基于UG的掃地車刷盤運動特性研究

Study of the Motion Characteristics of a Sweeper Brush Using UG Software

Wang Yujing1Shen Weiqin2Ding Fusheng1 1.School of Automotive Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China 2.Jiangsu Yueda Special Vehicle Co.，Ltd.，Yancheng 224oo0，China

Abstract：Withthecontinuousaccelerationofurbanizationand theincreasingdemandforecologicalenvironmentconstruction，optimizingtheperformanceofenvironmentalprotectionequipmenthasbecomeanimportantresearchdirectioninthefieldofenvionmentalengineeig.Tisstudytakesthesweeperasteresearchobject，focusingonanalyzingtheimpactofitscoreworkingparameters （includingbrushdiscspeed，travelspeed，andoterkinematicparameters）oncleaningeficiency.Firstly，thepaperanalyzesthemo tionlawofthedisk brushandderivethe motion equationofthebrush bundle.Then，parametric modeling techniquesareused toconstructthebrushiskstructureandspatiallayoutofstles.Fiallasdoteestablsedmotionquation，UGsofwarewasusedto simulatethemotionofthediscbrushunderdiferentspedsandcleaningspeeds，andtheoptimalcleaningtrajectorywasselected throughcomparativeanalysis.Tisresearchconlusioprovidesatheoreticalbasisanddsignreferenceforteoptimizationselectionof working parameters for sweepers.

Keywords：UGNX;Sweeper;Motionsimulation

1前言

隨著城市的高速發展，當前城市建設中綠化面積顯著增加，植被覆蓋范圍不斷擴大。與此同時，受季節氣候變遷的影響，居民區、學校、公園等區域街道上的落葉堆積現象日益突出，因此地面落葉的清掃與回收顯得尤為重要。自前，國內的道路清掃車主要包括掃路車、洗掃車和吸塵車等類型，其作業方式普遍以吸為主、以掃為輔，清掃效果與質量已有顯著提升[1]。然而，傳統清掃車的刷盤多采用恒定轉速與對稱結構設計，存在清潔盲區、揚塵率高及能耗大等問題[2]。研究表明，刷盤的動態運動特性（如變速旋轉與非對稱軌跡等）能夠有效提升清潔效率。此外，盤刷接地軌跡重合區域的大小與清掃效率之間存在顯著相關性，該因素直接制約了清潔設備作業效能的進一步提高。

UGNX是由Siemens公司開發的一款集CAD/CAM/CAE于一體的綜合性軟件系統。該軟件具備同步建模技術，支持基于特征的無參數建模，可顯著提升設計效率。此外，它還集成了級進模向導、鈑金模塊和注塑模向導等專業應用模塊，廣泛應用于模具設計領域[3]。本文基于UG參數化建模功能，結合優化算法，提出一種面向便攜式動感掃地車刷盤的運動優化方法。通過對比不同轉速條件下的清潔效率，以確定其最佳工作參數。該方法能夠高效、快速地清掃城市中小型道路上的落葉，有效緩解公共場所落葉堆積問題，有助于維護城市環境的整潔與美觀。

2掃地車刷盤運動分析

洗掃車通常基于汽車二類底盤進行設計，通過加裝副車架、副發動機、水箱、清掃作業裝置、吸塵系統、集塵系統、風機、液壓系統、高壓與低壓水路系統、電控系統以及傳感裝置等組成其專用作業結構[4]。掃地車刷盤作為實現清掃功能的核心工作部件，其運動特性對清掃效果和作業效率具有決定性影響。刷盤的運動可分解為兩個基本分量：一是隨整車前進的牽連平移運動，二是繞自身軸線旋轉的相對運動。這兩種運動復合作用，使刷盤與地面之間形成復雜的相對運動關系。

工作過程中，刷盤以一定壓力與地面保持接觸，其表面任意質點相對于地面的運動軌跡可視為上述兩種運動的合成。具體而言，刷盤旋轉所產生的切向速度與車輛行進速度進行矢量疊加，共同決定了刷盤與地面接觸點的實際運動路徑。該運動關系直接影響垃圾顆粒在清掃過程中的拾取、拋擲與收集效率。

此外，刷盤與地面的接觸力學行為對其工作性能具有重要影響。刷毛與地面之間的接觸壓力、摩擦因數等參數顯著影響清掃效果與刷毛磨損程度。因此，在刷盤系統設計過程中，需對運動學參數與動力學特性進行集成優化，以實現清掃性能的整體提升。

如圖1所示，為刷盤接地時的運動軌跡示意圖。可以看出，刷盤的工作軌跡是由繞 σ_o 點的旋轉運動與沿Y軸的平移直線運動復合而成。其中，刷盤的旋轉運動由電機驅動，而沿 Y 軸的直線運動則由掃地車的行駛速度決定。

圖1刷盤運動軌跡圖

刷盤刷束在 ∣c∣ 點與 d 點處的位移方程可分別表示為：

X_c=rcos（ωt+β）

Y_c=v₀t+rsin（ωt+β）

X_d=Rcos（ωt+β）

式中， r 為刷束接地點 c 點距離旋轉中心的距離， m;R 為刷束接地點 d 點距離旋轉中心的距離， m;β 為刷盤刷束在接地點 兩處的連線與 x 軸（水平軸）的夾角，；ω 為刷盤轉過的角速度， （°）_/s;t 為刷盤工作時所用的時間， s;v₀ 為掃地車的行駛速度， km/h 。

刷盤第二刷束在 c₁ 點和 d₁ 點的位移方程：

X_c1=rcos（ωt+β-α）

Y_c1=v₀t+rsin（ωt+β-α）

X_d1=Rcos（ωt+β-α）

Y_d1=v₀t+Rsin（ωt+β-α）

式中， α 為刷盤刷束在接地點 c₁，d₁ 兩處的連線與 x 軸（水平軸）的夾角， （^°） 。

根據刷盤接地點 c，c₁，d，d₁ 的位移方程（1）～（8）進行繪制，所得軌跡如圖1所示。圖中陰影區域表示刷束與地面接觸的軌跡帶。刷盤刷束的軌跡形狀會隨掃地速度與刷盤轉速的變化而發生相應改變。

3刷盤系統建模與仿真

3.1刷盤功能

便捷式動感掃地車是一種高效、靈活的清潔設備，其核心結構主要由底盤系統、車身框架、清掃裝置和垃圾收集箱等關鍵模塊組成。該設備采用模塊化設計，在保證機動性的同時兼具良好功能性，適用于城市街道、公園步道、工業園區等多種場景的清潔作業。工作時，設備后置裝置可持續處于清掃狀態，負責路面常規清掃與垃圾回收；前置裝置則可根據需要，通過液壓缸調節實現升降功能，以增強清潔力度，實現更全面的清潔效果。為滿足日常連續作業需求、減少垃圾轉運頻次、節約燃油及人力成本，該設備還配備了大容量垃圾箱，確保充足的垃圾儲存空間，從而保障高效穩定的日常運行。

刷盤裝置作為掃地車的直接工作部件，具備自主運轉清掃路面垃圾與灰塵的能力，同時支持刷盤的伸出與回縮、升降以及避障等功能。該刷盤由多組均勻分布的刷束構成，每組刷束則由密集排列的刷絲組成，如圖2所示。根據與垃圾接觸時的形變行為差異，刷絲可分為兩類：切線型刷絲和彈性刷絲。因材料特性不同，二者分別適用于不同的作業場景。刷盤上的刷絲屬于易損件，需定期檢查與更換，因此刷絲材質的優選與磨損機理的分析將成為后續研究的重點。

刷盤裝置通過油缸的伸縮運動實現橫向擴展，從而增大清掃寬度；升降動作則依靠升降油缸控制，作業時刷盤下降，非作業或轉場時刷盤抬起，有助于減少不必要的磨損。此外，通過調整刷桿角度，可改變清掃角度與范圍，進一步提升清潔效率。該裝置針對性強，能夠快速有效地清理落葉和灰塵，并在工作過程中表現出低污染、低噪聲、高清掃效能和低能耗等優點，具有良好的環保性與人機協調性，因此在城市清潔領域具有廣闊的應用前景。

3.2建模及仿真

通過UGNX的新建功能，完成了刷盤模塊各零件的建模與裝配（圖2），主要包括刷盤模塊底座、連桿座、可伸縮液壓缸及刷盤等部分。隨后新建運動仿真模塊，通過添加連桿、定義運動副與驅動器，并設置相應參數，實現了對刷盤系統的運動仿真分析。

刷盤裝置通過圖中各部件的協同作用實現如下功能：

a.升降功能：刷毛組件5固定于刷盤6之上；刷盤6與電機7、可伸縮液壓缸Ⅱ8及刷盤連桿4共同構成四連桿機構。通過調節可伸縮液壓缸Ⅱ8和可伸縮液壓缸I3的伸縮量，可實現刷盤的垂直舉升。該機構還可在遇到障礙物時調整姿態予以避讓，從而保護刷盤裝置免受損壞。

b.伸縮功能：連桿座1與連桿支架2通過銷軸連接，使得連桿支架2可繞連桿座1自由轉動，從而實現刷盤在水平方向上的伸縮運動。

c.清掃功能：通過調節可伸縮液壓缸I3的伸長量可改變刷盤的側傾角，調整可伸縮液壓缸Ⅱ8則可控制盤刷底座6的前傾角，從而確保刷盤與地面保持適宜的接觸角度與接地位置，并能夠將垃圾顆粒有效拋射至指定區域，實現高效清掃。

4掃地車清掃時刷盤的運動仿真

在掃地車進入清掃作業狀態時，本研究采用運動學仿真方法，重點對盤刷系統進行動態模擬分析。仿真模型中設置了兩個關鍵運動副：a.在刷盤軸心處設置旋轉副，用于模擬刷盤實際工作中的自轉運動；b.在整車系統上設置滑動副，以表征掃地車的前進運動。為準確模擬刷盤與地面的相互作用關系，將仿真環境中的前視平面設定為地面基準面，通過實時追蹤刷盤與該平面接觸點的運動軌跡，精確再現實際作業中刷盤接地點的動態特性。研究表明，在車速相同的條件下，不同盤刷轉速將導致運動軌跡發生變化，進而對清潔效率產生顯著影響。

盤刷清掃軌跡的重合區域間距對清掃效果具有重要影響。當車速過快而刷盤轉速較低時，軌跡重合區域間距增大，易形成清掃盲區，導致漏掃現象，如圖3所示；相反，若車速較慢而刷盤轉速較高，則重合區域間距過小，雖可實現全面覆蓋且清潔率較高[5-6]，但重復清掃區域增多，不僅降低作業效率，還可能因刷絲過度作用而影響最終清掃質量，如圖4所示。因此，合理設置軌跡重合區域間距對提高清掃效果與效率至關重要。為避免上述現象，應確保相鄰刷束掃描軌跡的邊界在重疊區域發生重合或交錯[7]。

圖3運動軌跡無重合

圖4運動軌跡重合區域多

根據相關規范要求，清掃車在常規作業時，其行駛速度通常要求不超過 10km/h ，以確保作業安全與效果[8]。為尋求最佳清掃效率，本文選取車速 5～10km/h /刷盤轉速 100～200r/min 作為研究范圍開展仿真，并從中篩選出三組最優參數組合，如圖5～圖7所示。

圖5刷盤轉速245 r/min ，車速 10km/h 時的運動軌跡

圖6刷盤轉速 210r/min ，車速 8km/h 時的運動軌跡

圖7刷盤轉速 125r/min ，車速 5km/h 時的運動軌跡

結果表明，當車速為 5km/h 、刷盤轉速為 125r/min 車速為 8km/h 、刷盤轉速為 210Δr/min ，以及車速為10km/h 、刷盤轉速為 245r/min 時，盤刷接地運動軌跡重合度最小。該參數組合在避免因重復清掃區域過大而引起效率下降的同時，也有效防止了因軌跡間隙造成的漏掃現象，從而實現整體清掃效果的最優。

5結語

本文以某型城市道路洗掃車為研究對象，基于UG運動仿真技術，重點分析了行駛車速與刷盤旋轉軌跡之間的關系，對不同行進速度下刷盤的接地運動軌跡進行了仿真模擬。仿真結果表明，當車速分別為 5km/h 8km/h 和 10km/h ，對應刷盤轉速為 125r/min?210r/min 和 245r/min 時，刷盤接地軌跡重合度最小，此時洗掃車的工作效率達到最佳狀態，該結論可為實際工作中掃地車的參數設置提供參考。需要注意的是，實際清掃過程中可能面臨多種復雜工況，對清掃效率產生不確定影響。本文結論基于仿真分析得出，其可靠性尚需進一步通過試驗驗證。后續研究將通過實測不同工況下的清掃效率數據，對上述仿真結果進行驗證與修正。

參考文獻：

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[8]GB/T25346—2020道路保潔作業規程[S].

作者簡介：王鈺晶，女，2005年生，本科在讀，研究方向為環衛車輛設計。