一種礦用車輛自潔式空氣濾清器的設(shè)計研究

趙金國，韓 然，閻治安

(1.西京學(xué)院，西安710123；2.西安交通大學(xué)，西安710049)

0 引 言

空氣濾清器是重型汽車發(fā)動機空氣供給系統(tǒng)用來凈化空氣的必須裝置，廣泛用于汽油機、柴油機。目前，礦山機械大部分處于重度灰塵環(huán)境，風(fēng)沙大的地區(qū)。雖然已經(jīng)有些新式的空氣濾清器應(yīng)用，但還存在著一些缺點。由于無法滿足進氣質(zhì)量的要求，一些在沙漠中工作的工程車輛每天需要清洗多次。尤其是在多塵地區(qū)使用的礦用自卸車輛，其進氣系統(tǒng)空氣濾清器經(jīng)常性堵塞，使用壽命短，經(jīng)濟性差，停車保養(yǎng)頻率高，出現(xiàn)進氣阻力大、發(fā)動機維修周期短等問題[1]。

本文設(shè)計了一種礦用自卸車輛自潔式空氣濾清器裝置，來實現(xiàn)多塵環(huán)境下延長發(fā)動機濾清器的使用壽命，實現(xiàn)了進氣系統(tǒng)最佳工作特性。它采用廢氣引射、氣源吹氣和主濾清器結(jié)構(gòu)改進等共同結(jié)合的方式[2]，由發(fā)動機電腦(以下簡稱ECU)控制該裝置的傳感器和執(zhí)行電機工作，調(diào)節(jié)所需電機轉(zhuǎn)速，粉塵從排塵口排出，以達到清潔空氣濾清器、提高進氣效率的目的。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

一種礦用自卸車輛自潔式空氣濾清器裝置使用空心杯轉(zhuǎn)子電機、發(fā)動機排氣管廢氣和氣源吹氣機構(gòu)組成[3]，自潔式空氣濾清器裝置結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1自潔式空氣濾清器裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

本文采用空心杯轉(zhuǎn)子電機，該電機的特點是轉(zhuǎn)子軸的軸向為空心，以便作為空氣通道，進行空氣的流通[4]。它要滿足可靠適時地轉(zhuǎn)動、調(diào)速、制動。調(diào)速方法采用變頻器調(diào)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍設(shè)計為50～2 500 r/min。該電機由汽車發(fā)動機ECU控制，空心杯轉(zhuǎn)子電機連接線端子連接到發(fā)動機ECU，發(fā)動機ECU通過接收發(fā)動機各傳感器反饋信號后，命令空心杯轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)動，可根據(jù)發(fā)動機的不同工況要求自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增降而增降。空心杯轉(zhuǎn)子電機工作示意圖，如圖2所示。

圖2空心杯轉(zhuǎn)子電機工作示意圖

首先在進氣管口處安裝空心杯轉(zhuǎn)子電機，空氣濾清器外殼則安裝在空心杯轉(zhuǎn)子電機另一側(cè)，空氣濾清器外殼端的外殼蓋內(nèi)安裝有軸承，將空氣濾心安裝進空氣濾清器殼內(nèi)，卡置在軸承卡槽上，并與空心杯轉(zhuǎn)子電機緊貼?？諝鉃V心在空心杯轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)動下，將空氣中的顆粒物甩到空氣濾清器殼體內(nèi)壁上，并隨濾清器殼體內(nèi)壁下沉到壁底，沉積在空氣濾清器殼體粉塵排放口處。

從發(fā)動機排氣歧管連接廢氣引射管直接連接到粉塵排塵口，在引射管部分中靠近發(fā)動機排氣歧管部分安裝空氣散熱器，用于給廢氣引射管中氣體降溫。在引射管部分中靠近空氣濾清器粉塵排塵口處，安裝有電磁進氣閥和粉塵報警傳感器。當(dāng)空氣濾清器底部粉塵排放口的粉塵達到警戒量時，促使安裝在排塵口內(nèi)的粉塵報警傳感器報警，該傳感器通過端子線將信號傳遞給發(fā)動機ECU，發(fā)動機ECU將指令傳給安裝在發(fā)動機排氣引射管上的進氣電磁閥，進氣電磁閥動作，進氣通道打開，將發(fā)動機排氣歧管內(nèi)的氣體通過引射管連接到粉塵排放口，利用引射管內(nèi)的氣體力量噴吹方法，將粉塵排放口內(nèi)的顆粒物噴吹出空氣濾清器總成界外。粉塵報警傳感器與發(fā)動機ECU的連接電路圖，如圖3所示。

圖3粉塵報警傳感器與發(fā)動機ECU的連接電路圖

2 空濾流場仿真分析

當(dāng)空心杯轉(zhuǎn)子電機帶動空氣濾心轉(zhuǎn)動時，將產(chǎn)生氣流旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低時，所要求的氣流小時，流速隨之減小。其氣流旋轉(zhuǎn)的離心力很小，不足以分離空氣中的塵埃顆粒。因此，有必要提高空心杯轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)速，以提高低速氣流旋轉(zhuǎn)時的氣流速度，降低進氣阻力[5-6]。

空氣濾清器的空氣流量是空氣過濾器的標(biāo)準，根據(jù)空氣流量40%、60%、80%、100%和120%的額定風(fēng)量來采集。空載和負載工況下，改進前與改進后空氣濾清器進氣阻力與流量的關(guān)系，如圖4所示。隨著進氣量的增加，進氣阻力隨拋物線關(guān)系的增大而增大。在負載條件下，增加趨勢更為明顯，空氣濾清器本身引起的空氣阻力是主要原因[7-8]。

圖4改進前與改進后濾清器進氣阻力與流量的關(guān)系圖

實驗是在同等車型、同等環(huán)境中進行，濾清器在改進前和改進后兩種狀況下的效果分別對比。通過實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析可得，初始進氣阻力均隨進氣流量增加而增加，改進后比改進前濾清器進氣阻力降低。改進前與改進后濾清器進氣阻力的比較，如圖5所示。改進前與改進后兩種濾清器的使用效果對比圖，如圖6所示。

圖5改進前后的濾清器進氣阻力比較圖

圖6改進前后兩種濾清器的使用效果對比圖

改進前與改進后濾清器部分的壓力分布及流線，如圖7所示。改進前與改進后濾清器部分的速度分布及流線圖，如圖8所示。改進前與改進后濾清器各部分的壓力均值對比，如圖9所示。改進前與改進后濾清器各部分的速度對比，如圖10所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，改進后效果顯著，濾清器的壓力范圍大幅度降低，濾清器中空氣旋渦流動順暢。且改進后的空氣濾清器中空氣阻力明顯減少，由最大壓力2612.44Pa下降至776.2Pa，壓力差為18.2%。改進后空氣濾清器中的空氣流動性能增強，還避免了空氣交叉壓力的出現(xiàn)，避免了局部壓力過大的情況發(fā)生。

(a)改進前的壓力云圖

(b)改進后的壓力云圖

圖7改進前與改進后濾清器部分的壓力分布及流線圖

(a)改進前濾清器

(b)改進后濾清器

圖8改進前與改進后濾清器部分的速度分布及流線圖

圖9改進前后濾清器各部分的壓力對比圖

圖10改進前后濾清器各部分的速度對比圖

實驗樣機如圖11所示。

圖11實驗樣機

3 結(jié) 語

本文針對車輛進氣系統(tǒng)進行優(yōu)化，設(shè)計適宜在多塵條件下工作的礦用車輛進氣系統(tǒng)，設(shè)計礦用車輛自潔式空氣濾清器裝置，采用空心杯轉(zhuǎn)子電機作為執(zhí)行元件，帶動濾心轉(zhuǎn)動，使其表面進行甩塵；同時采用廢氣引射匹配發(fā)動機動力系統(tǒng)，增加自潔反吹系統(tǒng)，在粉塵排放口堵塞達到一定程度時，報警閥門打開，通過引射管氣體壓力將其吹出。

經(jīng)過實驗分析研究，證明該裝置改進后，可操作性較強，有利于排塵。已達到清潔空氣濾清器，提高進氣效率，更好地保護發(fā)動機，延長濾心保養(yǎng)周期，使礦用車輛擁有更高的作業(yè)效率的目的。

根據(jù)設(shè)計與實驗得到以下結(jié)論：

1)利用空心杯轉(zhuǎn)子電機作為執(zhí)行元件，帶動空氣濾心轉(zhuǎn)動甩塵、排塵，可操作性較強。其新型防塵、排塵原理，對自潔式空氣濾清器是一個新的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

2)廢氣引射與自吹系統(tǒng)相結(jié)合，使系統(tǒng)更穩(wěn)定、更加容易保養(yǎng)。為多塵條件下工程機械車輛提供一套進氣系統(tǒng)的研發(fā)體系，將研發(fā)成果應(yīng)用于其他工程機械，市場效益巨大。