紀(jì)榮儉

摘要：隨著公路通車?yán)锍痰脑黾雍蛧?guó)內(nèi)城市化建設(shè)的迅猛發(fā)展，群眾對(duì)道路保潔要求也越來(lái)越高，因此清掃車越來(lái)越發(fā)揮著重要的作用。針對(duì)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的機(jī)械式清掃車，后滾筒式清掃車由我國(guó)近年自主研發(fā)，它很大程度上對(duì)機(jī)械式清掃車的清掃性能進(jìn)行了大大改善。本文就后滾筒式清掃車進(jìn)行分析與仿真，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：清掃車；清掃效果；優(yōu)化；UG；仿真

中圖分類號(hào)：U418.6+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步、當(dāng)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)公路里程的快速增長(zhǎng)給路面保潔工帶來(lái)前所未有的壓力，這就要求我們對(duì)清掃效率高、安全可靠性能好的清掃機(jī)械而言必須發(fā)展和使用，為現(xiàn)代交通的環(huán)境舒適和通行順暢服務(wù)。我國(guó)各城市在爭(zhēng)創(chuàng)文明衛(wèi)生活動(dòng)的推動(dòng)下，使得路面保潔作業(yè)機(jī)械化比率大為提高。在短短幾年間城市的清掃車得到快速發(fā)展，數(shù)量從少到多，品種從單一到種類趨于多樣化。

一、國(guó)內(nèi)外清掃車現(xiàn)狀

（一）、清掃車的分類

為保護(hù)和改善居民生活環(huán)境，各公益服務(wù)和管理部門面臨著新的挑戰(zhàn)。非常多的實(shí)用型新款清掃車在非常大的需要下，不斷涌現(xiàn)，不少的車型我們現(xiàn)在都已擁有。清掃車的類型有以下幾種不同分類標(biāo)準(zhǔn)：按作業(yè)方式，可分為純掃式清掃車、純吸式清掃車、吸掃式清掃車; 按行走方式，可分為手扶式清掃車、手推式清掃車、自行式清掃車;按除塵方式，可分為濕式清掃車、干式清掃車。如圖1所示。

圖1 清掃車的分類

（二）、國(guó)內(nèi)常見(jiàn)清掃車的特點(diǎn)

清掃車在現(xiàn)代城市生活中，扮演著越來(lái)越重要的角色，以下將介紹幾種常見(jiàn)的基本類型。

1、空氣再循環(huán)式清掃車

空氣再循環(huán)式清掃車(如圖2所示)配置使空氣持續(xù)循環(huán)的風(fēng)扇。通過(guò)壓縮空氣軟管到達(dá)吸盤，再通過(guò)吸口到達(dá)吸收軟管。

圖2空氣再循環(huán)式清掃車

通過(guò)在吸口處和掃刷周圍噴水，在傾倒與清掃過(guò)程中，可以有效抑制灰塵，要清掃的塵土也可以濕潤(rùn)。排放空氣方法與真空清掃車不同的是，此類清掃車可以循環(huán)使用空氣，并能最大限度地減少干燥塵土泄露到外界中。

2、機(jī)械式清掃車

在北美機(jī)械式清掃車最為暢銷。如圖3所示，這款清掃車并不對(duì)垃圾和塵土進(jìn)行撿拾或者通過(guò)氣流來(lái)清除，是作為“主”掃刷靠自己的大型滾掃來(lái)傳送到傳送器或料斗中并撿拾垃圾。從排水槽中立式“挖掘型”掃刷在清掃路邊和排水槽時(shí)，將垃圾松動(dòng)并移動(dòng)到滾掃通道中。為了減少傾斜和清掃時(shí)外揚(yáng)的塵土，往往在掃刷周圍噴水。

圖3 機(jī)械式清掃車

作為撿拾并清除高度積聚和大型重物的垃圾，機(jī)械式清掃車有著非常優(yōu)秀的效果。撿拾功能的局限性在于機(jī)械式清掃車傳送器和料斗開(kāi)口的大小。利用機(jī)械式清掃車清掃，可以清除即便街上很大的碎屑，如:樹(shù)枝、車輛零件和大型碎片等。

二、后滾筒式清掃車工作裝置建模

（一）、現(xiàn)代接觸動(dòng)力學(xué)基本理論

接觸過(guò)程中接觸體包括彈性體和剛體。工程中大多數(shù)接觸體都可以理想化為剛體，接觸過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)可以確定利用多剛體系統(tǒng)方法和剛體的幾何形狀。通過(guò)求解線性互補(bǔ)問(wèn)題，接觸沖量和接觸力合理地選擇，使得滿足接觸條件。在計(jì)算剛體接觸的過(guò)程中，不僅需要運(yùn)用一些計(jì)算幾何方面的知識(shí)，還需要力學(xué)的基本原理。利用彈性體接觸方法對(duì)于多體接觸系統(tǒng)進(jìn)行分析，計(jì)算量過(guò)大，通常無(wú)法得到結(jié)果，但是機(jī)型分析利用處理剛性接觸的方法，卻通?？傻玫椒从诚到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的近似解。

（二）、垃圾顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的理論分析

1、刷苗將垃圾顆粒彈起

在刷苗將垃圾顆粒彈起的過(guò)程中，由于垃圾顆粒所受的沖擊較大，所經(jīng)時(shí)間較短，產(chǎn)生的速度較高，在清掃車自身牽引下不考慮所具有的水平速度，忽略重力加速度在分析過(guò)程中對(duì)其速度的影響，即將以刷苗離開(kāi)地面時(shí)的垃圾顆粒為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

圖4垃圾顆粒彈起過(guò)程

根據(jù)圖4所示可知，根據(jù)垃圾顆粒、刷苗、前擋板之間的相互位置關(guān)系建立如下的關(guān)系式：

SL=L－lcosα－Rsinβ

γ=α－β

聯(lián)立可得前擋板與垃圾顆粒接觸前的距離S1:

假設(shè)刷苗具有與刷苗末端相同的速度，其將垃圾顆粒彈起瞬間，并且速度的大小方向在碰撞前擋板前均不發(fā)生變化，在下滾刷中心位置初步定為X軸零點(diǎn)，地面為Y軸零點(diǎn)，建立二維平面內(nèi)垃圾顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，可得以下關(guān)系式:

x=x0+ωRtcosβ

y=ωRtsinβ

式中:

l-擋板的寬度，L-下滾刷中心至前擋板終端的水平距離，γ-垃圾顆粒速度方向與前擋板的夾角。β-刷苗離地時(shí)與Y軸方向夾角，α-前擋板與水平夾角，R-下滾刷的半徑。

在此過(guò)程中假設(shè)前擋板與垃圾顆粒的碰撞為純剛性碰撞，沒(méi)有能量消耗，在此過(guò)程中因此垃圾顆粒的方向依照反射定律，速率不發(fā)生變化，與前擋板面成廠角度。

2、下滾刷將垃圾顆粒上傳

當(dāng)刷苗將垃圾顆粒接住后，垃圾顆粒在較短的時(shí)間內(nèi)被刷苗甩到下滾筒壁的前側(cè)，垃圾顆粒便沿下桶壁前側(cè)做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)垃圾顆粒滾至下桶壁邊緣時(shí)，被向斜上方拋出，在垃圾顆粒進(jìn)入上刷滾掃范圍內(nèi)時(shí)假設(shè)被上刷接住，再假設(shè)被刷苗甩向滾筒壁的垃圾顆粒所經(jīng)歷的時(shí)間很短，位移變化在垂直方向上很小，即可忽略時(shí)間因素對(duì)路徑的影響。

當(dāng)垃圾顆粒被滾刷帶動(dòng)到下桶壁的上邊緣時(shí)，滾刷將斜上拋出垃圾顆粒(如圖5所示)，在拋出過(guò)程中不考慮重力因素的影響:

圖5 垃圾顆粒上傳過(guò)程

三、工作裝置實(shí)體模型的建立

其結(jié)構(gòu)對(duì)于后滾筒式清掃車的工作裝置較為復(fù)雜，單純的利用理論分析對(duì)其清掃能力無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)，因此需要進(jìn)行仿真分析利用動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件，仿真分析的第一步首先就是建立工作裝置的實(shí)體模型。本文主要利用UG的基本功能實(shí)現(xiàn)其三維實(shí)體模型的建立。

UG應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊，包括了世界上功能最強(qiáng)大，它具有圖形制作的功能和性能優(yōu)良的機(jī)械設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作提供了靈活性與便利性，關(guān)于負(fù)責(zé)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，不同設(shè)計(jì)人員需要均可滿足。在數(shù)字化的環(huán)境下它還可以允許設(shè)計(jì)者進(jìn)行優(yōu)化、仿真以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中通過(guò)對(duì)數(shù)字化仿真進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中設(shè)計(jì)者可以改善產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)物理樣機(jī)盡可能減少或消除安裝的費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)周期。

（一）、主要部件模型的建立

在利用UG創(chuàng)建三維模型的過(guò)程中要采取先大后小、先粗后細(xì)、先外后里的模式，再在進(jìn)行細(xì)化:先作大尺寸構(gòu)件，即:先作出粗略外形，在進(jìn)行局部特征;先作出外表特征，再細(xì)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。下面為利用UC繪制的工作裝置的幾個(gè)重要部件的三維模型;圖6為刷苗實(shí)體模型。

圖6刷苗實(shí)體模型

圖7為刷苗支撐架

圖7刷苗支撐架

（二）、工作裝置模型裝配

完成滾筒式清掃車工作裝置主要部件組成建模后，就可按照相互的關(guān)系進(jìn)行匹配。自底向上進(jìn)行工作裝置的總裝過(guò)程，將各個(gè)機(jī)構(gòu)自頂向下進(jìn)行裝配復(fù)核。

后滾筒式清掃車工作裝置的簡(jiǎn)化總裝模型如圖8所示。

圖8工作裝置簡(jiǎn)化總裝模型

建立工作裝置的實(shí)體模型是為其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的必要準(zhǔn)備，因此在不影響仿真真實(shí)性的前提下，總體結(jié)構(gòu)要盡可能進(jìn)行簡(jiǎn)化，仿真過(guò)程中要以能及時(shí)找出問(wèn)題所在，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的效率為先導(dǎo)，需要在仿真過(guò)程中考慮工作裝置在道路上清掃垃圾的狀態(tài)，因此需對(duì)工作裝置添加所需的工作路面。

總結(jié)

通過(guò)仿真分析和理論模型的建立相結(jié)合，使仿真與理論研究相互驗(yàn)證，為整車的優(yōu)化提供了良好的研究平臺(tái)和理論基礎(chǔ)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供良好的參考數(shù)據(jù)，從而提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的質(zhì)量與效率，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬克·萊斯特.全球掃路車的發(fā)展趨勢(shì)[J].商用汽車，2008.8，P91-93.

[2] 張啟明.路面清掃車的發(fā)展[J].養(yǎng)護(hù)機(jī)械與施工技術(shù)，2008.1，P56-58.