王成生

(江蘇悅達專用車有限公司，江蘇 鹽城　224007)

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掃路車風機選擇與風道設(shè)計的研究

王成生

(江蘇悅達專用車有限公司，江蘇 鹽城224007)

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

關(guān)鍵詞：掃路車；風機；風道；降噪

掃路車的風力輸送系統(tǒng)由風機、風道組成。風機是掃路車風力輸送系統(tǒng)的核心部件，而風道設(shè)計的合理與否對風機工作效果有直接影響[1]。風機選擇的主要依據(jù)是風力輸送系統(tǒng)正常工作時風機靜壓所要克服的風道阻力，因此，風機的靜壓是風機選擇的主要參數(shù)。風力輸送系統(tǒng)的基本功能要求是通過氣流實現(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，這就是整個風力輸送系統(tǒng)的流量，這個流量值是選擇風機的另一主要參數(shù)[2]。此外，風力輸送系統(tǒng)工作時對環(huán)境輻射的噪聲，應(yīng)滿足相應(yīng)的環(huán)保要求，這是風機選擇和風道設(shè)計的另一要求[3]。

本文對3 t掃路車風機風道的風壓、風量進行了理論計算，并通過測試進行了相關(guān)驗證，基于NX NASTRAN平臺，建立了3 t掃路車的風道氣體模型，并對其進行了流體分析，明確了風道流速的分布情況，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風機風壓

1.1　風機靜壓

風機靜壓Pst是由風道阻力Pr確定的，而風道阻力與氣體流速v的平方成正比[4]，即：

(1)

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

由式(1)可知，對固定的風道而言，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，所以通過理論計算風道阻力系數(shù)ξ，再計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為流體中某點的壓強，v為該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點高度，C是一個常量。由于伯努利方程是通過機械能守恒推導(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。而在真實流體中，機械能沿流線并不守恒，粘性摩擦力的存在使得在實際粘性流體中推廣伯努利能量守恒方程時，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+動壓+阻力=總能量。式中各項分別表示單位流體的位能、動能和靜壓能之差。風道阻力是氣體在風道內(nèi)沿途的氣體能損失的總和[6]。

1.3　風機風壓的測量

根據(jù)掃路車的風道結(jié)構(gòu)，分別在其吸盤外、吸筒處、箱體出口法蘭處、風機進風口處、風機出風口處、出風箱處等6處[7]設(shè)立測壓點，測量各測點處的靜壓和動壓。

假定風道進、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，與風道各測點的測壓值，計算各個部分的風道阻力(一般情況下是遞增的關(guān)系)。

表1為3 t掃路車的風道阻力、風機的靜壓、動壓和全壓，圖1為其壓力分布。

表1　3噸掃路車的風道阻力、風機靜壓、動壓和全壓

由表1可知，進風口段7 064 Pa和出風口段189 Pa的阻力總和為風道阻力7 253 Pa；風機的靜壓為0 Pa、動壓為139 Pa(以出風箱口計算)，全壓為靜壓+動壓+風道阻力=0+139+7253=7 392 Pa。

圖1　風機的壓力分布Fig.1　Pressure distribution of the fan

2風機風量

氣流在輸送垃圾時，在風道的各個環(huán)節(jié)，以被吸取物在吸筒內(nèi)垂直上升時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)實測，當吸盤全提時：

吸筒內(nèi)的風速達到46.6 m/s，當量直徑不超過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)的風速達到50.8 m/s，當量直徑不超過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)的風道系統(tǒng)，當吸盤放下處于正常工作狀態(tài)時，吸筒內(nèi)的風速達到64 m/s，吸取效果較好。

風量計算公式：

(3)

式中，Q0為吸筒處計算風量，m3/h；D為吸筒內(nèi)徑，D=188 mm；v為吸筒內(nèi)的風速，m/s。

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

為了滿足現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的風道系統(tǒng)，風機的風量當取6 395 m3/h，此時吸筒內(nèi)的風速達到64 m/s。由于風機的靜壓、動壓與風速的平方成正比，風速的提高，會提高對風機靜壓和動壓的要求；此外，風速的提高，會增加風機的噪聲，影響周邊環(huán)境。因此，如何提高風速使其從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)境保護要求，是風道設(shè)計者需要優(yōu)化設(shè)計的重點。

3風機選型與測試

根據(jù)圖2風機氣動性能概況，并參考風機提供的風壓和風量，選擇黃色區(qū)域的9~19或9~26系列的風機。

根據(jù)上面風機風壓7 392 Pa和風量6 395 m3/h的要求，選擇風機：型號為9-26No5.6A，

n=2 900 r/min，ρ=1.2 kg/m3。

圖2　風機氣動性能概況Fig.2　Aerodynamic performance of the fan

對選擇的風機進行靜壓與風道阻尼測試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，風機靜壓線與風道阻尼線在風機合理的工作區(qū)域內(nèi)有交點，說明風機能夠克服風道的阻力，滿足選擇要求。

圖3　風機靜壓和風道阻尼曲線Fig.3　Static pressure and air duct damping curve of the fan

4風道流體分析

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

設(shè)定外界環(huán)境大氣壓為一個標準大氣壓(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]。基于上文計算的風壓、風量數(shù)據(jù)，在NX NASTRAN平臺上建立風道的有限元模型，并添加相應(yīng)的邊界條件，經(jīng)求解獲得風道關(guān)鍵部分的風道流速仿真結(jié)果如圖4所示。

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

由此可見，吸筒中的風速已經(jīng)達到了上文所提的50.8 m/s的要求，遠遠地滿足吸筒中垃圾垂直向上的運輸要求。

5風機和風道的噪聲分析

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

圖5為優(yōu)化后的風道流速仿真圖。吸盤進風路徑經(jīng)過優(yōu)化后，整個吸盤、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)化后的實際效果，還需進一步的試驗驗證。

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

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

6結(jié)論

(1)風機的靜壓是選擇風機的關(guān)鍵，風量的選擇是由風速決定的。通過合理的風機選型與風道設(shè)計，使吸筒中的風速超過50.8 m/s，滿足了吸筒中垃圾垂直向上的運輸要求；

(2)基于NX NASTRAN的流體CAE分析可直接顯示氣體的運行軌跡，為風道優(yōu)化設(shè)計提供了直觀依據(jù)；同時氣體模型的建立，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，主要研究方向為環(huán)衛(wèi)專用車設(shè)計。

收稿日期：2015-04-10

中圖分類號：TP391.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-5322(2015)02-0035-05

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