幕墙清洗机的毛刷清洁效果分析_苏阳.pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.031幕墙清洗机的毛刷清洁效果分析苏阳，张航，古学伟，黄朋辉，陈杰（201620 上海市 上海工程技术大学）摘要 以幕墙清洗机的毛刷刷丝为研究对象，针对尼龙 66 材质的刷丝在不同驱动力下研究刷丝的变形程度与清洁效果的关系。建立柔性体模型，再进行接触式仿真，得出该型刷丝约在 3.0 N 时的变形程度最大、覆盖的清洁面积最大的结论。通过对毛刷结构在不同驱动力下的实物实验和清洗机外场实验，交叉验证仿真结果可行，清洁效果显著。为工程实践中毛刷清洁作业提供参考。关键词 毛刷清洁；驱动力形变；柔性体建模；刚柔耦合接触；交叉验证 中图分类号 TH692.9 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0147-04引用格式：苏阳,张航,古学伟,等.幕墙清洗机的毛刷清洁效果分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):147-150.Analysis on cleaning effect of brush of curtain wall cleaning machineSU Yang,ZHANG Hang,GU Xuewei,HUANG Penghui,CHEN Jie(Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract Taking the brush wire of curtain wall cleaning machine as the research object,aiming at the brush wire made of nylon 66 under different driving forces,the relationship between the deformation degree of brush wire and cleaning effect is studied.The flexible body model is established,and then the contact simulation is carried out.It is concluded that the deformation degree of this type of brush wire is the largest and the cleaning area is the largest when it is about 3.0 N.Through the physical experiment of the brush structure under different driving forces and the field experiment of the cleaning machine,it is cross verified that the simulation results are feasible and the cleaning effect is remarkable.It provides a reference for brush cleaning in engineering practice.Key words brush cleaning;driving force deformation;flexible body modeling;rigid flexible coupling contact;crossover experiment0 引言高楼幕墙清洁技术是近年来效能研究领域的技术，其涉及领域广，内容丰富，且应用前景广阔。目前国内外市场对墙面的刷洗主要是人工手持 PPO材料的雨刮器或是 PA612/PBT/PP 材质的滚刷进行清洗操作。图 1 这种方式工作效率低，清洗不干净，每年都有工人伤亡的事件发生1。研发幕墙无人清洁设备2-4清洁墙面越来越符合现实需求。如图 2所示，目前，智能化清洁设备还不能完全适应清洁市场，尤其在清洁墙面时，清洁效果不佳。针对以上问题，研制以毛刷为主要清洁手段的幕墙清洗机，重点分析毛刷刷丝的变形程度与清洁效果之间的关系，进而为后续毛刷清洁应用提供理论帮助。1 刷丝模型的建立和仿真分析1.1 刷丝的柔性体建模如图 3 为研制的幕墙清洗机三维状态图。该清洗机的清洗单元主要采用的是三毛刷结构，清水喷淋加以辅助，可有效提高清洗效率。柔性体建模时，由于刷丝密集地铺展在圆盘基体上，数量庞大且细小，难以将其全部实现建模与分析。采用每一簇刷丝作为一个研究单元，刷丝的弹性变形可认为是线性关系的变形，以此看作是等直径的圆柱体，不仅可以等效变换，而且能大大加快建模的效率。刷丝模型的材质时，不同材质的物理性质都会影响模型的建立。由于刷丝的弹性形变适应性范围要大，且耐磨，故选用尼龙 66 材质。表 1 为部分常用刷丝的材料参数。收稿日期：2022-01-15 图 1 人工清洗所用的工具Fig.1 Tools used for manual cleaning148农业装备与车辆工程 2023 年表 1 常见类型刷丝的物理材料参数Tab.1 Physical material parameters of trichomes of common types物理特性弹性模量 剪切模量/GPa 泊松比 密度/(g/cm3)尼龙 668.33.20.281.141.15聚氨酯软发泡橡胶0.007 840.00290.470.67PBT1.930.690.390 21.3PVC2.410.8660.382 5 1.351.40通过在有限元软件中导入5-6已构建的柔性体模型，如图 4 所示。该模型为 128 根尼龙 66 材质的刷丝，每根长度为 150 mm，直径为 1 mm。具体排列方式为 2 个特殊位置，分别为内外两圈，每圈布置 64 根。采用轴套力在刷丝和圆盘基体之间进行约束固定，轴套力刚度不宜过大。因电机带动圆盘基体旋转，对其设置转动副和转动驱动。电机与清洗机框架之间设置直线滑移运动副及滑移驱动。清洁面设置为与地面相互约束的长方体。每根刷丝与清洁面间均需设置接触驱动力约束，如图5 所示。1.2 接触驱动力对刷丝形变的仿真和分析给整个毛刷施加向下的接触驱动力，使刷丝完全与清洁面接触。如图 6 所示为刷丝与清洁面的2 种刚柔耦合接触形式（切式接触和横式接触）7。由于驱动力的不断加大，刷丝的弹性形变程度不断加大，最终刷丝和清洁面的接触形式由切式过渡到横式。毛刷在刷洗运动中所受的接触驱动力是产生摩擦力的直接因素8，摩擦力越大，刷丝与清洁面接触越紧密，清扫附着在清洁面上尘埃的能力也会越强，从而清洁质量也会提高。图 3 幕墙清洗机三维状态图Fig.3 Three dimensional state diagram of curtain wall cleaning machine图 5 刷丝的约束和驱动力的添加Fig.5 Restraint of brush wire and addition of driving force图 4 刷丝的柔性体模型Fig.4 Flexible body model of brush wire电机圆盘基体清洁面柔性体刷丝图 6 刷丝与清洁面的接触状态Fig.6 Contact state between brush wire and clean surface模型初始态仿真运动切式接触横式接触压力加大node_9665CM点图 2 清洁机的盘刷清洁效果Fig.2 Cleaning effect of disc brush of cleaning machine149第 61 卷第 3 期根据刷丝原长 L0=150 mm，去除仿真环境中的重力参数，电机转速为 1 r/s，刷丝在离心力的作用下展开，通过测量刷丝顶端处的位置点（约束连接点 node_9665）在 Y 轴上的位移量替代刷丝的形变量 h。设定不同参数的驱动力进行多组测试，整理分析得驱动力与刷丝形变量的数据，表 2 为刷丝在驱动力形变过程中的最大形变量与平均形变量。由表 2 生成曲线关系，如图 7 所示。表 2 驱动力与刷丝形变量的数据表Tab.2 Data sheet of driving force and brush wire shape variables驱动力/N最大形变量/mm平均位移量/mm驱动力/N最大形变量/mm平均位移量/mm1.06.923.332.8-60.34-27.401.2-14.066.013.0-61.13-27.001.4-45.18-21.223.5-59.24-31.211.6-52.30-20.873.8-59.12-26.641.8-56.65-24.984.2-60.52-22.322.0-53.18-27.634.5-60.89-22.322.5-57.77-29.96由图 7 可知，施加在毛刷上的驱动力从 0 增大到中间值再到峰值期间，该材质刷丝最大形变量从 0 急剧上升至高点，经小幅回落后稳步接近峰值状态；其平均位移量介于 030 mm 之间，大致处于 25 mm，模拟的刷丝原长为 150 mm，平均位移量在驱动力的形变下为原长的 1/6，刷丝约在 3.0 N时形变量最大，此时覆盖的清洁面积最大。2 刷丝的接触驱动力计算和实验2.1 计算刷丝的接触驱动力毛刷在进行清洗作业时，受到的接触驱动力迫使刷丝紧密接触清洁面，两者发生碰撞和摩擦。由于存在极大的不连续性，且物体本身的物理性质、物体的形变以及能量的损失等都会影响接触驱动力的大小，理论上刷丝的接触驱动力公式9为：.arccosNdLEJh ZvRh5 31010 1821Bmm3231=+-()(1)式中：d刷丝直径；L刷丝长度；E弹性模量；J 断面惯性量；vm尾端线速度；ZB工作数量；h平均变形量；Rm 毛刷半径。基于上述仿真结果和接触驱动力要素公式，对清洗机的清洗单元毛刷机构开展不同驱动力下刷丝变形和清洁效果实验。图 8 为清洗机毛刷实验结构图。该结构包含电机驱动控制单元与毛刷单元。毛刷与电机相互连接且整体安装固定在清洗机框架内。联轴器将电机输出力矩传递至毛刷驱动，电机由驱动器进行 PWM 调控制，从而驱动毛刷旋转进行清洗作业。实验用刷丝选用尼龙 66 材质，直径 d=0.1 mm，选用的常规玻璃面与尼龙刷的摩擦系数值为 0.4，保持毛刷半径 Rm=5 cm，刷毛长度 L=4 cm，刷丝弹性模量 E=8.3 Pa，刷丝尾线端速度经测算计为 5 m/s，刷丝工作数量 ZB=1 000，断面惯性量 J=3.2 m4。不断改变毛刷所受的接触驱动力，实验结果如表 3 所示。表 3 刷毛在不同驱动力下的形变图Tab.3 Deformation diagram of bristles under different driving forces驱动力/N01.01.2尼龙 66驱动力/N1.41.82.5尼龙 66苏阳 等：幕墙清洗机的毛刷清洁效果分析图 8 清洗机毛刷实验结构图Fig.8 Experimental structure diagram of cleaning machine brush电源控制及继电器驱动器清洗机电机24 V12 V12 V图 7 驱动力与刷丝形变量关系Fig.7 Relationship between pressure and brush wire size variables0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5驱动力/N形变量/mm-10-20-30-40-50-60平均位移最大形变量150农业装备与车辆工程 2023 年对比表 2 实验数据与表 3 毛刷形变分析得出：随着接触驱动力不断加大，刷丝的变形程度由密集状态慢慢转化为分散状态，同时其柔软性与粘合性也在下降。清洁质量是衡量毛刷清洁性能优劣的重要指标。根据上述仿真结果得到的平均位移下的驱动力值进行室内清洗效果测试。将刷毛材质、耗水量、毛刷转数、毛刷移动速度这些条件控制不变，改变施加在毛刷上的驱动力，观察其清洁效果，如图 9所示。可以看出，当其它条件不变时，清洗前清洁面布满污渍。在毛刷用设定的 3.0 N 力清洁后，从图 9 看出，清洁后的墙面干净度明显提高，表明上述给定的驱动力值基本上是可行和有效的。在户外实际墙面上进行清洗机整体的清洁效果测试，结果如图 10 所示，可以发现该型清洗机的清洗效果显著。3 结语本文从当前玻璃幕墙清洗机的清洁效果不佳的现状出发，以幕墙清洁机的毛刷结构入手，通过柔性体建模、接触式仿真和分析，得出尼龙 66 材质的刷丝在不同接触驱动力下和其变形程度的相互关系。通过公式计算、室内和室外的实验，交叉验证清洗机的毛刷变形情况和清洁效果，为今后的幕墙清洁作业机械设计提供一定的理论参考。参考文献1 陈贵亮,曹伟涛,杨冬,等.基于阻抗控制的幕墙安装机器人柔顺操作研究 J.工程设计学报,2017,24(1):100-107.2 徐广红,陈兵,杨隆庆,等.新型高楼幕墙清洗机器人的研制及安全性分析 J.机械设计与制造,2017(2):258-262.3 庄子槺,方嘉炜,黄庆典,等.玻璃清洁机器人的研究和应用分析 J.科技与创新,2019(14):148-149.4 赵启超.玻璃幕墙清洗机器人的设计与研究 D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.5 惠记庄,魏芳胜,高凯,等.基于 ADAMS 的冗余驱动并联机器人动力学仿真研究 J.工程设计学报,2012,19(5):362-365.6 姜自伟.机械系统动力学仿真柔性体建模技术研究 D.武汉:华中科技大学,2007.7 洪嘉振,刘铸永.刚柔耦合动力学的建模方法 J.上海交通大学学报,2008(11):1922-1926.8 韩建男,孙江宏,杜宏辰.清扫车滚刷运动仿真分析及刷毛材质影响 J.中国科技论文,2019,14(4):367-372.9 王利伟,王超,张鹏飞.城市清扫车盘刷参数的设计研究 J.山东工业技术,2016(12):217-218.作者简介 苏阳（1994-），男，硕士，机械制造及其自动化专业，研究方向：智能无人清洁装备。E-mail：图 9 尼龙 66 清洁效果测试图Fig.9 Nylon 66 cleaning effect test chart图 10 清洗机户外清洁实验Fig.10 Outdoor cleaning experiment of cleaning machine