林 煜

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車學(xué)院，福建 福州 350000）

清掃車在進(jìn)行清掃作業(yè)時(shí)，盤刷刷毛作為與垃圾顆粒直接接觸的部分，其清掃的性能如何，能否成功掃動(dòng)垃圾顆粒，與垃圾顆粒之間的接觸運(yùn)動(dòng)形式又是什么樣的，這是值得探索的。

為了對(duì)盤刷刷毛的清掃性能進(jìn)行分析，文中采用有限元方法來(lái)探討刷毛對(duì)垃圾顆粒的作用情況，通過(guò)在ABAQUS軟件中建立盤刷刷毛與垃圾顆粒的模型，模擬其清掃接觸過(guò)程，從而得到刷毛與垃圾顆粒之間的運(yùn)動(dòng)受力情況，以此來(lái)說(shuō)明刷毛對(duì)垃圾顆粒的清除效果。接著在不同觸地深度下進(jìn)行清掃，分析觸地深度對(duì)于盤刷刷毛清掃性能的影響。

1 盤刷刷毛與顆粒的接觸形式

清掃車在工作過(guò)程中，盤刷作為主要的工作裝置之一，用來(lái)清掃清掃車兩側(cè)路面上的垃圾，而刷毛作為直接與垃圾顆粒接觸的物體，其清掃性能的好壞直接關(guān)系到盤刷以及整輛清掃車的作業(yè)性能[1]。盤刷在掃動(dòng)時(shí)，其刷毛與垃圾顆粒之間接觸的形式一般分為兩種，切式清掃和彈式清掃，兩者的所受的作用力和發(fā)生的形變不同。

由于盤刷刷毛切式清掃與彈式清掃的特點(diǎn)不同，它們所適用的路況也就不同。在垃圾密度高的路面，應(yīng)采用切式清掃；在垃圾密度較低的路面上，宜采用彈式清掃。本文所研究的清掃車一般常用在城市道路，主要清掃的對(duì)象為質(zhì)量較輕的常見(jiàn)垃圾，因此，采用彈式清掃。

2 盤刷刷毛與顆粒的建模方法

刷毛與顆粒的接觸是非常復(fù)雜的非線性接觸問(wèn)題，另外，垃圾顆粒與不同的路面之間的接觸情況也不同。在干燥路面，可采用庫(kù)倫摩擦定律進(jìn)行計(jì)算；而當(dāng)路面潮濕或者有泥土等復(fù)雜情況時(shí)，一般方法很難準(zhǔn)確計(jì)算分析盤刷刷毛與路面及垃圾顆粒之間的受力和運(yùn)動(dòng)情況，因此，對(duì)模型的簡(jiǎn)化提出四點(diǎn)假設(shè)：

（1）清掃車盤刷所清掃的路面是平坦整齊的平面；

（2）盤刷刷毛與地面垂直，且在垂直于地面的平面內(nèi)發(fā)生形變[2]；

（3）盤刷所清掃的垃圾顆粒具有一般的幾何外形；

（4）盤刷刷毛與垃圾顆粒，垃圾顆粒與地面均充分接觸且滿足基本物理理論。

在上述假設(shè)條件下，為了便于分析，本文把垃圾物體簡(jiǎn)化成一個(gè)與地面充分接觸的不規(guī)則體。圖1為第j根刷毛與第i個(gè)垃圾顆粒接觸的受力分析圖。其中，1和2分別為顆粒與地面的接觸點(diǎn)；aj為接觸點(diǎn)3與點(diǎn)2之間的水平距離；hj為垃圾顆粒與刷毛的接觸點(diǎn)3到地面的高度；顆粒與地面之間的摩擦系數(shù)為μ。

圖1 刷毛與垃圾顆粒接觸時(shí)的受力分析

當(dāng)盤刷開(kāi)始工作時(shí)，刷毛運(yùn)動(dòng)與垃圾顆粒形成接觸并發(fā)生形變，之后如圖所示與顆粒在點(diǎn)3處形成點(diǎn)接觸，垃圾顆粒受到變形刷毛給予的接觸壓力NSj和兩者間的摩擦力fSj，與此同時(shí)，垃圾顆粒也受到自身的重力Gi，地面給予的支持力Ni以及水平方向上的摩擦力fi，在外力的共同作用下，垃圾顆粒產(chǎn)生了一個(gè)繞著端點(diǎn)2的順時(shí)針轉(zhuǎn)矩Mj[3]。假設(shè)Fj為盤刷刷毛給予垃圾顆粒的清掃力，則通過(guò)受力分析可以得到

刷毛在水平方向上的清掃力為

刷毛在豎直方向上的清掃力為

式中，θj為刷毛與顆粒的接觸點(diǎn)3的刷毛切線方向與豎直方向之間的夾角。

垃圾顆粒繞著端點(diǎn)2的順時(shí)針轉(zhuǎn)矩為

通過(guò)上述分析可以看出，刷毛給予垃圾顆粒的水平方向和豎直方向上的清掃力以及垃圾顆粒所受到的外力引起的轉(zhuǎn)矩決定了刷毛能否成功掃動(dòng)垃圾物。也就是盤刷能否完成有效清掃取決于水平清掃力FX和繞端點(diǎn)2的轉(zhuǎn)矩M。

根據(jù)受力情況，可以得出垃圾顆粒被成功清掃的臨界條件為[4-5]

式中，n為與垃圾顆粒i接觸的刷毛總數(shù)；xi為垃圾顆粒i的重心與2點(diǎn)之間的水平距離。只有在滿足上述條件之一，垃圾顆粒才能被成功清掃，視為有效清掃。

3 盤刷刷毛與顆粒ABAQUS分析

在滿足幾點(diǎn)假設(shè)的前提下，將盤刷刷毛與垃圾顆粒的接觸模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，由于盤刷刷毛對(duì)于垃圾物體的清掃過(guò)程中盤刷刷毛的變形情況無(wú)法獲得，而且在刷毛與垃圾顆粒的接觸過(guò)程中，刷毛垃圾顆粒的接觸點(diǎn)不斷改變，不同位置的邊界條件無(wú)法確定[4]。因此，為了更好地分析刷毛與顆粒的非線性接觸問(wèn)題，文中采用了ABAQUS有限元方法。

盤刷刷毛與垃圾顆粒的接觸過(guò)程作為高度非線性問(wèn)題，一方面刷毛與顆粒的接觸區(qū)域未知，接觸過(guò)程中位置形態(tài)不斷變化，而且受到多個(gè)因素的影響，比如：材料、載荷等等[5]。另一方面，刷毛與顆粒之間的接觸要考慮摩擦力的作用，而摩擦問(wèn)題經(jīng)常都是非線性無(wú)序的，很容易造成計(jì)算求解的不收斂，因此，創(chuàng)建合適的有限元模型是十分必要的，可以提高求解的效率。

為了更好地分析刷毛與顆粒的接觸過(guò)程，本章將分別建立兩個(gè)模型來(lái)模擬清掃過(guò)程，一個(gè)是盤刷刷毛不與地面接觸，直接在位移載荷的作用下，與顆粒發(fā)生相互作用，另一個(gè)將對(duì)刷毛先施加不同的觸地壓力，即不同的觸地深度，而后與顆粒接觸。

3.1 刷毛直接與顆粒接觸

在ABAQUS中建立盤刷刷毛與垃圾顆粒的簡(jiǎn)化二維接觸模型，垃圾顆粒為不規(guī)則形體，故其重心的位置是無(wú)法確定的，為便于分析，將垃圾顆粒簡(jiǎn)化為正方形作為垃圾顆粒仿真模型。定義刷毛的長(zhǎng)度250 mm，半徑1 mm，設(shè)置與地面45°夾角，特征類型選擇wire，其余保持默認(rèn)。垃圾顆粒為邊長(zhǎng)30 mm正方形，類型為solid，在未接觸前與刷毛之間相隔5 mm。

表2 垃圾顆粒設(shè)置

在初始分析步中將垃圾顆粒與地面接觸的左右兩個(gè)端點(diǎn)1、2進(jìn)行約束，令其U1=U2=UR3=0，即在X方向、Y方向的位移為0，以及在平面內(nèi)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在刷毛的設(shè)置上，對(duì)其上端點(diǎn)進(jìn)行約束，設(shè)置U2=UR3=0，即刷毛在Y方向上和平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度都為0。

在step1中，在刷毛的上端點(diǎn)施加水平方向的位移載荷[6]。刷毛與垃圾接觸后，step1結(jié)束，進(jìn)入step2，在該分析步中繼續(xù)施加水平方向上的載荷。隨著位移的增加，刷毛下端點(diǎn)與地面分離，直到與垃圾的4點(diǎn)接觸，此時(shí)step2結(jié)束，進(jìn)入step3，在該分析步中仍舊施加水平向右的位移載荷，直到刷毛與垃圾上表面分離。

圖2 刷毛與垃圾顆粒及地面的模型

另外，設(shè)置刷毛下端點(diǎn)與地面、刷毛與垃圾顆粒左上端點(diǎn)4、刷毛下端點(diǎn)與顆粒上表面三處接觸類型皆為點(diǎn)面接觸。其中，刷毛沿著顆粒左上端點(diǎn)4運(yùn)動(dòng)時(shí)，刷毛位置不斷移動(dòng)，但是與顆粒的接觸點(diǎn)保持不變，因此，可視為點(diǎn)面接觸，而刷毛與地面以及顆粒上表面的接觸位置始終為其下端點(diǎn)。這三處接觸的切向?qū)傩跃鶠閜enalty，切向摩擦系數(shù)分別設(shè)為0.5、0.2、0.2，而法向摩擦屬性設(shè)為hard，接觸面約束施加算法采用默認(rèn)的default。

我說(shuō)：“其實(shí)這也意味著你前期就已經(jīng)做好了很多?！薄耙苍S是這樣，頂尖的定義很難說(shuō)，但是至少?gòu)钠渌袠I(yè)來(lái)看，可能拿到MS在葡萄酒行業(yè)是比較頂尖的。當(dāng)你在某一個(gè)行業(yè)比較頂尖的時(shí)候，你有更多的機(jī)會(huì)去認(rèn)識(shí)其他行業(yè)頂尖的人。至少是那個(gè)行業(yè)的人認(rèn)可的，這對(duì)我來(lái)說(shuō)是很有意義的事情。因?yàn)閽侀_(kāi)葡萄酒不說(shuō)，這讓你的眼界更寬廣一點(diǎn)，讓你想東西會(huì)更多一點(diǎn)，層次感會(huì)更強(qiáng)一點(diǎn)。這可能是拿到MS比較重要的一個(gè)變化。其實(shí)生活和工作沒(méi)有什么變化，忙會(huì)更忙。但工作還是那些工作，還是我非常重要的一部分?！?/p>

分別對(duì)刷毛、地面以及垃圾顆粒進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，建立的模型如圖3—圖4所示。

圖3 顆粒左右端點(diǎn)1、2水平方向上的受力情況

在模型中，刷毛在水平方向的位移載荷作用下向右運(yùn)動(dòng)。

在得到顆粒與地面接觸點(diǎn)的受力數(shù)據(jù)后，分別對(duì)顆粒與地面的左右接觸端點(diǎn)在水平方向和豎直方向上的受力進(jìn)行曲線擬合，得到的結(jié)果如圖3和圖4所示。其中P1、P2分別代表點(diǎn)1、點(diǎn)2，RF1為水平方向的力，RF2為豎直方向的力。第一條豎直線段之前表示刷毛在地面運(yùn)動(dòng)，還未與垃圾顆粒發(fā)生接觸，兩條豎直線段之間的部分表示刷毛沿著顆粒的左上端點(diǎn)4進(jìn)行移動(dòng)，兩者有接觸，第二條豎直線段之后的部分表示刷毛離開(kāi)顆粒左上端點(diǎn)，其下端點(diǎn)與顆粒的上表面形成接觸，直至刷毛與顆粒完全脫離，清掃過(guò)程結(jié)束。

圖4 顆粒左右端點(diǎn)1、2豎直方向上的受力情況

觀察圖4可以看到，刷毛與垃圾顆粒左上端點(diǎn)4接觸的過(guò)程中，顆粒與地面接觸的端點(diǎn)1和2受到的地面給予的力為負(fù)值，即水平向左，反過(guò)來(lái)說(shuō)，刷毛給予顆粒水平向右的一個(gè)清掃力，和運(yùn)動(dòng)方向同向。且隨著刷毛沿著顆粒左上端點(diǎn)不斷移動(dòng)，1和2點(diǎn)所受的力以及它們的合力不斷變大，直到刷毛與左上端點(diǎn)即將分離時(shí)，達(dá)到最大值。在第二條豎直線段之后，即刷毛下端點(diǎn)與顆粒上表面接觸，隨著刷毛繼續(xù)移動(dòng)，刷毛作用在顆粒上的水平合力不斷減小，在左端點(diǎn)1點(diǎn)上的分力在刷毛運(yùn)動(dòng)到顆粒上表面后半段時(shí)甚至改變了方向，阻礙顆粒被刷毛向前掃動(dòng)，這是因?yàn)樗⒚陬w粒上表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)顆粒有一定的壓力，在運(yùn)動(dòng)到后半段時(shí)，由于彈性形變，會(huì)對(duì)顆粒產(chǎn)生一個(gè)向后推動(dòng)的趨勢(shì)，但總體來(lái)說(shuō)，刷毛作用在顆粒的水平清掃力始終是正的。

圖4中的兩條豎直線段之間，地面給予顆粒的Y方向上的支持力越來(lái)越大，也就是說(shuō)刷毛作用在顆粒上的壓力越來(lái)越大。在與地面接觸的左右端點(diǎn)1、2上，點(diǎn)1的支持力為負(fù)值（只有在刷毛即將與顆粒左上端點(diǎn)4脫離時(shí)才變?yōu)檎?，因?yàn)榇藭r(shí)刷毛即將與顆粒上表面接觸，對(duì)顆粒的左半部分壓力變大，導(dǎo)致顆粒有一個(gè)向后轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，阻礙顆粒向前的轉(zhuǎn)動(dòng)），點(diǎn)2的支持力為正值，這樣一來(lái)，刷毛對(duì)顆粒就形成了一個(gè)順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩，有利于刷毛掃動(dòng)顆粒。在刷毛與顆粒上表面接觸的部分，刷毛作用在顆粒上的壓力繼續(xù)變大，點(diǎn)1受到的地面支持力在正方向上先變大，之后減小變?yōu)樨?fù)值并增大，而點(diǎn)2受到的地面支持力為始終為正值，有一個(gè)先減小后變大的變化過(guò)程，這些都符合了刷毛在顆粒上表面從左端移動(dòng)到右端所引起的變化規(guī)律，直至兩者脫離，清掃運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

圖5為刷毛對(duì)顆粒進(jìn)行清掃時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的繞著右下端點(diǎn)2的轉(zhuǎn)矩，在刷毛與顆粒的左上端點(diǎn)4的接觸過(guò)程中，刷毛一直對(duì)顆粒形成一個(gè)順時(shí)針的轉(zhuǎn)矩，有利于刷毛掃動(dòng)垃圾顆粒，直到刷毛即將與顆粒的左上端點(diǎn)脫離，這時(shí)轉(zhuǎn)矩變?yōu)槟鏁r(shí)針，阻礙顆粒朝著清掃的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在刷毛與顆粒上表面接觸中，逆轉(zhuǎn)矩先變大后變小，之后又變成順時(shí)針轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樗⒚珡念w粒上表面左端一直移動(dòng)到了右端，變化趨勢(shì)符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖5 刷毛對(duì)垃圾顆粒的滾動(dòng)轉(zhuǎn)矩

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，單根刷毛對(duì)垃圾顆粒作用所產(chǎn)生的繞著左下端點(diǎn)2的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于顆粒自身重力在端點(diǎn)2的逆轉(zhuǎn)矩0.5amg，即不滿足顆粒在刷毛作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界條件。所以，垃圾顆粒是否能夠被刷毛成功清掃，取決與刷毛的水平清掃力FX，只有顆粒在水平方向上受到的清掃力大于顆粒受到的地面的摩擦力f，垃圾顆粒才能在地面上發(fā)生移動(dòng)，即

式中，μ為地面和垃圾顆粒之間的摩擦系數(shù)；FX為刷毛對(duì)顆粒的水平清掃合力；FY為地面對(duì)垃圾顆粒的支持力。

為了能夠更直觀地分析刷毛對(duì)顆粒的作用，以及為下一節(jié)觸地深度的分析做鋪墊，本節(jié)在這里設(shè)定一個(gè)臨界的摩擦系數(shù)μX，則

式中，n為刷束中刷毛的根數(shù)，在這里，取n值為10。

在清掃時(shí)，若垃圾顆粒與地面的實(shí)際摩擦系數(shù)μ小于臨界摩擦系數(shù)μX，則說(shuō)明垃圾顆?？梢员槐P刷刷毛成功清掃。因此，可以通過(guò)計(jì)算得到臨界摩擦系數(shù)μX與水平方向上移動(dòng)的距離U1的關(guān)系，如圖6所示，以此來(lái)判斷垃圾顆粒是否被成功清掃。

從圖6可以看到，在刷毛觸地深度為零，即為自由狀態(tài)下，直接對(duì)垃圾顆粒進(jìn)行清掃的情況下，刷毛從與垃圾顆粒的左上端點(diǎn)接觸，到與其上表面接觸，直達(dá)與顆粒完全脫離，這個(gè)過(guò)程中，臨界摩擦系數(shù)μX的最大值為0.22，也就是說(shuō)，當(dāng)垃圾顆粒與地面之間的實(shí)際摩擦系數(shù)μ小于0.22時(shí)，就可以被盤刷刷毛掃動(dòng)，即有效清掃。

圖6 臨界摩擦系數(shù)μX的變化趨勢(shì)

3.2 刷毛觸地后與顆粒接觸

刷毛在與垃圾顆粒接觸之前，都會(huì)先有一定程度上的壓縮變形，這是由盤刷自身的重量以及盤刷觸地壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所決定的。在合理的觸地壓力下，刷毛具有一定的觸地深度，從而發(fā)生形變。合理的壓縮狀態(tài)下的刷毛對(duì)顆粒進(jìn)行清掃時(shí)，會(huì)把一定的彈性勢(shì)能傳遞給垃圾顆粒，從而更有助于垃圾被成功清掃。

通過(guò)給予刷毛豎直方向上10 mm、20 mm、 30 mm等不同的觸地深度，分別模擬刷毛與顆粒的接觸過(guò)程，可以得到在不同觸地深度下，垃圾顆粒受到的水平方向上的合力，即盤刷刷毛對(duì)顆粒的水平清掃力，如圖7所示。從圖中可以看出，隨著觸地深度的加大，刷毛給予垃圾顆粒的水平方向上的清掃力也在不斷增大，這是由于刷毛壓縮變形的一部分彈性勢(shì)能釋放，傳遞給了垃圾顆粒，轉(zhuǎn)變成清掃力，有利于顆粒被掃動(dòng)。但是可以觀察到，清掃力增大的趨勢(shì)在減小，因此，可以說(shuō)明，過(guò)大觸地深度在增加刷毛磨損的同時(shí)也不利于刷毛對(duì)顆粒的成功清掃，所以存在一個(gè)合理的觸地深度值，對(duì)提升刷毛的清掃性能十分關(guān)鍵。

圖7 壓縮狀態(tài)下刷毛的水平清掃合力

本節(jié)所建立的模型中，刷毛在不同觸地深度下，所求得的垃圾顆粒受到的繞著右下端點(diǎn)2的轉(zhuǎn)矩依舊小于顆粒自身重力在端點(diǎn)2的逆轉(zhuǎn)矩0.5amg，因此，仍舊不滿足顆粒在刷毛作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界條件。所以，垃圾顆粒是否能夠被刷毛成功清掃，還是取決與刷毛的水平清掃力FX。

為了直觀地說(shuō)明觸地深度對(duì)于清掃力的影響，采用上文中的臨界摩擦系數(shù)μX，通過(guò)在不同的觸地深度下，分別求出垃圾顆粒在豎直方向和水平方向上所受到的力，進(jìn)而求出臨界摩擦系數(shù)，得到臨界摩擦系數(shù)與刷毛觸地深度的變化趨勢(shì)，如圖8所示。

圖8 臨界摩擦系μX數(shù)與觸地深度的關(guān)系

從圖8中可以觀察到，前期隨著刷毛觸地深度的增加，臨界摩擦系數(shù)μX也在不斷變大，在觸地深度60 mm左右時(shí)，達(dá)到最大值0.72，即當(dāng)垃圾顆粒與地面之間的實(shí)際摩擦系數(shù)μ小于0.72時(shí)，均可以被盤刷刷毛成功有效清掃。之后，觸地深度繼續(xù)增大，臨界摩擦系數(shù)反而逐漸變小，盤刷刷毛的清掃性能降低，這是因?yàn)檫^(guò)大的觸地深度會(huì)使刷毛形變?cè)龃?，給予垃圾顆粒的壓力也不斷變大，這會(huì)增大顆粒與地面的摩擦力，加大了清掃難度，同時(shí)觸地深度變大會(huì)加大刷毛的磨損程度。

4 小結(jié)

本章目的在于了解盤刷刷毛清掃的過(guò)程，采用有限元方法對(duì)盤刷刷毛的清掃性能進(jìn)行分析，在滿足所提出的四點(diǎn)假設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)刷毛與顆粒的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但是由于盤刷刷毛與垃圾顆粒的接觸過(guò)程作為高度非線性問(wèn)題，對(duì)其過(guò)程的分析還是存在較大困難，一方面是因?yàn)樵谇鍜哌^(guò)程中盤刷刷毛的變形情況無(wú)法知曉，另一方面在刷毛與垃圾顆粒的接觸過(guò)程中，刷毛沿著顆粒發(fā)生滑動(dòng)，其與垃圾顆粒的接觸點(diǎn)不斷在變，不同位置的邊界條件不同，無(wú)法確定，因此，建立合理的有限元模型十分關(guān)鍵。

為了更好地分析刷毛與顆粒的接觸過(guò)程，本章在ABAQUS軟件中分別建立了兩個(gè)模型來(lái)模擬清掃過(guò)程，一個(gè)是盤刷刷毛不與地面接觸，直接 在位移載荷的作用下，與顆粒發(fā)生相互作用，另一個(gè)是對(duì)刷毛先施加不同的觸地深度，而后與顆粒接觸。在模擬接觸過(guò)程后，得到了刷毛對(duì)于垃圾顆粒在水平方向和豎直方向上的清掃力，以及顆粒沿著運(yùn)動(dòng)方向受到的轉(zhuǎn)矩。在對(duì)受力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，得到了清掃力及力矩的變化規(guī)律，之后，在不同觸地深度的對(duì)比之下，得到刷毛的最佳觸地深度值。