一定質(zhì)量的重質(zhì)塊狀垃圾,傳統(tǒng)垃圾清掃車(chē)并不能很好地對(duì)其進(jìn)行清掃。因此,亟需設(shè)計(jì)一款適應(yīng)高速公路路面垃圾特征的清掃車(chē),而滾刷系統(tǒng)作為垃圾清掃車(chē)的重要組成部分,對(duì)其進(jìn)行研究可以推動(dòng)高速垃圾清掃車(chē)的設(shè)計(jì)與研究。Vanegas等人利用掃刷臺(tái)架試驗(yàn)裝置,研究了掃刷在不同操作條件下對(duì)中等碎石、細(xì)小塵粒以及相鄰片狀垃圾等不同類(lèi)型垃圾的清掃效率。王崇等人研究設(shè)計(jì)了一種清掃刷有限元模型,以研究掃地效率并協(xié)助控制器設(shè)計(jì),統(tǒng)計(jì)分析復(fù)雜的刷毛負(fù)載特性曲線,以量化橫截面、安裝角度和轉(zhuǎn)速等對(duì)刷毛負(fù)載特性的影響程度。肖慶麟等人為了獲得彈簧的受力大小和彈簧防止清掃機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的力矩等反映機(jī)構(gòu)性能的主要參數(shù),對(duì)清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的受力和運(yùn)動(dòng)分析。

本文以碎石為試驗(yàn)對(duì)象,采用EDEM離散元分析軟件研究滾刷在高速運(yùn)動(dòng)的情況下對(duì)垃圾顆粒的實(shí)際擾動(dòng)程度,以此判斷其清掃功能。

1模型建立

滾刷裝置主要由刷體和刷毛兩部分組成,整體結(jié)構(gòu)相似,故取其中間一段對(duì)其進(jìn)行建模,模型如圖1所示。

現(xiàn)有滾刷刷絲排布方式主要有直列排布、螺旋排布、V型排布,其中直列排布指滾筒上各排刷毛沿滾筒軸線方向平行排布,螺旋排布指刷毛沿滾筒圓周呈螺旋線排布,V型排布即對(duì)稱(chēng)螺旋排布。本文建立的模型采用V型排布,模型參數(shù)如表1所示。

2EDEM仿真

2.1仿真參數(shù)設(shè)置

碎石結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不均勻,為提高碎石模型準(zhǔn)確性,建立不規(guī)則碎石模型輪廓,并用

EDEM軟件中自帶的球形顆粒組合來(lái)進(jìn)行近似替代,模擬碎石,其輪廓與內(nèi)部顆粒如圖2所示。

其體積為1059.146mm3,在仿真過(guò)程中共生成120個(gè)顆粒,其大小服從標(biāo)準(zhǔn)差為0.05的正態(tài)分布,位置隨機(jī):設(shè)置滾刷線速度為10m/s(36km/h）,轉(zhuǎn)速為200r/min。材料屬性如表2所示。

2.2接觸模型設(shè)置

離散元方法模擬的是顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際情況,由于在實(shí)際清掃過(guò)程中,垃圾顆粒之間存在相互作用的粘性力、碰撞力且會(huì)發(fā)生滾動(dòng),根據(jù)顆粒不連續(xù)無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)方式,在顆粒與顆粒、顆粒與幾何體之間均采用Hertz-Mindlin(noslip）接觸模型。

在該模型中,法向力Fn是法向重疊量σn的函數(shù),兩者函數(shù)關(guān)系如式(1）所示:

式中:E*為當(dāng)量楊氏模量:R*為當(dāng)量半徑:σn為法向重疊量。

其中,當(dāng)量楊氏模量E*可通過(guò)式(2）求得,當(dāng)量半徑R*可通過(guò)式(3）求得。

式中:Ei為第i個(gè)球體的楊氏模量:Ej為第j個(gè)球體的楊氏模量:⑦i為第i個(gè)球體的泊松比:⑦j為第j個(gè)球體的泊松比。

式中:Ri為第i個(gè)球體的半徑:Rj為第j個(gè)球體的半徑。

切向力Fl可通過(guò)式(4）求得:

式中:al為切向重疊量。

對(duì)于滾動(dòng)摩擦而言,采用standardRollingFriction模型進(jìn)行計(jì)算,滾動(dòng)摩擦力矩ri可通過(guò)式(5）求得:

式中:ur為滾動(dòng)摩擦系數(shù):di為接觸點(diǎn)到質(zhì)心的距離:oi為接觸點(diǎn)處的單位角速度矢量。

接觸參數(shù)設(shè)置如表3所示。

滾刷的清掃能力與其對(duì)垃圾顆粒的擾動(dòng)程度息息相關(guān),故用滾刷對(duì)垃圾顆粒的擾動(dòng)程度作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)其清掃能力,但滾刷對(duì)垃圾顆粒的擾動(dòng)并不是一個(gè)可以直接測(cè)量的值,為了能夠度量擾動(dòng)程度,在滾刷行進(jìn)方向的前方設(shè)置一個(gè)如圖3所示與滾刷保持相對(duì)靜止的計(jì)數(shù)區(qū),凡是通過(guò)該區(qū)域的垃圾顆粒均認(rèn)為其受到較大擾動(dòng)。

本文以碎石為例,用以下數(shù)學(xué)模型計(jì)算。按上述設(shè)置重復(fù)k次試驗(yàn),每次試驗(yàn)生成的碎石顆粒大小和位置均不相同,第i次試驗(yàn)中通過(guò)計(jì)數(shù)區(qū)的垃圾顆粒數(shù)量為ni,總垃圾顆粒數(shù)為Ni,則垃圾顆粒在第i次試驗(yàn)中收集率為:

方差s2越小,計(jì)算出來(lái)的收集率越接近真實(shí)收集率。

2.3結(jié)果與分析

按照上述設(shè)置,運(yùn)行程序l0次,其碎石顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示,通過(guò)式(7）和式(8）求得收集率p=8l.583%,方差s2=4.29。分別計(jì)算出各個(gè)垃圾顆粒沿滾刷前進(jìn)方向的位移和豎直方向位移,并對(duì)其排序,繪制成如圖5、圖6所示散點(diǎn)圖。

從圖5可以看出,絕大多數(shù)垃圾顆粒在滾刷的作用下在水平方向上能達(dá)到的位移超過(guò)了l0m,絕大多數(shù)垃圾顆粒的位移保持在l0～30m,體現(xiàn)了滾刷在行進(jìn)方向上對(duì)垃圾顆粒的良好擾動(dòng)能力。從圖6可以看出,絕大多數(shù)垃圾顆粒在滾刷的作用下在豎直方向上能達(dá)到的位移超過(guò)了lm,絕大多數(shù)垃圾顆粒的位移保持在l～3m,相較于水平行進(jìn)方向上的位移而言,豎直方向上的位移更能反映滾刷的清掃性能,對(duì)于現(xiàn)有清掃車(chē)而言l～3m的距離完全滿(mǎn)足收集需求。

3結(jié)語(yǔ)

本研究著力于高速垃圾清掃車(chē)設(shè)計(jì),針對(duì)清掃車(chē)滾刷系統(tǒng)對(duì)垃圾顆粒的擾動(dòng)效果這一研究目標(biāo),采用EDEM離散元分析軟件對(duì)滾刷系統(tǒng)擾動(dòng)能力進(jìn)行模擬試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比多組試驗(yàn)結(jié)果,得到以下結(jié)論:當(dāng)清掃車(chē)車(chē)速為36km/h,滾刷轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí),滾刷對(duì)垃圾顆粒仍然具有良好的擾動(dòng)效果,且在行進(jìn)方向上的擾動(dòng)效果大于豎直方向,對(duì)垃圾顆粒的收集率達(dá)到81.583%,能夠很好地實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。