徐慧超，呂釗欽山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

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新型洗掃車設(shè)計(jì)與仿真

徐慧超，呂釗欽*
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

摘要:針對(duì)現(xiàn)階段人工清掃勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種集掃地和洗地于一體的新型洗掃車。洗掃車采用重力除塵、慣性除塵和噴霧除塵相結(jié)合的復(fù)合除塵原理，創(chuàng)造性地將洗地后的污水引入除塵箱，用于噴霧除塵。運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)除塵系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算，分析在引入污水和不引入污水兩種情況下粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。分析表明：將污水引入除塵箱用于噴霧除塵，可以有效地捕捉粉塵顆粒，減少粉塵排放。洗掃車經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，具有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值，適用于工廠車間、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、車站等大型場(chǎng)所。

關(guān)鍵詞:洗掃車；復(fù)合除塵；流體力學(xué)；仿真

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市辦公區(qū)、工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)等場(chǎng)所不斷增加，清掃保潔工作日趨繁重，人工清掃勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高，不再適用于大面積區(qū)域的清潔。根據(jù)2006～2008年《中國(guó)汽車工業(yè)年鑒》和2009～2011年《中國(guó)專用汽車行業(yè)年度數(shù)據(jù)服務(wù)報(bào)告》，2006年環(huán)衛(wèi)清潔裝備中的環(huán)衛(wèi)車輛產(chǎn)量為3962臺(tái)，2011年為23315臺(tái)，增長(zhǎng)了4.88倍，環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)械裝備處在一個(gè)高速發(fā)展的黃金時(shí)期[1]。洗掃車作為新一代路面作業(yè)清掃工具，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛[2]。

除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是保證清掃車性能的關(guān)鍵。在清掃車除塵箱內(nèi)采取合理的降塵措施對(duì)有效集塵非常重要。目前，國(guó)產(chǎn)清掃車除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即首先進(jìn)行除塵箱與氣路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后制造出物理樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試[3]，需要多次反復(fù)設(shè)計(jì)。由于清掃車除塵系統(tǒng)的工作環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以達(dá)到期望的效果，這也是導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)清掃車普遍存在除塵效果不好的主要原因。

根據(jù)清掃車的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)有清掃車和洗地車的結(jié)構(gòu)以及工作原理，進(jìn)行功能集成并加以創(chuàng)新，研究設(shè)計(jì)出一種集掃地、洗地于一體的新型洗掃車。對(duì)其除塵系統(tǒng)建立仿真模型，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件FLUENT對(duì)除塵箱流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，研究除塵箱內(nèi)的空氣流場(chǎng)及粉塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以期提高洗掃車的降塵效果。

1　洗掃車總體結(jié)構(gòu)和工作原理

洗掃車整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

整車工作原理是：洗掃車前進(jìn)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)盤(pán)掃旋轉(zhuǎn)將垃圾收集至吸口處，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓，將垃圾吸入管道落入除塵箱。同時(shí)，水泵驅(qū)動(dòng)噴水管噴水，洗地刷盤(pán)旋轉(zhuǎn)洗地，洗地后的污水由吸水扒吸入除塵箱。掃地的同時(shí)又能洗地，避免了人工清潔時(shí)先掃后拖的麻煩，減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，清潔效率高、效果好，節(jié)約能源。

2　除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1除塵原理

目前，吸掃式清掃車的除塵機(jī)理主要有：

（1）重力沉降除塵。含塵氣體依靠重力作用自然沉降，以達(dá)到分離塵粒、凈化氣體的目的。

（2）慣性除塵。利用塵粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中慣性力大于氣體慣性力的作用，將塵粒從含塵氣流中分離出來(lái)，使氣體得以凈化。

（3）濕式噴霧除塵。利用霧化水對(duì)微細(xì)塵粒的截獲捕集作用和濕塵團(tuán)的碰撞凝并作用來(lái)改善垃圾狀態(tài)，提高系統(tǒng)除塵效率。

洗掃車采用重力除塵、慣性除塵、濕式除塵相結(jié)合的除塵原理，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1進(jìn)氣口2除塵箱3垃圾斗4弧形擋板5簾網(wǎng)6擋板7出氣口8進(jìn)水管9孔板10出水管圖2　除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　The structure of dust removing system

含塵氣流進(jìn)入除塵箱，大粒徑粉塵顆粒因自重下落。在氣流與弧形擋板的碰撞過(guò)程中，塵粒因慣性作用，其運(yùn)動(dòng)方向和速度大小得以改變，從而從運(yùn)載空氣中分離出來(lái)。經(jīng)簾網(wǎng)一次過(guò)濾后，氣流中的微小塵粒與進(jìn)水口水流與擋板撞擊而產(chǎn)生的霧化水珠結(jié)合而沉降。

2.2除塵箱結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

垃圾塵粒進(jìn)入除塵箱后，其運(yùn)動(dòng)可近似分解為在氣流作用下的水平向前運(yùn)動(dòng)和重力作用下的垂直向下運(yùn)動(dòng)。而塵粒在重力作用下產(chǎn)生的重力沉降速度vg可由著名的斯托克斯公式計(jì)算：

其中，ρs為塵粒密度，取2650kg·m-3；ρ為空氣密度，取1.29kg·m-3；d為塵粒當(dāng)量直徑，取1×10-4m；μ為流體動(dòng)力粘度，對(duì)于空氣μ取1.84×105pa·s。根據(jù)式（1）可得，塵粒沉降速度為0.8m·s-1。

塵粒進(jìn)入除塵箱后，其水平流速:

水平流速可初取與塵粒的平均沉降速度等值，并參照除塵效率要求的高低和是否采用噴霧輸送進(jìn)行適當(dāng)修正。若除塵效率要求高，應(yīng)適當(dāng)降低水平速度，反之，則可適當(dāng)提高[4]。設(shè)計(jì)采用噴霧除塵，因此這里水平流速vl可適當(dāng)高于平均沉降速度，取1 m·s-1；Q為含塵空氣流量，本設(shè)計(jì)的含塵空氣流量是0.34m3·s-1；b為除塵箱寬度，取0.5 m；h為除塵箱高度。根據(jù)式（2）計(jì)算可得除塵箱高度h約為0.68m。

塵粒進(jìn)入除塵箱后t秒鐘時(shí)，水平運(yùn)動(dòng)距離為l＝vl·t，垂直向下沉降距離為h＝vg·t，變換后可得：

公式（3）即為沉降臨界公式，經(jīng)計(jì)算可得l＝0.85m。即除塵箱長(zhǎng)度約為0.85m。

3　除塵箱流場(chǎng)仿真分析

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在清掃車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，是對(duì)清掃車虛擬樣機(jī)進(jìn)行可行性分析的重要組成部分。通過(guò)采用CFD對(duì)樣機(jī)的氣路部分進(jìn)行仿真，使得氣路系統(tǒng)的性能分析可以和設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，避免了設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了試驗(yàn)成本，有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[5]。

3.1除塵箱流場(chǎng)仿真建模與網(wǎng)格劃分

為進(jìn)行CFD分析，需要對(duì)除塵箱進(jìn)行幾何建模與網(wǎng)格劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成比較復(fù)雜，但卻具有極好的適應(yīng)性，對(duì)于復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算特別有效。利用FLUENT前處理器GAMBIT對(duì)除塵箱進(jìn)行了非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到273089個(gè)?？紤]到垃圾斗、簾網(wǎng)對(duì)空氣流場(chǎng)影響較小，劃分網(wǎng)格時(shí)不予考慮。圖3所示為除塵箱簡(jiǎn)化幾何模型與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

圖3　除塵箱簡(jiǎn)化幾何模型與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3　Simplified geometric model and mesh structure of dust removing box

3.2流場(chǎng)求解計(jì)算參數(shù)的設(shè)定

采用分離求解器進(jìn)行計(jì)算。首先對(duì)含塵氣流進(jìn)行模擬計(jì)算，不引入污水。計(jì)算模型使用離散相模型，空氣相為連續(xù)相，塵粒為離散相。湍流模型為k－ε雙方程模型。首先對(duì)連續(xù)相進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)風(fēng)口邊界條件為速度進(jìn)口，經(jīng)計(jì)算大小為40m·s-1左右，入射角度為45°，出口邊界條件為outflow，除塵箱底板壁面條件設(shè)置為Trap。流場(chǎng)計(jì)算穩(wěn)定后加入離散相即粉塵，粉塵噴射為面噴射，塵粒密度為2650kg·m-3，粒徑范圍為1～100μm，平均粒徑設(shè)為10μm，質(zhì)量流量設(shè)為估計(jì)值0.01kg·s-1。引入污水模擬時(shí)，為了考察水滴與塵粒的結(jié)合，需將水作為離散相加入，離散模型為隨機(jī)碰撞Stochastic collision、合并Coalescence和破碎Breakup。根據(jù)洗地車實(shí)際工況，水流入射速度設(shè)為30m·s-1，粒徑設(shè)為0.1～1mm，質(zhì)量流量設(shè)為0.02kg·s-1，打開(kāi)組分運(yùn)輸模型。

3.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

完成求解參數(shù)的設(shè)定后，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)迭代計(jì)算。待殘差曲線達(dá)到精度要求即計(jì)算結(jié)果收斂后，對(duì)粉塵顆粒進(jìn)行跟蹤計(jì)算，得到除塵箱內(nèi)粉塵沉降規(guī)律。圖4所示左右兩圖分別為在不引入污水和引入污水的情況下，除塵箱中心截面的速度等值線圖。從圖中可以看出，氣流進(jìn)入除塵箱后速度明顯減小，在弧形擋板的作用下氣流向底部運(yùn)動(dòng)，加速了塵粒沉降速度。但氣流向下會(huì)吹起已經(jīng)沉降在底部的垃圾，而污水的引入則可以有效地解決此問(wèn)題。

圖5、圖6所示分別為部分粒徑的粉塵和水滴在除塵箱中的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖5可以看出粉塵離開(kāi)弧形擋板后向出口運(yùn)動(dòng)時(shí)，已經(jīng)接近除塵箱中部，所以粉塵在除塵箱內(nèi)的停留時(shí)間比較短，不利于捕獲。因此可以適當(dāng)減小弧形擋板的半徑，以增加粉塵在除塵箱里的停留時(shí)間。從圖6中可以看出水滴主要分布在除塵箱的后部，而此時(shí)的粉塵運(yùn)動(dòng)速度低，有利于捕獲。

圖7所示為水滴運(yùn)動(dòng)軌跡的俯視圖。由圖可見(jiàn)，水滴主要分布在出口的前部及左側(cè)，這樣可以有效地對(duì)粉塵進(jìn)行捕捉，減少漏捕。但也可以看出有一部分水滴沒(méi)有捕捉粉塵而直接逃逸出去，因此可以考慮在水流撞擊點(diǎn)與出口之間設(shè)置擋板減少水滴逃逸。

圖5　粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5　Path-lines of dust particle

圖6　水滴運(yùn)動(dòng)軌跡 Fig.6　Path-lines of water drops

圖7　水滴運(yùn)動(dòng)軌跡俯視圖Fig.7　Overlooking path-lines of water drops

圖8所示為粉塵顆粒追蹤結(jié)果。對(duì)隨機(jī)選取的18個(gè)粉塵顆粒進(jìn)行跟蹤，進(jìn)行6次迭代計(jì)算，逐步加大迭代步驟，待迭代計(jì)算穩(wěn)定后，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。左右兩邊分別為不引入污水和引入污水的情況下，粉塵的逃逸結(jié)果。從圖中可以看出，在引入污水情況下，粉塵逃逸數(shù)明顯減少，可見(jiàn)，將污水進(jìn)入除塵箱用于噴霧除塵可以有效地減少粉塵逃逸，提高除塵效率。此外，在出風(fēng)口處設(shè)計(jì)安裝磷銅濾網(wǎng)[5]可進(jìn)一步減少粉塵排放。

圖8　粉塵顆粒跟蹤結(jié)果Fig.8　Tracking result of dust particles

4　結(jié)論

CFD仿真技術(shù)是對(duì)洗掃車除塵系統(tǒng)進(jìn)行性能分析的有效手段，分析結(jié)果表明：除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理，污水的引入使得除塵系統(tǒng)具有良好的除塵效果，對(duì)洗掃車的研發(fā)設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義。但也有不足及需要改進(jìn)的地方，具體情況如下：

（1）仿真沒(méi)有針對(duì)性地對(duì)不同粒徑的粉塵顆粒進(jìn)行計(jì)算。

（2）適當(dāng)減小弧形擋板的半徑可以增加粉塵在除塵箱里的停留時(shí)間，利于降塵。

（3）在污水撞擊點(diǎn)與出口之間增設(shè)擋板，減少水滴逃逸，提高捕獲率。

（4）將污水進(jìn)入除塵箱用作噴霧除塵，并沒(méi)有考慮到污水中的雜質(zhì)對(duì)粉塵的捕獲有沒(méi)有影響，這里需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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Design and Simulation for a New Cleaning Sweeper

XU Hui-chao，LV Zhao-qin*
College of Mechanical＆Electrical Engineering/Shandong Agricultural University, Taian 271018，China

Abstract:Aiming at the problem of big labor intensity and low efficiency of human cleaning for some time，a new kind of cleaning sweeper with sweeping and washing was designed. It adopted the composite dust removing theory which combined gravity dust removing，inertia dust removing and spray dust removing and sucked the waste water after washing into dust removing box to spray creatively. It was used the computational fluid dynamics（CFD）to simulate the flow field of dust removing system and analyze the motion state of dust particles under the situation of sucking waste water or not. The results showed that sucking waste water into dust removing box to spray could effectively catch dust and reduce the secondary pollution. The cleaning sweeper was economical，practical and with great popularization and application value，suitable for factory workshop，warehouse，airport，station and other large places.

Keywords:Cleaning sweeper；composite dust removing；CFD；simulation

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail:lzqsdau2003@126.com

作者簡(jiǎn)介：徐慧超（1989-），男，碩士研究生，主要從事車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真工作. E-mail:xhc20092009@163.com

收稿日期：2015-02-10修回日期：2015-04-27

中圖法分類號(hào):U469.6＋91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-2324（2016）01-0095-04