基于ADAMS的地鐵隧道清潔車滾刷系統(tǒng)的研究*

譚元文 王國志 曹年歡

（西南交通大學(xué)先進(jìn)驅(qū)動節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程逐步加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市交通越來越擁擠。為緩解交通壓力，許多大城市大力發(fā)展地鐵［1～2］。隨著地鐵里程迅速增加，地鐵隧道內(nèi)的清潔工作日益繁重。地鐵隧道的運(yùn)營環(huán)境不僅影響地鐵隧道內(nèi)的環(huán)境美觀，還對地鐵車輛行車構(gòu)成安全威脅［3］。細(xì)小的灰塵顆粒被乘客吸入肺里，還會引發(fā)一系列的呼吸疾?。?］。因此，保持地鐵隧道清潔就是保證地鐵車輛的行車安全，也會保證乘客的呼吸健康。

通常垃圾顆粒被吸污系統(tǒng)吸起需經(jīng)歷兩個過程：克服滾動摩擦力開始滾動；風(fēng)速達(dá)到顆粒的最小起動速度，顆粒懸浮并被吸入吸污口［5］。為了提高清潔效率，使用清潔車的滾刷系統(tǒng)將顆粒掃起，直接將顆粒掃至吸污口。有學(xué)者對清潔車清掃系統(tǒng)進(jìn)行了研究：丁青海等［6］利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對小型電動掃地車滾刷系統(tǒng)清掃過程進(jìn)行了仿真；陳順［7］通過對不同布置方式的清潔裝置進(jìn)行性能分析，設(shè)計了具有自動避讓功能的清掃裝置；王吉瑞［8］設(shè)計了一種小型吸掃式清潔車，其吸塵系統(tǒng)的主要作用時防止二次揚(yáng)塵；林琳等［9］利用三維軟件對軌道清潔車進(jìn)行建模、裝配和分析，更加清晰地展示了各構(gòu)件的連接方式，從而實(shí)現(xiàn)合理布局，實(shí)現(xiàn)了對軌道和道床的全面清潔；Francis等［10］設(shè)計了一種可自動收集垃圾的鐵路清掃機(jī)器人，并且能夠自動噴灑消毒劑；Xiao等［11］通過在軌道清潔車上安裝實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，以便于監(jiān)測水箱和污水艙的水高度、車外溫度和油壓等，使清潔工作有效進(jìn)行。上述研究對清潔車的優(yōu)化均有指導(dǎo)意義，但他們未考慮滾刷系統(tǒng)對吸掃結(jié)合式清潔車吸污口的影響。為此，分析滾刷系統(tǒng)不同因素對顆粒清掃效果的影響能夠提高清掃效率。

2 滾刷與地面及顆粒接觸關(guān)系分析

2.1 滾刷與地面接觸關(guān)系分析

經(jīng)查閱文獻(xiàn)［12］得知，標(biāo)準(zhǔn)地鐵軌道的軌距為1435mm，去除鋼軌彈性扣件所占距離，本文將滾刷系統(tǒng)寬度設(shè)計為1200mm。傳統(tǒng)的滾刷系統(tǒng)為單滾刷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要有滾刷、吸塵口和擋板。其工作過程為滾刷將顆粒掃起，使顆粒有一個向上的初速度，被掃起的顆粒經(jīng)過擋板二次反彈，彈起的顆粒被吸塵口吸走。為了提高滾刷系統(tǒng)的清掃效率，在單滾刷的基礎(chǔ)上再添加一個后滾刷，其旋轉(zhuǎn)方向與前滾刷旋轉(zhuǎn)方向相反，此種滾刷為雙滾刷系統(tǒng)。

顆粒受到滾刷系統(tǒng)刷毛的力的大小會影響滾刷系統(tǒng)的清掃效果，因此為提高滾刷系統(tǒng)清掃效率，需對滾刷與路面接觸關(guān)系進(jìn)行分析。

滾刷刷毛與地鐵隧道地面接觸關(guān)系如圖1所示。其中v為牽引車行駛速度，ω為滾刷轉(zhuǎn)速，Δx為刷毛最大變形量，β為刷毛剛與地面接觸時在豎直方向上的夾角，S為單束刷毛在地面上的最大清掃距離，α1與α2為顆粒被拋射后速度方向與水平面的夾角，稱為拋射角，拋射角越大，越有利于吸塵口吸走顆粒，清污系統(tǒng)的清潔效率就越高。由圖可知，當(dāng)刷毛與地面垂直時刷毛的變形量最大。由此可以得到刷毛剛與地面接觸時與豎直方向的夾角β與最大變形量Δx之間的關(guān)系式為：

圖1 滾刷刷毛與地面接觸關(guān)系

上式中，R為刷毛頂部到滾軸中心的距離，m；從上式可以知道當(dāng)Δx值越大，β值也越大；β值越大，滾刷與顆粒分離時刷毛與地面的夾角越小，顆粒被拋射時在豎直方向上的速度也就越大。

在清潔車向前運(yùn)動的過程中，為防止刷毛打滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，則應(yīng)使?jié)L刷刷毛與地面接觸部分速度大于清潔車行進(jìn)速度，即應(yīng)滿足下列不等式：

由式（2）可知，當(dāng)其它參數(shù)保持不變時，清潔車行駛速度v與滾刷轉(zhuǎn)速ω成正比關(guān)系。本文取滾軸直徑為0.15m，刷毛長度為0.3m，則可得到R的值為0.375m，刷毛的最大變形量Δx為0.01m，由式（1）可計算出角度β為13.26°。將上述值代入式（2）后可得到的不等式如下：

2.2 滾刷與顆粒接觸關(guān)系分析

為了分析滾刷刷毛對不同顆粒的接觸影響，需對刷毛與顆粒接觸關(guān)系進(jìn)行分析，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 滾刷刷毛與顆粒接觸關(guān)系

假設(shè)刷毛與顆粒接觸時間為Δt，在接觸時間內(nèi)忽略空氣阻力，且在該時間內(nèi)刷毛給顆粒的力F為定值，根據(jù)動量守恒定律，顆粒在水平方向與豎直方向上的速度關(guān)系為

將式（4）兩邊分別除以式（5）兩邊可得到下式：

從上式可以看出，當(dāng)顆粒受力不變時，豎直方向的速度與水平方向的速度之比與顆粒質(zhì)量有關(guān)，即顆粒的拋射角與顆粒質(zhì)量有關(guān)，顆粒質(zhì)量越大，拋射角越小。

3 地鐵隧道清潔車滾刷系統(tǒng)介紹

為了驗(yàn)證雙滾刷系統(tǒng)的性能，使用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對單滾刷與雙滾刷系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行仿真對比，模型如圖3所示。此模型主要由前滾刷、后滾刷、吸污口以及外殼組成。滾刷主要將地面的顆粒向后拋起并使顆粒向吸污口集中，吸污口將滾刷掃起的顆粒吸走，外殼的作用是防止被滾刷掃起的顆粒四處飛濺。

圖3 滾刷系統(tǒng)

為節(jié)省仿真計算量，需對模型進(jìn)行簡化，簡化后的仿真模型由滾刷、地面與垃圾顆粒組成。在ADAMS中導(dǎo)入仿真模型，設(shè)置參數(shù)：重力加速度沿-Y方向?yàn)?.80335m/s2，添加刷毛材料，需要使用ADAMS自帶的柔性化模塊對其進(jìn)行柔性化［13］，地鐵隧道最常見的垃圾顆粒為土塊與石子，它們的密度分別為1300kg/m3與1500kg/m3。刷毛與顆粒之間、地面與顆粒之間都需添加接觸力，其中顆粒與地面的靜摩擦因數(shù)與動摩擦因數(shù)分別為0.55和0.5，顆粒與刷毛的靜摩擦因數(shù)與動摩擦因數(shù)分別為0.1和0.09。將滾刷轉(zhuǎn)速設(shè)為120r/min，對不同牽引速度下的滾刷系統(tǒng)工作過程進(jìn)行仿真，分析在兩種滾刷系統(tǒng)中顆粒的運(yùn)動情況，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著清潔車牽引速度的增加，在單滾刷系統(tǒng)的作用下，土塊在水平方向的速度逐漸減小，在豎直方向的速度基本保持不變；在雙滾刷系統(tǒng)的作用下，土塊在水平方向的速度逐漸增大，在豎直方向的速度基本保持不變。并且土塊在單滾刷作用下豎直方向的速度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在雙滾刷系統(tǒng)作用下豎直方向的速度，在水平方向的速度大于在雙滾刷系統(tǒng)作用下的水平速度。

圖4 兩種系統(tǒng)下土塊速度與清潔車行駛速度關(guān)系

為了更直觀地對比兩種滾刷的清掃效果，分析土塊的拋射角隨清潔車牽引速度的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在單滾刷系統(tǒng)作用下，土塊的拋射角α1隨著牽引速度的增加而增加，在雙滾刷系統(tǒng)作用下，土塊的拋射角α2隨著牽引速度的增加而逐漸減小，并且拋射角α2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于α1。由于拋射角越大，越有利于吸塵口除塵，因此雙滾刷系統(tǒng)的清掃效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單滾刷系統(tǒng)。因此本文選擇雙滾刷系統(tǒng)作為地鐵隧道清潔車的滾刷系統(tǒng)。

圖5 兩種系統(tǒng)下土塊的拋射角與牽引速度關(guān)系

4 滾刷清掃過程仿真分析

4.1 刷毛材料的選擇

刷毛材料的選擇對滾刷的清掃效果有很大影響，因此需對不同材料的刷毛進(jìn)行對比分析［14］。早在20世紀(jì)，就有國家將滾刷應(yīng)用到工程實(shí)際中，當(dāng)時的滾刷刷毛的材料多為竹制的，這種材料的刷毛基本能滿足工作要求，但是它的缺點(diǎn)是非常不耐磨，而且易折損，一般作業(yè)10h，折損率就達(dá)到了20%。還有的滾刷刷毛為鋼絲刷毛，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)難度小，生產(chǎn)廠家多，其成本也低。但其缺點(diǎn)是鋼絲刷毛在工作一段時間后會逐漸脫落，而且由于其硬度高，會損壞地面。尼龍刷毛不僅具有高耐磨性、高沖擊韌性，而且價格便宜［15］，因此本文選擇尼龍為刷毛材料。

4.2 清潔車牽引速度影響

為了研究清潔車牽引速度對滾刷系統(tǒng)清掃不同顆粒的影響，利用ADAMS對同一滾刷轉(zhuǎn)速下不同牽引速度的清掃過程進(jìn)行仿真，并且分析滾刷系統(tǒng)對不同顆粒的作用的影響，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，土塊與石子的拋射角均隨牽引速度的增加而逐漸減小，并且在相同的牽引速度下，土塊的拋射角大于石子的拋射角。這是由于當(dāng)牽引速度增加時，后滾刷刷毛在水平方向的分速度也逐漸增加，而豎直方向的分速度保持不變，由動量守恒定律可知，刷毛施加在土塊與石子上的水平作用力逐漸增大，在豎直方向上的力保持不變，所以當(dāng)牽引速度逐漸增大時，顆粒速度方向與地面夾角逐漸減小。由式（6）可知，顆粒質(zhì)量越大，拋射角越小，由于相同體積的石子密度比土塊大，因此石子的拋射角小于土塊的拋射角。綜上所述，當(dāng)清潔車牽引速度為3km/h時滾刷清掃效果最好。

圖6 顆粒拋射角與牽引速度關(guān)系

4.3 滾刷轉(zhuǎn)速的影響

為了分析滾刷轉(zhuǎn)速對顆粒速度的影響，對不同滾刷轉(zhuǎn)速作了仿真對比。為防止?jié)L刷拖掃現(xiàn)象的發(fā)生，要求滾刷轉(zhuǎn)速足夠大，文章選取牽引車速度為3km/h，根據(jù)式（3）可計算得出滾刷轉(zhuǎn)速不得小于22r/min，本文選取滾刷轉(zhuǎn)速范圍為60r/min～300r/min，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 顆粒拋射角與滾刷轉(zhuǎn)速關(guān)系

由圖7可知，當(dāng)滾刷轉(zhuǎn)速在60r/min～180r/min時，土塊與石子的拋射角隨著滾刷轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)滾刷轉(zhuǎn)速大于180r/min時，顆粒的拋射角趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)滾刷在60r/min～180r/min時，隨著滾刷轉(zhuǎn)速的增大，顆粒受到刷毛在豎直方向與水平方向的力均增大，但由于顆粒自身重力的原因，滾刷轉(zhuǎn)速越大，顆粒重力對豎直方向的速度影響就越小，從而顆粒豎直方向速度比上水平方向的速度值就越大，也就是顆粒的拋射角越大；當(dāng)滾刷轉(zhuǎn)速大于180r/min時，刷毛作用在顆粒的力非常大，此時顆粒的重力影響越來越小，因此顆粒的拋射角趨于穩(wěn)定。由于顆粒的速度隨著滾刷轉(zhuǎn)速的增大而增大，因此為了防止顆粒速度過大而四處飛濺，且考慮滾刷轉(zhuǎn)速對顆粒拋射角的影響，選擇滾刷轉(zhuǎn)速為180r/min。

4.4 不同大小的顆粒與拋射角關(guān)系

為了分析滾刷對不同大小的顆粒的影響，對不同大小的顆粒進(jìn)行了對比仿真。將石子的形狀近似為球形，其直徑大小在1mm～4mm范圍內(nèi)，土塊的形狀近似為正方體，其邊長在2mm～20mm范圍內(nèi)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 顆粒拋射角與顆粒大小關(guān)系

由圖8可知，石子與土塊的拋射角均隨直徑的增大而減小，這是由于顆粒受到自身重力的影響，當(dāng)顆粒質(zhì)量越小，其自身重力對刷毛給顆粒的力的影響也就越小，從而拋射角越大。由土塊拋射角與顆粒邊長關(guān)系可以看出，拋射角在土塊邊長為4mm～12mm范圍內(nèi)減小速度較快，這是由于在此范圍內(nèi)顆粒重力對刷毛給顆粒的力的影響較大，因此顆粒拋射角變化也很大。隨著顆粒邊長的減小，顆粒質(zhì)量逐漸減小，顆粒重力對顆粒的受力影響逐漸減小，顆粒的拋射角變化也就逐漸減小。當(dāng)顆粒邊長大于12mm時，由于顆粒質(zhì)量較大，在被前滾刷第一次掃起后未到達(dá)后滾刷刷毛處就掉落在地面上，此時后滾刷將顆粒再次掃起時的拋射角就很小，所以當(dāng)顆粒邊長大于12mm時，其拋射角非常小且減小速度變慢。

5 結(jié)語

1）介紹了清潔車清污系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，介紹了清污系統(tǒng)各個部分的作用及工作原理。分析了滾刷刷毛與地面的接觸關(guān)系，得到了滾刷轉(zhuǎn)速與清潔車行駛速度之間的關(guān)系；分析了滾刷刷毛對顆粒的作用力，得到了顆粒拋射角和顆粒質(zhì)量的關(guān)系：顆粒質(zhì)量越大，其拋射角越小。

2）利用仿真軟件ADAMS對單滾刷與雙滾刷對顆粒的作用進(jìn)行了對比，結(jié)果表明雙滾刷清掃顆粒的效果更好。

3）利用仿真軟件ADAMS對雙滾刷工作過程進(jìn)行了動力學(xué)仿真。綜合各個因素，當(dāng)滾刷刷毛材料為尼龍材料，清潔車牽引速度為3km/h，滾刷轉(zhuǎn)速為180r/min時，雙滾刷系統(tǒng)清掃顆粒效果最好。