高速公路清扫车刷盘建模与参数分析

程 晨

（长安大学 工程机械学院，陕西 西安710064）

现有道路垃圾清扫设备大都针对城市道路工况和交通条件设计，个别厂家针对普通公路设计生产了专用清扫车，均不适应高速公路的断面形式、位置环境和快速交通的要求，导致高速公路垃圾清理主要靠人工完成，工作效率低，成本高，生产安全问题突出[1]。由于我国经济社会发展所处的阶段性特点，恶劣天气吹撒、散装超载货物抛撒、人为丢弃等因素产生的公路垃圾在很多路段相当严重，清扫养护任务繁重，亟需通过技术研究，针对高速公路及垃圾产生的特点开发专用的、快速的、高效的、安全的垃圾清扫装备[2]。

基于此，笔者已广泛以传统道路清扫车的扫盘的工作原理，对扫盘进行建模，对清扫车扫盘进行倾运动及接地点速度的理论分析计算找出满足清扫车以高速公路最低限速30 km/h行驶，盘刷转速的参数范围[3]。

1 高速清扫车的行车速度，盘刷旋转速度与盘刷接地点的理论关系

清扫车扫盘接地点绝对速度v与车辆的行驶速度v0，盘刷的旋转速度的关系为：

图1为左侧盘刷接地点速度矢量图。

图1 左侧盘刷接地点的速度矢量图

由图1可知：

式中：V为转盘接地点相对于地面的绝对速度，km/h；V0为清扫车的行驶速度，km/h；ω为盘刷的旋转速度，r/min；r为转盘的半径，km；φ为清扫车前进方向与接地点线速度方向的夹角，rad.有：

式中，φ′为盘刷接地点中心线与清扫车前进方向的夹角，rad；θ为刷盘接地点的绝对速度与清扫车前进速度的夹角，rad.

在图 1（a）中，

在图 1（b）中，

因为 0 ＜ φ′＜ 90，cosφ′＜ 1

由图 1（a）和图 1（b）及式（11）、（12）可推出 Vb＞ Va，θb＞ θa，从而可以得出以下结论：

（1）当维持扫地车的行驶速度v0不变，当盘刷的电机的旋转速度ω上升时，盘刷与地面接触的绝对速度速度V将会增加，并且绝对速度的方向也会有所变化，同时绝对速度的内夹角θ也会变大，其中绝对速度的方向和内倾夹角θ的方向变化同向。

（2）维持盘刷的电机的旋转速度ω不变，当改变行驶速度v0时，盘刷刷盘接地点的绝对速度无论是方向还是大小都将变化。

（3）维持扫地车的行驶速度v0不变，同时也维持盘刷的电机旋转速度ω不变，盘刷接地点的绝对速度无论是方向还是大小都将变化。

由图 1（a）和图 1（c）及式（17）、（18）Vc＞ Va，θc＞ θa，从而得出结论：

当车辆的行驶速度v不变时，盘刷的旋转速度ω增加时，盘刷与地面的接触点的绝对速度将会增大，而且接触点的绝对速度的方向也会有所增加，同时绝对速度与车辆行驶速度的夹角θ将会变小，其中绝对速度的方向和绝度与车辆行驶速度的夹角θ方向变化反向[4]。

通过计算可知，为了使清扫速度，清扫效率满足清扫车在高速公路的以最低时速30 km/h，应当找到盘刷的旋转速度以及清扫车行进速度队清扫效率的影响关系。

2 高速公路清扫车扫盘建模及其运动轨迹仿真

2.1 清扫车扫盘结构设计

盘刷由刷盘底板、围板、扫把头插槽、盘刷盖板组成。通过研读大量相关文献以及各大清扫车生产厂家的网页，确定扫把头插槽，刷盘材料为45#钢，毛刷材料为合成塑料。

2.2 单侧清扫结构建模

（1）打开Solid Works软件，新建零件，如图2所示。

（2）通过新建装配体命令进入Solid Works装配模块，按零件的主次关系完成清扫机构的装配如图3所示。

图2 Solid Works新建零件

图3 清扫机构装配图

2.3 清扫车扫盘清扫时的运动仿真

在清扫车清扫工作时，连接件与倾角调整机构处于静止状态，在对清扫车清扫机构仿真时，对仿真对象做了一些调整，省掉连接机构及倾角调整机构等盘刷的控制机构，只对盘刷进行清扫运动，直接给盘刷添加旋转马达和直线马达来进行运动仿真[5]。

盘刷运动仿真时前视平面代表地面，盘刷与前视平面的接触点的运动轨迹来模拟盘刷运动时接地点的运动轨迹[6]。如图4所示。通过设置不同的盘刷行车速度和旋转速度，设置界面如图5所示。

图4 接地点的运动轨迹

图5 仿真界面设计

图6 ~图11所示为通过设置不同的旋转马达转速和线性马达转速模仿盘刷的旋转速度和车辆的行驶速度，观察相邻轨迹间的间距，从理论上获得能使盘刷清扫效率较高的参数取值，找出实际盘刷旋转速度与车辆行车速度的两参数取值范围。

图6 行车速度30km/h盘刷速度700r/min

图7 行车速度30km/h盘刷速度800r/min

图8 行车速度30km/h盘刷速度800r/min

图9 行车速度30km/h盘刷速度1000r/min

图10 行车速度30km/h盘刷速度1100r/min

图11 行车速度30km/h盘刷速度1400r/min

3 结束语

以上各种参数仿真，在满足高速公路的行车最低速度30 km/h的前提上对盘刷的转速进行一些列仿真，通过对比盘刷接地点的轨迹图不难发现，在盘刷转速为1 400 r/min的情况下，盘刷接地点运动轨迹的摆带的相隔距离最近，相应的清扫效率最好；而盘刷转速1 100 r/min的情况下接地点的运功轨迹虽然比盘刷转速1 400 r/min的运动轨迹的摆带要宽，但整体也满足清扫要求；当然从轨迹图上也可以看出，当盘刷转速低于1 100 r/min时，盘刷接地点运动轨迹的摆带间的相隔距离都很大，道路的清扫效率很差，从而可以得出结论当行车速度30 km/h时，盘刷的旋转速度的取值为1 100~1 400 r/min.