曹毅杰

（赤峰工業(yè)職業(yè)技術學院，赤峰 024005）

0 引言

電動輪自卸車具有工作效率高、安全性能好及使用壽命長等優(yōu)點，現(xiàn)已在世界上近半的煤礦得到廣泛的應用。其電動輪采用高功率密度電機進行驅(qū)動，存在發(fā)熱嚴重的問題，同時電動輪放置在較為封閉的空間內(nèi)，驅(qū)動電機散熱十分困難，從而優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)是電動輪自卸車穩(wěn)定運行的重要保證[1,2]。風機作為電機冷卻系統(tǒng)的重要部件，其性能優(yōu)劣直接影響著冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，但是礦車狹小的安裝空間對風機尺寸有嚴格限制，需要在滿足冷卻系統(tǒng)基本需求的前提下對風機進行結構優(yōu)化設計。

以礦用電動輪自卸車為應用背景，對電動輪冷卻風機進行了再設計，重點是對風機葉片的安裝角、葉片數(shù)目與內(nèi)外徑之比等參數(shù)進行了優(yōu)化設計。完成冷卻風機整體設計及幾何建模后，通過Fluent仿真軟件研究葉片安裝角、葉片數(shù)目及葉片厚度等主要參數(shù)的變化對風機氣動性能的影響。風機的性能是葉片多個參數(shù)共同作用的結果，因此將葉片的參數(shù)作為實驗因子，通過設計正交試驗對葉片參數(shù)進行優(yōu)化組合研究，得到了能夠使風機具有良好氣動性能的葉片優(yōu)化組合。

1 電動輪冷卻風機設計

所研究的礦用電動輪自卸車的冷卻系統(tǒng)采用強迫式通風冷卻的方式，其冷卻系統(tǒng)主要由離心風機、通風管道和驅(qū)動電機組成。離心風機通過通風管道將冷卻空氣吹入電動輪驅(qū)動電機一端的入口，然后冷卻空氣流經(jīng)電機內(nèi)部與轉子、定子和繞組等發(fā)熱元件實現(xiàn)熱交換，而后再經(jīng)電機另一端的出口將空氣排出。

冷卻風機在達到冷卻電動輪所需要冷量要求下，還需要風機蝸殼尺寸不大于1000mm以便可以安置在車廂與控制室中間下方的有限空間里?；诳刂扑俣确植嫉脑瓌t，在減小二次流和流動分離的前提下，結合傳統(tǒng)方法進行離心風機葉輪的設計，而風機的進風出風口、蝸殼大小及厚度等其他結構及其參數(shù)則采用傳統(tǒng)基于經(jīng)驗和公式的方法加以設計。

驗證所設計風機的合理性，基于SolidWorks軟件建立了其幾何建模，再通過Gambit和Fluent仿真軟件進行了仿真計算。風機葉輪以及蝸殼區(qū)域是空氣流動十分復雜的區(qū)域，所以進行網(wǎng)格劃分時該區(qū)域采用小尺寸的四面體網(wǎng)格，而在兩段加長管道和風機流動相對穩(wěn)定的進風口區(qū)域則采用稀疏的大尺寸四面體及六面體網(wǎng)格，這樣不但縮短了計算時間而且也大大提高了計算效率。求解時為了更好的再現(xiàn)離心風機內(nèi)部的復雜流場，采用了標準 k-e湍流模型，風機的進出口則采用壓力邊界條件，速度與壓力的耦合方式則為SIMPLE，方程離散采用一階迎風格式，葉片轉動與周圍流體區(qū)域采用MRF耦合條件。

模擬得到風機的流量與功率分別為3.64m3/s和29.4kw，與設計目標流量4m3/s與功率29.92kw間的誤差較小。風機內(nèi)部壓力與速度流場數(shù)值模擬表明，風機內(nèi)部多處存在二次流和尾流-射流現(xiàn)象，風機的靜壓從進口到出口是一個逐漸增大的過程，風機全壓在葉道內(nèi)先升高又逐漸降低，風機氣流速度從進口到出口逐漸增大，而從葉輪邊緣流出后逐漸降低。

2 葉片參數(shù)的影響分析

葉片作為風機的核心部件結構，其設計對風機的整體性能有直接的影響，通過對葉片的參數(shù)進行優(yōu)化可以極大地改善風機的氣動性能。將葉片的安裝角、葉片數(shù)目、內(nèi)外徑之比和葉片厚度作為葉片的可變參數(shù)，而以功率和流量兩個為風機主要性能指標，通過Fluent軟件研究葉片各參數(shù)對風機性能的影響，仿真時風機轉速仍為3000rpm。

將風機模型的葉片安裝角設定為135°、140°、145°和150°，而保持其他參數(shù)不變，進行CFD仿真分析，結果如圖一所示?？梢娙~片安裝角對風機功率和流量的影響較大且變化趨勢一致，安裝角由135°增加到145°，風機流量減小了16.3%，功率則減小了34.3%，但繼續(xù)增加安裝角對流量和功率基本沒有影響，說明過于傾斜的葉片對風機性能的提升不大。

圖1 葉片安裝角與風機流量和功率關系圖

取風機模型葉片數(shù)目為10、12、14與16，而保持其它參數(shù)不變，CFD仿真結果如圖2所示。當葉片數(shù)目從10增加到12時，曲線斜率很大，說明流量和功率的值都有較大程度的提高，而后再將葉片數(shù)目增加到16時，流量和功率曲線幾乎平直沒有發(fā)生明顯變化。理論分析也表明，一定的范圍內(nèi)增加葉輪的葉片數(shù)可以減少相對渦流的影響，提高風機葉輪理論壓力，但是葉片數(shù)過多將增加葉輪通道的摩擦損失，增加能耗。

圖2 葉片數(shù)目與風機流量和功率關系圖

圖3 葉片內(nèi)外徑之比與風機流量和功率關系圖

對葉片內(nèi)外徑之比與風機性能指標的關系進行分析時，仍然保持其他因素不變，而使風機模型的內(nèi)外徑之比分別取0.70、0.65、0.6與0.55。仿真分析結果（如圖3所示）表明，一定范圍內(nèi)，增加內(nèi)外徑之比，流量和功率也隨之增加，但超過該比值后，流量和功率反而隨著內(nèi)外徑之比的增大而降低。過小的內(nèi)徑比使得葉片長度過長，增加了生產(chǎn)制造的難度，而過大的內(nèi)徑又使得流量和功率不能滿足需求，可見每個風機都有一個最優(yōu)的內(nèi)外徑之比。

金屬風機具有流量較大、功耗低及效率高等優(yōu)點，其顯著特點是厚度小。取風機葉片厚度為3mm、5mm、7mm和9mm進行仿真分析。仿真結果整理如圖4所示，可見厚度增加的過程中，流量和軸功率均呈現(xiàn)線性下降趨勢，當厚度從3mm增加到9mm，風機流量和功率分別減小了10.8%與19.6%。保證強度要求的前提下，應盡量選取薄的葉片以提高風機的性能，后續(xù)分析將金屬葉片厚度取為3mm。

圖4 葉片厚度與風機流量和功率關系圖

葉輪的葉片安裝角、葉片數(shù)目、內(nèi)外徑之比和葉片厚度都對風機的流量和功率具有不同程度的影響，其中風機流量和功率幾乎隨葉片厚度線性遞減，而其他三者表現(xiàn)出拐點，可通過一定的方法進行參數(shù)的優(yōu)化設計。

表1 葉片參數(shù)對流量和功率的影響對比

3 葉片參數(shù)的正交試驗優(yōu)化

正交試驗設計方法（Orthogonal Experimental Design，ODE）一種快速、經(jīng)濟、高效的試驗設計方法，它利用規(guī)格化的正交表合理地安排多因素試驗，然后結合數(shù)理統(tǒng)計對試驗結果進行科學地分析[3]。全面試驗雖然可獲得大量信息，但進行全面試驗所耗費的人力、物力和時間現(xiàn)實情況下是難以承受的。通過ODE有規(guī)則的安排各因素的組合進行試驗可大幅度減少試驗次數(shù)，得到接近最好結果的方案，同時也能為下一步的優(yōu)化提供指向性依據(jù)。

通過正交試驗設計方法對影響風機性能的葉片參數(shù)進行優(yōu)化組合設計時，將葉片安裝角、葉片內(nèi)外徑之比、葉片數(shù)目3個主要參數(shù)作為試驗因子，分別記為因子A、因子B與因子C；而以冷卻風機外徑 500mm情況下，風機風量達到4m3/s而功率消耗盡量小為優(yōu)化目標。正交表設計時，三個因子均取三個水平，即因子A取A1（135°）、A2（140°）、A3（145°）；B1（0.60）、B2（0.65）、B3（0.70）；C1（10）、C2（12）、C3（14）。忽略設計因子之間的相互作用，則依照正交試驗設計原理，要進行共9組試驗。通過Solidworks軟件完成上述九個風機模型的建模,再通過Gambit進行前處理和Fluent軟件進行仿真分析，得到的各組試驗的風機流量和功率，最后借助SPSS軟件對風機葉片正交試驗結果進行統(tǒng)計分析。

對仿真結果的統(tǒng)計分析表明（如表1所示），顯著性水平取0.05時，對風機流量而言只有因子A（葉片安裝角）的影響比較突出，而對風機功率來說三個因子的影響都比較突出。以風機流量和功率為評價指標，則可得到三個設計因子的最優(yōu)組合為A1B3C2（優(yōu)化模型1）或者A2B3C2（優(yōu)化模型2），優(yōu)化模型葉片參數(shù)具體取值如表2所示。

風機兩個優(yōu)化模型與理論模設計型的數(shù)值模擬結果對比如表二，可知兩個優(yōu)化模型的風機性能指標均大于原始設計模型指標。其中優(yōu)化模型2的流量和功率分別增加了19.8%與16.3%，風機的氣動性能獲得了明顯的改善，消耗較少功率即可獲得明顯的流量提升。經(jīng)過優(yōu)化設計后的冷卻風機現(xiàn)已安裝在某170t礦用自卸車上，獲得了良好的現(xiàn)場應用效果。

表2 葉片參數(shù)優(yōu)化前后對比

4 結束語

針對礦用電動輪電機冷卻的問題，設計了一種新的離心式風機，主要通過數(shù)值模擬方法和正交試驗對影響風機性能的葉片參數(shù)進行了優(yōu)化設計研究。Fluent仿真結果表明葉片安裝角、葉片數(shù)目、內(nèi)外徑之比及軸向高度等參數(shù)對風機的流量和功率都有影響。以葉片主要參數(shù)為正交因子設計正交試驗，得到了兩組葉片參數(shù)的優(yōu)化組合，優(yōu)化模型能使風機消耗較少功率而獲得明顯的流量提升。優(yōu)化設計的風機在某170t礦用自卸車電動輪冷卻系統(tǒng)中取得了良好的應用效果。

[1]張艷,申焱華,張文明,等.礦用自卸車電動輪冷卻系統(tǒng)研究 [J].煤礦機械,2012,33(3)：60-62.

[2]劉強,張耀斌,孟有平,等.新型電動輪礦用車冷卻系統(tǒng)[J].煤礦機械,2013,34(12)：131-133.

[3]徐仲安,王天保,李常英,等.正交試驗設計法簡介[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2002,12(5)：148-150.