程 晨

（長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064）

現(xiàn)有道路垃圾清掃設(shè)備大都針對城市道路工況和交通條件設(shè)計，個別廠家針對普通公路設(shè)計生產(chǎn)了專用清掃車，均不適應(yīng)高速公路的斷面形式、位置環(huán)境和快速交通的要求，導(dǎo)致高速公路垃圾清理主要靠人工完成，工作效率低，成本高，生產(chǎn)安全問題突出[1]。由于我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所處的階段性特點(diǎn)，惡劣天氣吹撒、散裝超載貨物拋撒、人為丟棄等因素產(chǎn)生的公路垃圾在很多路段相當(dāng)嚴(yán)重，清掃養(yǎng)護(hù)任務(wù)繁重，亟需通過技術(shù)研究，針對高速公路及垃圾產(chǎn)生的特點(diǎn)開發(fā)專用的、快速的、高效的、安全的垃圾清掃裝備[2]。

基于此，筆者已廣泛以傳統(tǒng)道路清掃車的掃盤的工作原理，對掃盤進(jìn)行建模，對清掃車掃盤進(jìn)行傾運(yùn)動及接地點(diǎn)速度的理論分析計算找出滿足清掃車以高速公路最低限速30 km/h行駛，盤刷轉(zhuǎn)速的參數(shù)范圍[3]。

1 高速清掃車的行車速度，盤刷旋轉(zhuǎn)速度與盤刷接地點(diǎn)的理論關(guān)系

清掃車掃盤接地點(diǎn)絕對速度v與車輛的行駛速度v0，盤刷的旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系為：

圖1為左側(cè)盤刷接地點(diǎn)速度矢量圖。

圖1 左側(cè)盤刷接地點(diǎn)的速度矢量圖

由圖1可知：

式中：V為轉(zhuǎn)盤接地點(diǎn)相對于地面的絕對速度，km/h；V0為清掃車的行駛速度，km/h；ω為盤刷的旋轉(zhuǎn)速度，r/min；r為轉(zhuǎn)盤的半徑，km；φ為清掃車前進(jìn)方向與接地點(diǎn)線速度方向的夾角，rad.有：

式中，φ′為盤刷接地點(diǎn)中心線與清掃車前進(jìn)方向的夾角，rad；θ為刷盤接地點(diǎn)的絕對速度與清掃車前進(jìn)速度的夾角，rad.

在圖 1（a）中，

在圖 1（b）中，

因?yàn)?0 ＜ φ′＜ 90，cosφ′＜ 1

由圖 1（a）和圖 1（b）及式（11）、（12）可推出 Vb＞ Va，θb＞ θa，從而可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)維持掃地車的行駛速度v0不變，當(dāng)盤刷的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度ω上升時，盤刷與地面接觸的絕對速度速度V將會增加，并且絕對速度的方向也會有所變化，同時絕對速度的內(nèi)夾角θ也會變大，其中絕對速度的方向和內(nèi)傾夾角θ的方向變化同向。

（2）維持盤刷的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度ω不變，當(dāng)改變行駛速度v0時，盤刷刷盤接地點(diǎn)的絕對速度無論是方向還是大小都將變化。

（3）維持掃地車的行駛速度v0不變，同時也維持盤刷的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度ω不變，盤刷接地點(diǎn)的絕對速度無論是方向還是大小都將變化。

由圖 1（a）和圖 1（c）及式（17）、（18）Vc＞ Va，θc＞ θa，從而得出結(jié)論：

當(dāng)車輛的行駛速度v不變時，盤刷的旋轉(zhuǎn)速度ω增加時，盤刷與地面的接觸點(diǎn)的絕對速度將會增大，而且接觸點(diǎn)的絕對速度的方向也會有所增加，同時絕對速度與車輛行駛速度的夾角θ將會變小，其中絕對速度的方向和絕度與車輛行駛速度的夾角θ方向變化反向[4]。

通過計算可知，為了使清掃速度，清掃效率滿足清掃車在高速公路的以最低時速30 km/h，應(yīng)當(dāng)找到盤刷的旋轉(zhuǎn)速度以及清掃車行進(jìn)速度隊清掃效率的影響關(guān)系。

2 高速公路清掃車掃盤建模及其運(yùn)動軌跡仿真

2.1 清掃車掃盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

盤刷由刷盤底板、圍板、掃把頭插槽、盤刷蓋板組成。通過研讀大量相關(guān)文獻(xiàn)以及各大清掃車生產(chǎn)廠家的網(wǎng)頁，確定掃把頭插槽，刷盤材料為45#鋼，毛刷材料為合成塑料。

2.2 單側(cè)清掃結(jié)構(gòu)建模

（1）打開Solid Works軟件，新建零件，如圖2所示。

（2）通過新建裝配體命令進(jìn)入Solid Works裝配模塊，按零件的主次關(guān)系完成清掃機(jī)構(gòu)的裝配如圖3所示。

圖2 Solid Works新建零件

圖3 清掃機(jī)構(gòu)裝配圖

2.3 清掃車掃盤清掃時的運(yùn)動仿真

在清掃車清掃工作時，連接件與傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，在對清掃車清掃機(jī)構(gòu)仿真時，對仿真對象做了一些調(diào)整，省掉連接機(jī)構(gòu)及傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)等盤刷的控制機(jī)構(gòu)，只對盤刷進(jìn)行清掃運(yùn)動，直接給盤刷添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和直線馬達(dá)來進(jìn)行運(yùn)動仿真[5]。

盤刷運(yùn)動仿真時前視平面代表地面，盤刷與前視平面的接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡來模擬盤刷運(yùn)動時接地點(diǎn)的運(yùn)動軌跡[6]。如圖4所示。通過設(shè)置不同的盤刷行車速度和旋轉(zhuǎn)速度，設(shè)置界面如圖5所示。

圖4 接地點(diǎn)的運(yùn)動軌跡

圖5 仿真界面設(shè)計

圖6 ~圖11所示為通過設(shè)置不同的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速和線性馬達(dá)轉(zhuǎn)速模仿盤刷的旋轉(zhuǎn)速度和車輛的行駛速度，觀察相鄰軌跡間的間距，從理論上獲得能使盤刷清掃效率較高的參數(shù)取值，找出實(shí)際盤刷旋轉(zhuǎn)速度與車輛行車速度的兩參數(shù)取值范圍。

圖6 行車速度30km/h盤刷速度700r/min

圖7 行車速度30km/h盤刷速度800r/min

圖8 行車速度30km/h盤刷速度800r/min

圖9 行車速度30km/h盤刷速度1000r/min

圖10 行車速度30km/h盤刷速度1100r/min

圖11 行車速度30km/h盤刷速度1400r/min

3 結(jié)束語

以上各種參數(shù)仿真，在滿足高速公路的行車最低速度30 km/h的前提上對盤刷的轉(zhuǎn)速進(jìn)行一些列仿真，通過對比盤刷接地點(diǎn)的軌跡圖不難發(fā)現(xiàn)，在盤刷轉(zhuǎn)速為1 400 r/min的情況下，盤刷接地點(diǎn)運(yùn)動軌跡的擺帶的相隔距離最近，相應(yīng)的清掃效率最好；而盤刷轉(zhuǎn)速1 100 r/min的情況下接地點(diǎn)的運(yùn)功軌跡雖然比盤刷轉(zhuǎn)速1 400 r/min的運(yùn)動軌跡的擺帶要寬，但整體也滿足清掃要求；當(dāng)然從軌跡圖上也可以看出，當(dāng)盤刷轉(zhuǎn)速低于1 100 r/min時，盤刷接地點(diǎn)運(yùn)動軌跡的擺帶間的相隔距離都很大，道路的清掃效率很差，從而可以得出結(jié)論當(dāng)行車速度30 km/h時，盤刷的旋轉(zhuǎn)速度的取值為1 100~1 400 r/min.