基于ADAMS的地铁隧道清洁车滚刷系统的研究*

谭元文 王国志 曹年欢

（西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

随着中国经济快速发展、城市化进程逐步加快，城市规模不断扩大，城市交通越来越拥挤。为缓解交通压力，许多大城市大力发展地铁［1～2］。随着地铁里程迅速增加，地铁隧道内的清洁工作日益繁重。地铁隧道的运营环境不仅影响地铁隧道内的环境美观，还对地铁车辆行车构成安全威胁［3］。细小的灰尘颗粒被乘客吸入肺里，还会引发一系列的呼吸疾病［4］。因此，保持地铁隧道清洁就是保证地铁车辆的行车安全，也会保证乘客的呼吸健康。

通常垃圾颗粒被吸污系统吸起需经历两个过程：克服滚动摩擦力开始滚动；风速达到颗粒的最小起动速度，颗粒悬浮并被吸入吸污口［5］。为了提高清洁效率，使用清洁车的滚刷系统将颗粒扫起，直接将颗粒扫至吸污口。有学者对清洁车清扫系统进行了研究：丁青海等［6］利用动力学仿真软件ADAMS对小型电动扫地车滚刷系统清扫过程进行了仿真；陈顺［7］通过对不同布置方式的清洁装置进行性能分析，设计了具有自动避让功能的清扫装置；王吉瑞［8］设计了一种小型吸扫式清洁车，其吸尘系统的主要作用时防止二次扬尘；林琳等［9］利用三维软件对轨道清洁车进行建模、装配和分析，更加清晰地展示了各构件的连接方式，从而实现合理布局，实现了对轨道和道床的全面清洁；Francis等［10］设计了一种可自动收集垃圾的铁路清扫机器人，并且能够自动喷洒消毒剂；Xiao等［11］通过在轨道清洁车上安装实时监控系统，以便于监测水箱和污水舱的水高度、车外温度和油压等，使清洁工作有效进行。上述研究对清洁车的优化均有指导意义，但他们未考虑滚刷系统对吸扫结合式清洁车吸污口的影响。为此，分析滚刷系统不同因素对颗粒清扫效果的影响能够提高清扫效率。

2 滚刷与地面及颗粒接触关系分析

2.1 滚刷与地面接触关系分析

经查阅文献［12］得知，标准地铁轨道的轨距为1435mm，去除钢轨弹性扣件所占距离，本文将滚刷系统宽度设计为1200mm。传统的滚刷系统为单滚刷系统，其结构主要有滚刷、吸尘口和挡板。其工作过程为滚刷将颗粒扫起，使颗粒有一个向上的初速度，被扫起的颗粒经过挡板二次反弹，弹起的颗粒被吸尘口吸走。为了提高滚刷系统的清扫效率，在单滚刷的基础上再添加一个后滚刷，其旋转方向与前滚刷旋转方向相反，此种滚刷为双滚刷系统。

颗粒受到滚刷系统刷毛的力的大小会影响滚刷系统的清扫效果，因此为提高滚刷系统清扫效率，需对滚刷与路面接触关系进行分析。

滚刷刷毛与地铁隧道地面接触关系如图1所示。其中v为牵引车行驶速度，ω为滚刷转速，Δx为刷毛最大变形量，β为刷毛刚与地面接触时在竖直方向上的夹角，S为单束刷毛在地面上的最大清扫距离，α1与α2为颗粒被抛射后速度方向与水平面的夹角，称为抛射角，抛射角越大，越有利于吸尘口吸走颗粒，清污系统的清洁效率就越高。由图可知，当刷毛与地面垂直时刷毛的变形量最大。由此可以得到刷毛刚与地面接触时与竖直方向的夹角β与最大变形量Δx之间的关系式为：

图1 滚刷刷毛与地面接触关系

上式中，R为刷毛顶部到滚轴中心的距离，m；从上式可以知道当Δx值越大，β值也越大；β值越大，滚刷与颗粒分离时刷毛与地面的夹角越小，颗粒被抛射时在竖直方向上的速度也就越大。

在清洁车向前运动的过程中，为防止刷毛打滑现象的产生，则应使滚刷刷毛与地面接触部分速度大于清洁车行进速度，即应满足下列不等式：

由式（2）可知，当其它参数保持不变时，清洁车行驶速度v与滚刷转速ω成正比关系。本文取滚轴直径为0.15m，刷毛长度为0.3m，则可得到R的值为0.375m，刷毛的最大变形量Δx为0.01m，由式（1）可计算出角度β为13.26°。将上述值代入式（2）后可得到的不等式如下：

2.2 滚刷与颗粒接触关系分析

为了分析滚刷刷毛对不同颗粒的接触影响，需对刷毛与颗粒接触关系进行分析，其关系如图2所示。

图2 滚刷刷毛与颗粒接触关系

假设刷毛与颗粒接触时间为Δt，在接触时间内忽略空气阻力，且在该时间内刷毛给颗粒的力F为定值，根据动量守恒定律，颗粒在水平方向与竖直方向上的速度关系为

将式（4）两边分别除以式（5）两边可得到下式：

从上式可以看出，当颗粒受力不变时，竖直方向的速度与水平方向的速度之比与颗粒质量有关，即颗粒的抛射角与颗粒质量有关，颗粒质量越大，抛射角越小。

3 地铁隧道清洁车滚刷系统介绍

为了验证双滚刷系统的性能，使用动力学仿真软件ADAMS对单滚刷与双滚刷系统的工作过程进行仿真对比，模型如图3所示。此模型主要由前滚刷、后滚刷、吸污口以及外壳组成。滚刷主要将地面的颗粒向后抛起并使颗粒向吸污口集中，吸污口将滚刷扫起的颗粒吸走，外壳的作用是防止被滚刷扫起的颗粒四处飞溅。

图3 滚刷系统

为节省仿真计算量，需对模型进行简化，简化后的仿真模型由滚刷、地面与垃圾颗粒组成。在ADAMS中导入仿真模型，设置参数：重力加速度沿-Y方向为9.80335m/s2，添加刷毛材料，需要使用ADAMS自带的柔性化模块对其进行柔性化［13］，地铁隧道最常见的垃圾颗粒为土块与石子，它们的密度分别为1300kg/m3与1500kg/m3。刷毛与颗粒之间、地面与颗粒之间都需添加接触力，其中颗粒与地面的静摩擦因数与动摩擦因数分别为0.55和0.5，颗粒与刷毛的静摩擦因数与动摩擦因数分别为0.1和0.09。将滚刷转速设为120r/min，对不同牵引速度下的滚刷系统工作过程进行仿真，分析在两种滚刷系统中颗粒的运动情况，仿真结果如图4所示。

由图4可知，随着清洁车牵引速度的增加，在单滚刷系统的作用下，土块在水平方向的速度逐渐减小，在竖直方向的速度基本保持不变；在双滚刷系统的作用下，土块在水平方向的速度逐渐增大，在竖直方向的速度基本保持不变。并且土块在单滚刷作用下竖直方向的速度均远远小于在双滚刷系统作用下竖直方向的速度，在水平方向的速度大于在双滚刷系统作用下的水平速度。

图4 两种系统下土块速度与清洁车行驶速度关系

为了更直观地对比两种滚刷的清扫效果，分析土块的抛射角随清洁车牵引速度的影响，结果如图5所示。由图5可知，在单滚刷系统作用下，土块的抛射角α1随着牵引速度的增加而增加，在双滚刷系统作用下，土块的抛射角α2随着牵引速度的增加而逐渐减小，并且抛射角α2远远大于α1。由于抛射角越大，越有利于吸尘口除尘，因此双滚刷系统的清扫效果远远大于单滚刷系统。因此本文选择双滚刷系统作为地铁隧道清洁车的滚刷系统。

图5 两种系统下土块的抛射角与牵引速度关系

4 滚刷清扫过程仿真分析

4.1 刷毛材料的选择

刷毛材料的选择对滚刷的清扫效果有很大影响，因此需对不同材料的刷毛进行对比分析［14］。早在20世纪，就有国家将滚刷应用到工程实际中，当时的滚刷刷毛的材料多为竹制的，这种材料的刷毛基本能满足工作要求，但是它的缺点是非常不耐磨，而且易折损，一般作业10h，折损率就达到了20%。还有的滚刷刷毛为钢丝刷毛，其优点是生产难度小，生产厂家多，其成本也低。但其缺点是钢丝刷毛在工作一段时间后会逐渐脱落，而且由于其硬度高，会损坏地面。尼龙刷毛不仅具有高耐磨性、高冲击韧性，而且价格便宜［15］，因此本文选择尼龙为刷毛材料。

4.2 清洁车牵引速度影响

为了研究清洁车牵引速度对滚刷系统清扫不同颗粒的影响，利用ADAMS对同一滚刷转速下不同牵引速度的清扫过程进行仿真，并且分析滚刷系统对不同颗粒的作用的影响，仿真结果如图6所示。

由图6可知，土块与石子的抛射角均随牵引速度的增加而逐渐减小，并且在相同的牵引速度下，土块的抛射角大于石子的抛射角。这是由于当牵引速度增加时，后滚刷刷毛在水平方向的分速度也逐渐增加，而竖直方向的分速度保持不变，由动量守恒定律可知，刷毛施加在土块与石子上的水平作用力逐渐增大，在竖直方向上的力保持不变，所以当牵引速度逐渐增大时，颗粒速度方向与地面夹角逐渐减小。由式（6）可知，颗粒质量越大，抛射角越小，由于相同体积的石子密度比土块大，因此石子的抛射角小于土块的抛射角。综上所述，当清洁车牵引速度为3km/h时滚刷清扫效果最好。

图6 颗粒抛射角与牵引速度关系

4.3 滚刷转速的影响

为了分析滚刷转速对颗粒速度的影响，对不同滚刷转速作了仿真对比。为防止滚刷拖扫现象的发生，要求滚刷转速足够大，文章选取牵引车速度为3km/h，根据式（3）可计算得出滚刷转速不得小于22r/min，本文选取滚刷转速范围为60r/min～300r/min，其结果如图7所示。

图7 颗粒抛射角与滚刷转速关系

由图7可知，当滚刷转速在60r/min～180r/min时，土块与石子的抛射角随着滚刷转速的增加而增加，当滚刷转速大于180r/min时，颗粒的抛射角趋于稳定。这是由于当滚刷在60r/min～180r/min时，随着滚刷转速的增大，颗粒受到刷毛在竖直方向与水平方向的力均增大，但由于颗粒自身重力的原因，滚刷转速越大，颗粒重力对竖直方向的速度影响就越小，从而颗粒竖直方向速度比上水平方向的速度值就越大，也就是颗粒的抛射角越大；当滚刷转速大于180r/min时，刷毛作用在颗粒的力非常大，此时颗粒的重力影响越来越小，因此颗粒的抛射角趋于稳定。由于颗粒的速度随着滚刷转速的增大而增大，因此为了防止颗粒速度过大而四处飞溅，且考虑滚刷转速对颗粒抛射角的影响，选择滚刷转速为180r/min。

4.4 不同大小的颗粒与抛射角关系

为了分析滚刷对不同大小的颗粒的影响，对不同大小的颗粒进行了对比仿真。将石子的形状近似为球形，其直径大小在1mm～4mm范围内，土块的形状近似为正方体，其边长在2mm～20mm范围内，仿真结果如图8所示。

图8 颗粒抛射角与颗粒大小关系

由图8可知，石子与土块的抛射角均随直径的增大而减小，这是由于颗粒受到自身重力的影响，当颗粒质量越小，其自身重力对刷毛给颗粒的力的影响也就越小，从而抛射角越大。由土块抛射角与颗粒边长关系可以看出，抛射角在土块边长为4mm～12mm范围内减小速度较快，这是由于在此范围内颗粒重力对刷毛给颗粒的力的影响较大，因此颗粒抛射角变化也很大。随着颗粒边长的减小，颗粒质量逐渐减小，颗粒重力对颗粒的受力影响逐渐减小，颗粒的抛射角变化也就逐渐减小。当颗粒边长大于12mm时，由于颗粒质量较大，在被前滚刷第一次扫起后未到达后滚刷刷毛处就掉落在地面上，此时后滚刷将颗粒再次扫起时的抛射角就很小，所以当颗粒边长大于12mm时，其抛射角非常小且减小速度变慢。

5 结语

1）介绍了清洁车清污系统的主要结构，介绍了清污系统各个部分的作用及工作原理。分析了滚刷刷毛与地面的接触关系，得到了滚刷转速与清洁车行驶速度之间的关系；分析了滚刷刷毛对颗粒的作用力，得到了颗粒抛射角和颗粒质量的关系：颗粒质量越大，其抛射角越小。

2）利用仿真软件ADAMS对单滚刷与双滚刷对颗粒的作用进行了对比，结果表明双滚刷清扫颗粒的效果更好。

3）利用仿真软件ADAMS对双滚刷工作过程进行了动力学仿真。综合各个因素，当滚刷刷毛材料为尼龙材料，清洁车牵引速度为3km/h，滚刷转速为180r/min时，双滚刷系统清扫颗粒效果最好。