基于EDEM的高速垃圾清扫滚刷性能研究

朱卫 叶敏 苏银松 张辉

摘要：滚刷系统作为垃圾清扫车的工作模块之一，对其性能进行深入研究有利于高速垃圾清扫车的研发。建立清扫车滚刷结构三维模型以及不规则垃圾颗粒模型，采用离散元分析方法，在EDEM软件中对滚刷的清扫能力进行仿真验证。结果表明，车辆高速行驶时，滚刷系统仍对垃圾颗粒有良好的扰动效果，这为高速清扫车设计提供了参考依据。

关键词：高速清扫车;滚刷;离散元分析;不规则形状颗粒;EDEM

0    引言

垃圾清理是公路路面养护管理的一项重要工作[1]。传统的垃圾清扫车主要用于清理小粒径轻质垃圾，然而受自然环境和气流影响，高速公路垃圾多为具有一定质量的重质块状垃圾，传统垃圾清扫车并不能很好地对其进行清扫。因此，亟需设计一款适应高速公路路面垃圾特征的清扫车，而滚刷系统作为垃圾清扫车的重要组成部分，对其进行研究可以推动高速垃圾清扫车的设计与研究。Vanegas等人[2]利用扫刷台架试验装置，研究了扫刷在不同操作条件下对中等碎石、细小尘粒以及相邻片状垃圾等不同类型垃圾的清扫效率。王崇等人研究设计了一种清扫刷有限元模型，以研究扫地效率并协助控制器设计，统计分析复杂的刷毛负载特性曲线，以量化横截面、安装角度和转速等对刷毛负载特性的影响程度[3-4]。肖庆麟等人[5]为了获得弹簧的受力大小和弹簧防止清扫机构摆动的力矩等反映机构性能的主要参数，对清扫机构进行了详细的受力和运动分析。

本文以碎石为试验对象，采用EDEM离散元分析软件研究滚刷在高速运动的情况下对垃圾颗粒的实际扰动程度，以此判断其清扫功能。

1    模型建立

滚刷装置主要由刷体和刷毛两部分组成，整体结构相似，故取其中间一段对其进行建模，模型如图1所示。

现有滚刷刷丝排布方式主要有直列排布、螺旋排布、V型排布，其中直列排布指滚筒上各排刷毛沿滚筒轴线方向平行排布，螺旋排布指刷毛沿滚筒圆周呈螺旋线排布，V型排布即对称螺旋排布。本文建立的模型采用V型排布，模型参数如表1所示。

2    EDEM仿真

2.1    仿真参数设置

碎石结构复杂且不均匀，为提高碎石模型准确性，建立不规则碎石模型轮廓，并用EDEM软件中自带的球形颗粒组合来进行近似替代，模拟碎石，其轮廓与内部颗粒如图2所示。

其体积为1 059.146 mm3，在仿真过程中共生成120个颗粒，其大小服从标准差为0.05的正态分布，位置随机;设置滚刷线速度为10 m/s（36 km/h），转速为200 r/min。材料属性如表2所示。

2.2    接触模型设置

离散元方法模拟的是颗粒在运动过程中的实际情况，由于在实际清扫过程中，垃圾颗粒之间存在相互作用的粘性力、碰撞力且会发生滚动[6]，根据颗粒不连续无规则的运动方式，在颗粒与颗粒、颗粒与几何体之间均采用Hertz-

Mindlin（no slip）接触模型。

在该模型中，法向力Fn是法向重叠量σn的函数，两者函数关系如式（1）所示：

式中：E*为当量杨氏模量;R*为当量半径;σn为法向重叠量。

其中，当量杨氏模量E*可通过式（2）求得，当量半径R*可通过式（3）求得。

1/E*=（1-vi2）/Ei+（1-vj2）/Ej  （2）

式中：Ei为第i个球体的杨氏模量;Ej为第j个球体的杨氏模量;vi为第i个球体的泊松比;vj为第j个球体的泊松比。

1/R*=1/Ri+1/Rj  （3）

式中：Ri为第i个球体的半径;Rj为第j个球体的半径。

切向力Ft可通过式（4）求得：

式中：σt为切向重叠量。

对于滚动摩擦而言，采用Standard Rolling Friction模型进行计算，滚动摩擦力矩τi可通过式（5）求得：

τi=-μrFndiωi  （5）

式中：μr为滚动摩擦系数;di为接触点到质心的距离;ωi为接触点处的单位角速度矢量。

接触参数设置如表3所示。

滚刷的清扫能力与其对垃圾颗粒的扰动程度息息相关，故用滚刷对垃圾颗粒的扰动程度作为标准来评价其清扫能力，但滚刷对垃圾颗粒的扰动并不是一个可以直接测量的值，为了能够度量扰动程度，在滚刷行进方向的前方设置一个如图3所示与滚刷保持相对静止的计数区，凡是通过该区域的垃圾颗粒均认为其受到较大扰动。

本文以碎石为例，用以下数学模型计算。按上述设置重复k次试验，每次试验生成的碎石颗粒大小和位置均不相同，第i次试验中通过计数区的垃圾颗粒数量为ni，总垃圾颗粒数为Ni，则垃圾颗粒在第i次试验中收集率为：

收集率为p：

方差s2：

方差s2越小，计算出来的收集率越接近真实收集率。

2.3    结果与分析

按照上述設置，运行程序10次，其碎石颗粒运动轨迹如图4所示，通过式（7）和式（8）求得收集率p=81.583%，方差s2=4.29。分别计算出各个垃圾颗粒沿滚刷前进方向的位移和竖直方向位移，并对其排序，绘制成如图5、图6所示散点图。

从图5可以看出，绝大多数垃圾颗粒在滚刷的作用下在水平方向上能达到的位移超过了10 m，绝大多数垃圾颗粒的位移保持在10～30 m，体现了滚刷在行进方向上对垃圾颗粒的良好扰动能力。从图6可以看出，绝大多数垃圾颗粒在滚刷的作用下在竖直方向上能达到的位移超过了1 m，绝大多数垃圾颗粒的位移保持在1～3 m，相较于水平行进方向上的位移而言，竖直方向上的位移更能反映滚刷的清扫性能，对于现有清扫车而言1～3 m的距离完全满足收集需求。