趙玉軍，高軍委，袁志宏，劉家嫵，屈陽州

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

新型高效掃路車吸嘴設(shè)計(jì)與仿真

趙玉軍，高軍委，袁志宏，劉家嫵，屈陽州

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

針對常見的吸嘴結(jié)構(gòu)存在的不足，文章提出了一種新型高效掃路車吸嘴裝置。并采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法，利用STAR-CCM+軟件對模型進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證，為國內(nèi)掃路車吸嘴裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

吸嘴；CFD；STAR-CCM+；掃路車

引言

隨著我國城市文明創(chuàng)建工作的推進(jìn)，道路清掃車正被廣泛的應(yīng)用于市容環(huán)衛(wèi)工作中。目前，道路清掃車是一種集道路清掃、垃圾回收和運(yùn)輸為一體的新型高效環(huán)衛(wèi)清掃設(shè)備，清掃裝置的設(shè)計(jì)技術(shù)水平的高低直接影響著城市道路清掃車的發(fā)展和創(chuàng)新[1]。而吸嘴是直接接觸路面并完成垃圾、砂塵的吸拾的裝置，它的性能好壞直接影響到掃路車清潔能力。因此，吸嘴裝置的研究是清掃車急需解決的關(guān)鍵問題。本文將對某型號的掃路車吸嘴裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種新型高效掃路車吸嘴裝置結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件STAR-CCM+進(jìn)行分析，對吸塵效果進(jìn)行評價，為后續(xù)清掃車研究提供一定理論依據(jù)。

1 吸嘴工作原理

吸嘴工作時，利用安裝在車輛上的副發(fā)動機(jī)驅(qū)動離心式風(fēng)機(jī)在吸塵盤進(jìn)風(fēng)口處產(chǎn)生強(qiáng)氣流，并在吸嘴口周圍形成一定的負(fù)壓，使得氣流帶動地面的塵粒和垃圾，經(jīng)風(fēng)管后進(jìn)入垃圾箱。

傳統(tǒng)吸嘴口由于存在貼地速度不高，渦流明顯、氣流不均等問題，容易導(dǎo)致當(dāng)車速較快時，塵粒吸收不徹底，存在二次揚(yáng)塵、吸塵效率不高等缺點(diǎn)[2]。

圖1 吸嘴裝置結(jié)構(gòu)圖

2 吸嘴裝置設(shè)計(jì)

2.1 吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對以上傳統(tǒng)吸嘴存在的缺點(diǎn)，本文將設(shè)計(jì)一種新型高效吸嘴裝置。吸嘴裝置主要由滾刷、擋板、吸嘴、反吹風(fēng)、滾輪等部分組成，新型吸嘴裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。新型吸嘴裝置工作原理：車輛作業(yè)時，滾刷將地面上垃圾掃起，同時，與風(fēng)機(jī)出口連接的反吹風(fēng)會產(chǎn)生較大氣流，將滯留顆粒物吹到滾刷處，滾刷順勢將顆粒物送入吸嘴口，此時，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流與周圍擋板及路面形成強(qiáng)大負(fù)壓，并通過吸管將垃圾吸入垃圾箱內(nèi)，從而完成清掃作業(yè)。

2.2 仿真分析

本文將對以上設(shè)計(jì)進(jìn)行流場分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)合理性。首先，使用Solidworks進(jìn)行吸嘴結(jié)構(gòu)建模，并將.igs格式模型導(dǎo)入至ANSA中，進(jìn)行幾何模型處理，得到一個封閉域，網(wǎng)格生成完成后，將面網(wǎng)格導(dǎo)入Star-CCM+后直接生成體網(wǎng)格。本文計(jì)算介質(zhì)為空氣，密度ρ=1.18415 kg/m3，參考壓力為0.1MPa，空氣黏度μ=1.85508E-5 Pa?s，湍流模型采用k-ζ模式。滾刷轉(zhuǎn)速設(shè)置為400r/min，車行進(jìn)速度為20Km/h，吸嘴口距離地面為 10mm。本文采用的邊界條件有質(zhì)量流量入口邊界條件(Mass Flow inlet)、壓力出口邊界條件(Pressure Outlet)、壁面條件(wall)，對吸嘴裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

（1）左右對稱截面速度分布圖

圖2為吸嘴裝置中間截面位置示意圖，圖3為截面圖上速度矢量分布情況。從分析結(jié)果看出：整個流場氣流流動順暢，滾刷底部速度最大，是由于反吹風(fēng)、旋轉(zhuǎn)滾刷及吸嘴口共同作用所致，三者共同作用效果明顯，利于塵粒進(jìn)入吸嘴口。

圖2 吸嘴裝置中間位置截面圖

圖3 吸嘴速度矢量圖

（2）底部入口截面速度、壓力云圖

圖4 吸嘴裝置底部入口速度云圖

通過對吸嘴裝置底部入口處速度云圖（如圖4所示）分析結(jié)果看出（截面上部為反吹風(fēng)側(cè)，下部為吸嘴口處），中間位置速度最大，由于吸嘴和反吹風(fēng)氣流在此處匯合所致。吸嘴裝置底部入口處壓力云圖中（如圖5所示），反吹風(fēng)側(cè)負(fù)壓較低，利于氣體流動。

圖5 吸嘴裝置底部入口壓力云圖

（3）吸塵效果評價

要保證塵粒能夠可靠的進(jìn)入垃圾箱，塵粒必須具備一定的起動速度。當(dāng)形狀和體積確定后，塵粒懸浮速度將被確定。懸浮速度的大小同時體現(xiàn)了塵粒吸送的難以程度，決定了對有關(guān)設(shè)備性能參數(shù)的具體要求。只有當(dāng)吸嘴口處的氣流大于懸浮速度時，顆粒才會被成功吸送[3]，表1給出了常見垃圾顆粒的相關(guān)參數(shù)。

表1 常見垃圾顆粒的物理特性

通過對吸嘴裝置底部入口截面的面平均速度分析，得到底部區(qū)域的平均速度為56.94m/s，通過對比表中數(shù)據(jù)，其平均速度遠(yuǎn)高于常見垃圾顆粒的吸送速度。且底部面速度均勻性為0.834（0完全不均勻，1完全均勻）。因此，此吸嘴裝置的氣流均勻性較好，且能夠達(dá)到顆粒的起送速度，塵粒容易被吸送到垃圾箱內(nèi)，吸塵作用明顯。

3 結(jié)語

本文提出了一種新型高效掃路車吸嘴結(jié)構(gòu)，并利用仿真軟件進(jìn)行了模擬，主要分析了其流場內(nèi)流動情況及入口速度及壓力情況，得到以下結(jié)論：

（1）滾刷、反吹風(fēng)、吸嘴共同作用下，整個流場氣流流動順暢，三者共同作用效果明顯，利于塵粒進(jìn)入吸嘴口。

（2）此吸嘴裝置的氣流均勻性較好，且能夠達(dá)到顆粒的起送速度，吸塵作用明顯。

（3）此裝置可應(yīng)用于清掃設(shè)備的高速作業(yè)工況下。

[1] 胡立峰.道路清掃車掃盤和吸嘴裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].工藝設(shè)計(jì)改造及檢測維修,2015(21):80.

[2] 黃登紅,陳承曦,章易程.基于流場仿真的真空清掃車吸塵口的參數(shù)化分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),2013(7):73-76.

[3] 徐慧超.新型洗掃車設(shè)計(jì)與仿真[D].山東:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2015:28- 34.

The Design and Simulation of Efficient Road Sweeper Suction

Zhao Yujun, Gao Junwei, Yuan Zhihong, Liu Jiawu, Qu Yangzhou
（Shaanxi Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

In view of the common problems of the suction nozzle structure, this paper puts forward a new kind of sweeper suction nozzle device. With Computational Fluid Dynamics(CFD) method, the STAR-CCM+ software is used to analyse the model simulation validation．All of these can provide data and theoretical support for the design of the domestic road sweeper flow field.

suction nozzle; CFD; STAR-CCM+; road sweeper

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-35-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.013

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-35-02

趙玉軍，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司。