王立林 王月嶺 邢廣佩 顏承敏

WANG Li-lin et al

一種抑塵車風(fēng)機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王立林 王月嶺 邢廣佩 顏承敏

WANG Li-lin et al

中通汽車工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 山東聊城 252000

針對(duì)抑塵車風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)扭斷動(dòng)力輸送軸現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了新的傳動(dòng)方案，即通過加裝超越離合器裝置，徹底解決了風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)力輸出軸扭斷的問題，從而提高了風(fēng)機(jī)的使用壽命。

抑塵車 風(fēng)機(jī)風(fēng)扇組件 超越離合器 動(dòng)力輸出軸

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程加速，私家車已經(jīng)走進(jìn)普通家庭，隨之而來的工業(yè)氣體排放、汽車尾氣排放越來越嚴(yán)重，特別是在我國(guó)京津冀魯豫等地區(qū)，冬季霧霾嚴(yán)重威脅了人們的衣食住行等正常的生活。國(guó)家也出臺(tái)了節(jié)能減排的相應(yīng)政策，為積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，筆者研發(fā)了一款治理粉塵、霧霾的產(chǎn)品——抑塵車。該車對(duì)空氣中PM2.5和PM10具有良好的清除、抑制作用，可廣泛應(yīng)用于港口、火電、鋼鐵、煤炭、礦業(yè)、煤化工及市政降塵等行業(yè)，還可以用于輔助滅火、噴灑藥液等領(lǐng)域。

2 抑塵車的工作原理

抑塵車風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式一般為液壓驅(qū)動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文僅針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析研究。全液壓多功能抑塵車的工作原理為：底盤取力器通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)泵，在液壓油箱、過濾器、換向閥、液壓膠管等組成的液壓系統(tǒng)中分為兩路，其中一路大排量齒輪泵液系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)輸送軸，從而驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)，葉片產(chǎn)生的風(fēng)能通過霧炮風(fēng)筒口高速噴射出來；另一路小排量葉片泵液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)高壓水泵，高壓水泵形成的高壓水通過高壓水膠管被輸送到霧炮風(fēng)筒口的環(huán)形噴圈處，環(huán)形噴圈上安裝了數(shù)十個(gè)霧化噴嘴，高壓水經(jīng)過霧化噴嘴霧化形成極細(xì)小的小液滴。在霧炮風(fēng)筒出口處，兩者相遇混合并形成水霧氣場(chǎng)流，水霧顆粒不斷吸附空氣中的粉塵顆粒，最終在自身重力作用下下沉，快速有效地降低大氣粉塵污染源，從而遏制霧霾的產(chǎn)生。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的大小，其最大有效射程可達(dá)120 m，有效覆蓋范圍達(dá)4萬m2以上，其工作原理圖如圖1，液壓原理如圖2所示。

圖 1 抑塵車工作原理圖

3 傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

表1 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能

表2 幾種常用軸材料的τ及A值

圖2 抑塵車液壓原理圖

圖3 傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該驅(qū)動(dòng)裝置由底座、軸承座、液壓馬達(dá)、聯(lián)軸器、平鍵2、風(fēng)機(jī)輸送軸、平鍵1、風(fēng)扇葉片組成。其中底座是載體，液壓馬達(dá)安裝在底座的右側(cè)，軸承座安裝在底座的左側(cè)，風(fēng)機(jī)輸送軸安裝在軸承座內(nèi)部，輸送軸的左側(cè)軸頭裝有風(fēng)機(jī)葉片組件，右側(cè)軸頭與聯(lián)軸器相配合，風(fēng)扇葉片與風(fēng)機(jī)輸送軸左側(cè)相配合處裝有平鍵1，聯(lián)軸器與風(fēng)機(jī)軸右側(cè)相配合處裝有平鍵2。動(dòng)力傳遞時(shí)，液壓齒輪泵把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，通過液壓能驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)，聯(lián)軸器通過平鍵2把動(dòng)力傳遞給風(fēng)機(jī)輸送軸，同理輸送軸通過平鍵1把動(dòng)力傳遞給風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇葉片開始旋轉(zhuǎn)。由于各個(gè)部件之間為剛性連接，所以馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速即為風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，輸送軸一般采用40Cr材質(zhì)，調(diào)質(zhì)處理。軸的常用材料及其主要力學(xué)性能如表1所示，軸材料的扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力參數(shù)如表2所示[1]。

3.1 輸送軸設(shè)計(jì)

式中，d為軸端直徑，mm；由表2查得，A的取值范圍為112～97，因轉(zhuǎn)速較高且單向旋轉(zhuǎn)，故取較小值，A=97，查得輸送軸材料的許用最小扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力[τ]=35 MPa；P為風(fēng)機(jī)功率，實(shí)測(cè)P=37 kW；n為風(fēng)機(jī)輸送軸的額定轉(zhuǎn)速，n=1 450 r/min。

由公式(1)計(jì)算可得，軸端直徑d=28.56 mm。

考慮到軸端有鍵槽，軸頸應(yīng)增大4%～5%；又考慮到?jīng)_擊載荷，取軸的安全系數(shù)Ssp=1.5，最終取d=50 mm。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及機(jī)械制圖規(guī)則，最終設(shè)計(jì)的輸送軸如圖6所示。

圖4 輸送軸示意圖

p

3.1.1 輸送軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核

軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核公式為

式中，τmax為軸頭截面的最大剪應(yīng)力，T為輸送軸頭對(duì)應(yīng)界面的扭矩，W為抗扭截面系數(shù)[2]。

t

軸的扭矩計(jì)算公式為

式中，T為軸頭受到的扭矩，P為輸送軸的傳動(dòng)功率[3]。

輸送軸的抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式為

式中，D為實(shí)心軸的截面直徑，m。軸頭的直徑為0.05 m，帶入計(jì)算得W=24.5×10-6m3；輸送軸的傳遞功率為37 kW，額定

t轉(zhuǎn)速為1450 r/min，帶入公式(3)，計(jì)算得T=243.66 Nm。

3.1.2 霧炮風(fēng)機(jī)實(shí)際工作情況

產(chǎn)品完成設(shè)計(jì)及試制，經(jīng)過一段時(shí)間的性能試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。但是當(dāng)霧炮風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間超過半年之后，時(shí)常出現(xiàn)風(fēng)機(jī)輸送軸扭斷故障，風(fēng)機(jī)輸送軸的斷裂情況如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)輸送軸斷裂

3.1.3 故障原因分析

3.2 改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)存在的問題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用單向超越離合器代替聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)如圖6所示。超越離合器是一種特殊的機(jī)械離合器，在機(jī)械傳動(dòng)中由主從動(dòng)部分相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的改變使其自動(dòng)結(jié)合或脫開。驅(qū)動(dòng)元件只能從單一方向使從動(dòng)元件轉(zhuǎn)動(dòng)，如果驅(qū)動(dòng)元件改變方向，從動(dòng)元件就自動(dòng)脫離不傳遞動(dòng)力，故又稱單向離合器或單向軸承[1]。其工作過程如下：當(dāng)液壓馬達(dá)順時(shí)針（面對(duì)軸頭）旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓馬達(dá)將動(dòng)力傳遞給單向超越離合器，單向超越離合器通過平鍵2把動(dòng)力傳遞給風(fēng)機(jī)輸送軸，最終驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)；當(dāng)液壓馬達(dá)停止工作時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過平鍵1驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)輸送軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸通過平鍵2驅(qū)動(dòng)單向超越離合器轉(zhuǎn)動(dòng)，但此時(shí)的超越離合器為空轉(zhuǎn)模式，類似自行車的慣性行走模式，由此即可消除瞬時(shí)扭矩對(duì)輸送軸產(chǎn)生的沖擊。

圖 6 單向超越離合器結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用單向超越離合器的性能特點(diǎn)消除了風(fēng)扇葉片停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊，提高了風(fēng)機(jī)的使用壽命。通過實(shí)際應(yīng)用，該方案操作方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，效果良好，具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

A Dust Suppression Hydraulic Drive Car Fan Structure Optimization Design

In order to solve the problem of power output shaft being twisted by the fan blade of the mist cannon truck, a new transmission scheme is proposed. By installing the overrunning clutch device,the problem is completely solved and the fan's life is improved.

mist cannon truck; fan assembly; overrunning clutch; power output shaft

王立林，男，1972生，工程師，主要從事專用車研究與改裝工作。

U469.6+93.01

：A

1004-0226(2017)04-0087-03

2017-01-19