基于EDEM的高速垃圾清掃滾刷性能研究

朱衛(wèi) 葉敏 蘇銀松 張輝

摘要：滾刷系統(tǒng)作為垃圾清掃車的工作模塊之一，對其性能進行深入研究有利于高速垃圾清掃車的研發(fā)。建立清掃車滾刷結構三維模型以及不規(guī)則垃圾顆粒模型，采用離散元分析方法，在EDEM軟件中對滾刷的清掃能力進行仿真驗證。結果表明，車輛高速行駛時，滾刷系統(tǒng)仍對垃圾顆粒有良好的擾動效果，這為高速清掃車設計提供了參考依據。

關鍵詞：高速清掃車;滾刷;離散元分析;不規(guī)則形狀顆粒;EDEM

0 ? ?引言

垃圾清理是公路路面養(yǎng)護管理的一項重要工作[1]。傳統(tǒng)的垃圾清掃車主要用于清理小粒徑輕質垃圾，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量的重質塊狀垃圾，傳統(tǒng)垃圾清掃車并不能很好地對其進行清掃。因此，亟需設計一款適應高速公路路面垃圾特征的清掃車，而滾刷系統(tǒng)作為垃圾清掃車的重要組成部分，對其進行研究可以推動高速垃圾清掃車的設計與研究。Vanegas等人[2]利用掃刷臺架試驗裝置，研究了掃刷在不同操作條件下對中等碎石、細小塵粒以及相鄰片狀垃圾等不同類型垃圾的清掃效率。王崇等人研究設計了一種清掃刷有限元模型，以研究掃地效率并協(xié)助控制器設計，統(tǒng)計分析復雜的刷毛負載特性曲線，以量化橫截面、安裝角度和轉速等對刷毛負載特性的影響程度[3-4]。肖慶麟等人[5]為了獲得彈簧的受力大小和彈簧防止清掃機構擺動的力矩等反映機構性能的主要參數，對清掃機構進行了詳細的受力和運動分析。

本文以碎石為試驗對象，采用EDEM離散元分析軟件研究滾刷在高速運動的情況下對垃圾顆粒的實際擾動程度，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，整體結構相似，故取其中間一段對其進行建模，模型如圖1所示。

現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型排布即對稱螺旋排布。本文建立的模型采用V型排布，模型參數如表1所示。

2 ? ?EDEM仿真

2.1 ? ?仿真參數設置

碎石結構復雜且不均勻，為提高碎石模型準確性，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進行近似替代，模擬碎石，其輪廓與內部顆粒如圖2所示。

其體積為1 059.146 mm3，在仿真過程中共生成120個顆粒，其大小服從標準差為0.05的正態(tài)分布，位置隨機;設置滾刷線速度為10 m/s（36 km/h），轉速為200 r/min。材料屬性如表2所示。

2.2 ? ?接觸模型設置

離散元方法模擬的是顆粒在運動過程中的實際情況，由于在實際清掃過程中，垃圾顆粒之間存在相互作用的粘性力、碰撞力且會發(fā)生滾動[6]，根據顆粒不連續(xù)無規(guī)則的運動方式，在顆粒與顆粒、顆粒與幾何體之間均采用Hertz-

Mindlin（no slip）接觸模型。

在該模型中，法向力Fn是法向重疊量σn的函數，兩者函數關系如式（1）所示：

式中：E*為當量楊氏模量;R*為當量半徑;σn為法向重疊量。

其中，當量楊氏模量E*可通過式（2）求得，當量半徑R*可通過式（3）求得。

1/E*=（1-vi2）/Ei+（1-vj2）/Ej ?（2）

式中：Ei為第i個球體的楊氏模量;Ej為第j個球體的楊氏模量;vi為第i個球體的泊松比;vj為第j個球體的泊松比。

1/R*=1/Ri+1/Rj ?（3）

式中：Ri為第i個球體的半徑;Rj為第j個球體的半徑。

切向力Ft可通過式（4）求得：

式中：σt為切向重疊量。

對于滾動摩擦而言，采用Standard Rolling Friction模型進行計算，滾動摩擦力矩τi可通過式（5）求得：

τi=-μrFndiωi ?（5）

式中：μr為滾動摩擦系數;di為接觸點到質心的距離;ωi為接觸點處的單位角速度矢量。

接觸參數設置如表3所示。

滾刷的清掃能力與其對垃圾顆粒的擾動程度息息相關，故用滾刷對垃圾顆粒的擾動程度作為標準來評價其清掃能力，但滾刷對垃圾顆粒的擾動并不是一個可以直接測量的值，為了能夠度量擾動程度，在滾刷行進方向的前方設置一個如圖3所示與滾刷保持相對靜止的計數區(qū)，凡是通過該區(qū)域的垃圾顆粒均認為其受到較大擾動。

本文以碎石為例，用以下數學模型計算。按上述設置重復k次試驗，每次試驗生成的碎石顆粒大小和位置均不相同，第i次試驗中通過計數區(qū)的垃圾顆粒數量為ni，總垃圾顆粒數為Ni，則垃圾顆粒在第i次試驗中收集率為：

收集率為p：

方差s2：

方差s2越小，計算出來的收集率越接近真實收集率。

2.3 ? ?結果與分析

按照上述設置，運行程序10次，其碎石顆粒運動軌跡如圖4所示，通過式（7）和式（8）求得收集率p=81.583%，方差s2=4.29。分別計算出各個垃圾顆粒沿滾刷前進方向的位移和豎直方向位移，并對其排序，繪制成如圖5、圖6所示散點圖。

從圖5可以看出，絕大多數垃圾顆粒在滾刷的作用下在水平方向上能達到的位移超過了10 m，絕大多數垃圾顆粒的位移保持在10～30 m，體現了滾刷在行進方向上對垃圾顆粒的良好擾動能力。從圖6可以看出，絕大多數垃圾顆粒在滾刷的作用下在豎直方向上能達到的位移超過了1 m，絕大多數垃圾顆粒的位移保持在1～3 m，相較于水平行進方向上的位移而言，豎直方向上的位移更能反映滾刷的清掃性能，對于現有清掃車而言1～3 m的距離完全滿足收集需求。