王成生

(江蘇悅達(dá)專用車有限公司，江蘇 鹽城　224007)

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掃路車風(fēng)機(jī)選擇與風(fēng)道設(shè)計(jì)的研究

王成生

(江蘇悅達(dá)專用車有限公司，江蘇 鹽城224007)

摘要：針對3 t掃路車的風(fēng)機(jī)選型和風(fēng)道設(shè)計(jì)問題，基于NX NASTRAN的流體分析平臺，結(jié)合風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量的理論計(jì)算與相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了風(fēng)機(jī)的氣體模型。通過流體仿真，明確了風(fēng)道流速的分布情況，并對風(fēng)機(jī)與風(fēng)道的噪聲進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明，通過風(fēng)機(jī)選型與風(fēng)道設(shè)計(jì)，吸筒中的風(fēng)速超過50.8 m/s，滿足了吸筒中垂直向上的運(yùn)輸要求。

關(guān)鍵詞：掃路車；風(fēng)機(jī)；風(fēng)道；降噪

掃路車的風(fēng)力輸送系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)道組成。風(fēng)機(jī)是掃路車風(fēng)力輸送系統(tǒng)的核心部件，而風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理與否對風(fēng)機(jī)工作效果有直接影響[1]。風(fēng)機(jī)選擇的主要依據(jù)是風(fēng)力輸送系統(tǒng)正常工作時(shí)風(fēng)機(jī)靜壓所要克服的風(fēng)道阻力，因此，風(fēng)機(jī)的靜壓是風(fēng)機(jī)選擇的主要參數(shù)。風(fēng)力輸送系統(tǒng)的基本功能要求是通過氣流實(shí)現(xiàn)對垃圾的拾取、輸送和收集，這一過程是通過一定速度的氣流來實(shí)現(xiàn)的，因此，確定相應(yīng)部位氣體的工作流速就成了滿足風(fēng)力輸送系統(tǒng)基本功能要求的關(guān)鍵因素。相應(yīng)部位氣體的流速確定了，該部位的氣體流量也就確定了，這就是整個(gè)風(fēng)力輸送系統(tǒng)的流量，這個(gè)流量值是選擇風(fēng)機(jī)的另一主要參數(shù)[2]。此外，風(fēng)力輸送系統(tǒng)工作時(shí)對環(huán)境輻射的噪聲，應(yīng)滿足相應(yīng)的環(huán)保要求，這是風(fēng)機(jī)選擇和風(fēng)道設(shè)計(jì)的另一要求[3]。

本文對3 t掃路車風(fēng)機(jī)風(fēng)道的風(fēng)壓、風(fēng)量進(jìn)行了理論計(jì)算，并通過測試進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，基于NX NASTRAN平臺，建立了3 t掃路車的風(fēng)道氣體模型，并對其進(jìn)行了流體分析，明確了風(fēng)道流速的分布情況，為后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)升級提供了可靠的參考依據(jù)。

1風(fēng)機(jī)風(fēng)壓

1.1　風(fēng)機(jī)靜壓

風(fēng)機(jī)靜壓Pst是由風(fēng)道阻力Pr確定的，而風(fēng)道阻力與氣體流速v的平方成正比[4]，即：

(1)

式中，ξ是風(fēng)道阻力系數(shù)，屬于風(fēng)道的固有屬性，僅與風(fēng)道的形狀有關(guān)；ρ為空氣密度。

由式(1)可知，對固定的風(fēng)道而言，其阻力大小僅取決于其內(nèi)部的氣體流速，以及氣體的密度。由于掃路車的風(fēng)道截面為不規(guī)則形狀，不同部位氣體的流速相差很大，所以通過理論計(jì)算風(fēng)道阻力系數(shù)ξ，再計(jì)算其阻力值比較困難[5]。

1.2　伯努利能量守衡方程

流體的伯努利能量守衡方程為：

(2)

式中，P為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v為該點(diǎn)的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點(diǎn)高度，C是一個(gè)常量。由于伯努利方程是通過機(jī)械能守恒推導(dǎo)出來的，本式只適于粘度可以忽略、不可被壓縮的理想流體，即不存在摩擦阻力。而在真實(shí)流體中，機(jī)械能沿流線并不守恒，粘性摩擦力的存在使得在實(shí)際粘性流體中推廣伯努利能量守恒方程時(shí)，必須考慮摩擦阻力造成的能量損失。

在等高條件下，流體的伯努利定理為：靜壓+動(dòng)壓+阻力=總能量。式中各項(xiàng)分別表示單位流體的位能、動(dòng)能和靜壓能之差。風(fēng)道阻力是氣體在風(fēng)道內(nèi)沿途的氣體能損失的總和[6]。

1.3　風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的測量

根據(jù)掃路車的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，分別在其吸盤外、吸筒處、箱體出口法蘭處、風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處、風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處、出風(fēng)箱處等6處[7]設(shè)立測壓點(diǎn)，測量各測點(diǎn)處的靜壓和動(dòng)壓。

假定風(fēng)道進(jìn)、出口總能量為0，對于3 t掃路車，在滿足基本功能的氣體流速下，結(jié)合伯努利定理，與風(fēng)道各測點(diǎn)的測壓值，計(jì)算各個(gè)部分的風(fēng)道阻力(一般情況下是遞增的關(guān)系)。

表1為3 t掃路車的風(fēng)道阻力、風(fēng)機(jī)的靜壓、動(dòng)壓和全壓，圖1為其壓力分布。

表1　3噸掃路車的風(fēng)道阻力、風(fēng)機(jī)靜壓、動(dòng)壓和全壓

由表1可知，進(jìn)風(fēng)口段7 064 Pa和出風(fēng)口段189 Pa的阻力總和為風(fēng)道阻力7 253 Pa；風(fēng)機(jī)的靜壓為0 Pa、動(dòng)壓為139 Pa(以出風(fēng)箱口計(jì)算)，全壓為靜壓+動(dòng)壓+風(fēng)道阻力=0+139+7253=7 392 Pa。

圖1　風(fēng)機(jī)的壓力分布Fig.1　Pressure distribution of the fan

2風(fēng)機(jī)風(fēng)量

氣流在輸送垃圾時(shí)，在風(fēng)道的各個(gè)環(huán)節(jié)，以被吸取物在吸筒內(nèi)垂直上升時(shí)所需要的氣流速度為最大。吸筒直徑為188 mm，對于石子和砼，根據(jù)實(shí)測，當(dāng)吸盤全提時(shí)：

吸筒內(nèi)的風(fēng)速達(dá)到46.6 m/s，當(dāng)量直徑不超過44 mm的石子和砼，都能正常吸取，基本滿足正常掃路的一般要求；吸筒內(nèi)的風(fēng)速達(dá)到50.8 m/s，當(dāng)量直徑不超過120 mm的石子和砼，都能正常吸取，完全滿足正常掃路的功能要求。

但對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的風(fēng)道系統(tǒng)，當(dāng)吸盤放下處于正常工作狀態(tài)時(shí)，吸筒內(nèi)的風(fēng)速達(dá)到64 m/s，吸取效果較好。

風(fēng)量計(jì)算公式：

(3)

式中，Q0為吸筒處計(jì)算風(fēng)量，m3/h；D為吸筒內(nèi)徑，D=188 mm；v為吸筒內(nèi)的風(fēng)速，m/s。

當(dāng)v=46.6 m/s時(shí)，Q0= 4 655 m3/h；當(dāng)v=50.8 m/s時(shí)，Q0=5 074 m3/h；當(dāng)v=64 m/s時(shí)，Q0=6 395 m3/h。

為了滿足現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的風(fēng)道系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量當(dāng)取6 395 m3/h，此時(shí)吸筒內(nèi)的風(fēng)速達(dá)到64 m/s。由于風(fēng)機(jī)的靜壓、動(dòng)壓與風(fēng)速的平方成正比，風(fēng)速的提高，會(huì)提高對風(fēng)機(jī)靜壓和動(dòng)壓的要求；此外，風(fēng)速的提高，會(huì)增加風(fēng)機(jī)的噪聲，影響周邊環(huán)境。因此，如何提高風(fēng)速使其從50.8 m/s提高到64 m/s，既能滿足工作要求，又能抑制噪聲，滿足環(huán)境保護(hù)要求，是風(fēng)道設(shè)計(jì)者需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3風(fēng)機(jī)選型與測試

根據(jù)圖2風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能概況，并參考風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓和風(fēng)量，選擇黃色區(qū)域的9~19或9~26系列的風(fēng)機(jī)。

根據(jù)上面風(fēng)機(jī)風(fēng)壓7 392 Pa和風(fēng)量6 395 m3/h的要求，選擇風(fēng)機(jī)：型號為9-26No5.6A，

n=2 900 r/min，ρ=1.2 kg/m3。

圖2　風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能概況Fig.2　Aerodynamic performance of the fan

對選擇的風(fēng)機(jī)進(jìn)行靜壓與風(fēng)道阻尼測試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，風(fēng)機(jī)靜壓線與風(fēng)道阻尼線在風(fēng)機(jī)合理的工作區(qū)域內(nèi)有交點(diǎn)，說明風(fēng)機(jī)能夠克服風(fēng)道的阻力，滿足選擇要求。

圖3　風(fēng)機(jī)靜壓和風(fēng)道阻尼曲線Fig.3　Static pressure and air duct damping curve of the fan

4風(fēng)道流體分析

掃路車工作時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)道需要處理的垃圾種類繁多，無法對其進(jìn)行一一建模，且本文主要是對風(fēng)道的流場分布情況進(jìn)行研究，分析不同工況下風(fēng)道流場的變化規(guī)律，用來檢驗(yàn)風(fēng)道設(shè)計(jì)是否合理，因此本文無需對風(fēng)道中的固相垃圾進(jìn)行建模，而只對其空氣流動(dòng)問題進(jìn)行分析研究[8]。

設(shè)定外界環(huán)境大氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(即105 Pa)，空氣密度為1.205 kg/m3，溫度為25℃，重力加速度為9.8 m/s2，在整個(gè)工作過程中吸嘴內(nèi)的氣體與外界氣體無熱量交換，且氣體不具可壓縮性[9]?；谏衔挠?jì)算的風(fēng)壓、風(fēng)量數(shù)據(jù)，在NX NASTRAN平臺上建立風(fēng)道的有限元模型，并添加相應(yīng)的邊界條件，經(jīng)求解獲得風(fēng)道關(guān)鍵部分的風(fēng)道流速仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，吸筒處風(fēng)速平均為63.3 m/s時(shí)，吸盤內(nèi)低速區(qū)風(fēng)速為27 m/s；吸筒處風(fēng)速平均為55.6 m/s時(shí)，吸盤內(nèi)低速區(qū)風(fēng)速為23 m/s。即風(fēng)筒中的風(fēng)速由55.6 m/s提高到63.3 m/s時(shí)，吸盤中低速區(qū)的風(fēng)速由原來的23 m/s上升到27 m/s。

由此可見，吸筒中的風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到了上文所提的50.8 m/s的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地滿足吸筒中垃圾垂直向上的運(yùn)輸要求。

5風(fēng)機(jī)和風(fēng)道的噪聲分析

由于風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)速的3次方成正比，風(fēng)速的提高，會(huì)增加風(fēng)機(jī)的噪聲，從而影響周邊環(huán)境。因此通過優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)，降低對風(fēng)機(jī)靜壓和流量的要求，對降噪工作意義重大[10]。

圖5為優(yōu)化后的風(fēng)道流速仿真圖。吸盤進(jìn)風(fēng)路徑經(jīng)過優(yōu)化后，整個(gè)吸盤、吸筒內(nèi)的流速比較均勻，其所產(chǎn)生的噪音理論值相對較小。優(yōu)化后的實(shí)際效果，還需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

a b　　圖4　風(fēng)道流速仿真結(jié)果Fig.4　Simulation of air duct flow velocity

a b　　圖5　經(jīng)優(yōu)化的風(fēng)道流速仿真結(jié)果Fig.5　Simulation of optimized air duct flow velocity

6結(jié)論

(1)風(fēng)機(jī)的靜壓是選擇風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵，風(fēng)量的選擇是由風(fēng)速?zèng)Q定的。通過合理的風(fēng)機(jī)選型與風(fēng)道設(shè)計(jì)，使吸筒中的風(fēng)速超過50.8 m/s，滿足了吸筒中垃圾垂直向上的運(yùn)輸要求；

(2)基于NX NASTRAN的流體CAE分析可直接顯示氣體的運(yùn)行軌跡，為風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了直觀依據(jù)；同時(shí)氣體模型的建立，為后續(xù)產(chǎn)品的數(shù)字化開發(fā)和模擬分析提供了可靠的參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：李華云)

A Research on the Selection of Sweep Truck

Fan and the Design of Air Dust

WANG Chengsheng

(Jiangsu Yueda Special Vehicle Co., Ltd., Yancheng Jiangsu224007, China)

Abstract：Aiming at the problems of fan selecting and air duct design for 3 tons sweeper truck, the theoretical calculation of air pressure and air volume for fan is discussed. Combining the calculation with the experiment data, the fan gas model of 3 tons sweeper truck is built based on NX NASTRAN fluid analysis platform. Through the fluid simulation, the distribution of wind velocity of air duct is made clear, and the noise of the fan and air duct is analyzed preliminarily. The results show that the wind velocity in the suction tube is greater than 50.8m/s through the fan selecting and air duct design. This meets the requirement of upward transport in the vertical suction tube.

Keywords：Sweeper Truck; Fan; Air Duct; Noise Reduction

作者簡介：王成生(1961-)，男，江蘇東臺人，總工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)衛(wèi)專用車設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-04-10

中圖分類號：TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-5322(2015)02-0035-05

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201502006