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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，車輛高速行駛時(shí)，滾刷系統(tǒng)仍對垃圾顆粒有良好的擾動(dòng)效果，這為高速清掃車設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)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(hù)管理的一項(xiàng)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(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)垃圾清掃車并不能很好地對其進(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，而滾刷系統(tǒng)作為垃圾清掃車的重要組成部分，對其進(jìn)行研究可以推動(dòng)高速垃圾清掃車的設(shè)計(jì)與研究。Vanegas等人[2]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中等碎石、細(xì)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(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)速等對刷毛負(fù)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(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型排布即對稱螺旋排布。本文建立的模型采用V型排布，模型參數(shù)如表1所示。

2 ? ?EDEM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1 059.146 mm3，在仿真過程中共生成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10 m/s（36 km/h），轉(zhuǎn)速為200 r/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)過程中的實(shí)際情況，由于在實(shí)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(huì)發(fā)生滾動(dòng)[6]，根據(jù)顆粒不連續(xù)無規(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（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(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*可通過式（2）求得，當(dāng)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(gè)球體的楊氏模量;Ej為第j個(gè)球體的楊氏模量;vi為第i個(gè)球體的泊松比;vj為第j個(gè)球體的泊松比。

1/R*=1/Ri+1/Rj ?（3）

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Ft可通過式（4）求得：

式中：σt為切向重疊量。

對于滾動(dòng)摩擦而言，采用Standard Rolling Friction模型進(jìn)行計(jì)算，滾動(dòng)摩擦力矩τi可通過式（5）求得：

τi=-μrFndiωi ?（5）

式中：μr為滾動(dòng)摩擦系數(shù);di為接觸點(diǎn)到質(zhì)心的距離;ωi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垃圾顆粒的擾動(dòng)程度息息相關(guān)，故用滾刷對垃圾顆粒的擾動(dòng)程度作為標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)其清掃能力，但滾刷對垃圾顆粒的擾動(dòng)并不是一個(gè)可以直接測量的值，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靜止的計(jì)數(shù)區(qū)，凡是通過該區(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：

收集率為p：

方差s2：

方差s2越小，計(jì)算出來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10次，其碎石顆粒運(yùn)動(dòng)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(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)到的位移超過了10 m，絕大多數(shù)垃圾顆粒的位移保持在10～30 m，體現(xiàn)了滾刷在行進(jìn)方向上對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)到的位移超過了1 m，絕大多數(shù)垃圾顆粒的位移保持在1～3 m，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，對于現(xiàn)有清掃車而言1～3 m的距離完全滿足收集需求。