基于功能融合的洗掃車集成風(fēng)機(jī)箱體氣力系統(tǒng)仿真分析

丁 爽， 于志強(qiáng)， 張 喆， 王瑞欣， 張 增， 付春寧

（鄭州市宇通重工有限公司， 河南 鄭州 451482）

0 引言

洗掃車氣力系統(tǒng)作為洗掃車的核心系統(tǒng)， 而風(fēng)機(jī)則是該核心系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。 現(xiàn)有洗掃車抽吸系統(tǒng)是通過獨(dú)立的風(fēng)機(jī)與箱體之間通過橡膠皮壓緊連接， 工作時(shí)離心式風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣力負(fù)壓， 通過箱體的風(fēng)道傳遞到污水箱中并作用在吸盤上， 實(shí)現(xiàn)對路面垃圾的吸拾作業(yè)[1]。在洗掃車整車能量消耗中風(fēng)機(jī)抽吸系統(tǒng)的能耗占比最大， 而整個流場系統(tǒng)的壓損是風(fēng)機(jī)能耗的直接決定因素，故考慮將風(fēng)機(jī)與箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低系統(tǒng)壓損，減少能量消耗[2]。本文通過風(fēng)機(jī)與箱體結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，將風(fēng)機(jī)與箱體結(jié)構(gòu)深度集成， 風(fēng)機(jī)蝸殼做為箱體結(jié)構(gòu)的一部分，由電機(jī)直驅(qū)，可大大簡化現(xiàn)有風(fēng)機(jī)及傳動結(jié)構(gòu)，提高機(jī)構(gòu)的可靠性。取消箱體進(jìn)風(fēng)道，風(fēng)機(jī)直接從污水箱內(nèi)抽吸空氣，該結(jié)構(gòu)可降低系統(tǒng)壓損，降低能耗。 同時(shí)采用電機(jī)直驅(qū)風(fēng)機(jī)葉輪，取消原有的皮帶傳動系統(tǒng)，可減小傳動系統(tǒng)能量損失，降低系統(tǒng)重量和成本。

1 理論基礎(chǔ)

本文擬通過洗掃車箱體及風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)的集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)流場系統(tǒng)的壓力損失降低，系統(tǒng)能夠減小[3]。

流體流動必須遵守質(zhì)量守恒定律、 牛頓第二定律和能量守恒定律， 這三個基本的物理學(xué)原理可以推導(dǎo)出流體流動的控制方程。

1.1 連續(xù)性方程

單位時(shí)間內(nèi)流體微元體重質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量， 由質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)而來，表述為：

其中：ρ—流體的密度；v—流體流速； 源相Sm—從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

1.2 動量方程

微元體中流體的動量對時(shí)間的變化率等于外界作用于該微元體上的各種力之和，由牛頓第二定律得出，表述為：

其中：p—靜壓；gi和Fi分別為i 方向上的重力體積力和外部體積力；τij—應(yīng)力張量。

1.3 能量方程

微元體內(nèi)能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱量加上體積力與表面積對微元體所做的功， 由能量守恒定律推出，以T 為變量時(shí)能量方程表述為：

其中：cp—比熱容；T—溫度；k—流體的傳熱系數(shù)；ST—粘性耗散相[4]。

2 風(fēng)機(jī)箱體集成設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)是洗掃車作業(yè)的重要功能部件，也是能耗大戶，風(fēng)機(jī)能耗占整車能耗的一大半， 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在滿足作業(yè)需求前提下的實(shí)際能耗，一直都是客戶關(guān)注的重點(diǎn)，直接影響著新能源車輛單次充電的作業(yè)時(shí)長。 現(xiàn)有洗掃車風(fēng)機(jī)縱向布置， 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口朝上與箱體進(jìn)風(fēng)道通過橡膠條壓緊密封。 該種布置形式?jīng)Q定了箱體內(nèi)氣體需要先向上進(jìn)入箱體進(jìn)風(fēng)道，再向下進(jìn)入風(fēng)機(jī)進(jìn)氣道，之后再轉(zhuǎn)彎進(jìn)入風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，見圖1。 過程中每一次流場換向都會帶來流體系統(tǒng)壓阻上升，增加能耗。

圖1 現(xiàn)結(jié)構(gòu)氣體流向示意圖

為了解決這一問題，讓流體沿程損失降低，本文創(chuàng)新性的提出將風(fēng)機(jī)與箱體結(jié)構(gòu)深度融合， 把風(fēng)機(jī)蝸殼直接布置在箱體前板上，與箱體連成一個整體，箱體內(nèi)氣體僅通過一次變向就能進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)腔， 降低系統(tǒng)壓阻與風(fēng)機(jī)能耗。同時(shí)由于風(fēng)機(jī)蝸殼直接焊接在箱體上，風(fēng)機(jī)采用電機(jī)直驅(qū)，取消了原有的氣動離合器、傳動組、皮帶等傳動部件，動力傳遞過程中的能量損失大大降低，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)能耗。

同時(shí)原結(jié)構(gòu)上裝動力驅(qū)動方案是一個電機(jī)通過皮帶傳動同時(shí)驅(qū)動風(fēng)機(jī)、水泵、油泵，三個轉(zhuǎn)速相互耦合，無法根據(jù)實(shí)際作業(yè)場景單獨(dú)控制每個元件的合理轉(zhuǎn)速。 新結(jié)構(gòu)將三個電機(jī)拆分開來，單獨(dú)驅(qū)動，單獨(dú)控制，根據(jù)作業(yè)需求，合理設(shè)置轉(zhuǎn)速，助力整車能耗降低。

針對上述優(yōu)化方案思路， 建立集成風(fēng)機(jī)箱體結(jié)構(gòu)三維模型，如圖3 所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)氣體流向示意圖

圖3 集成風(fēng)機(jī)箱體三維模型

3 風(fēng)機(jī)集成箱體結(jié)構(gòu)流場及能耗分析

將集成風(fēng)機(jī)箱體結(jié)構(gòu)建立流場分析模型， 同時(shí)考慮吸盤、抽吸管等因素的影響，評估全新結(jié)構(gòu)在流體性能方面相比原結(jié)構(gòu)的變化。在模型中設(shè)置葉輪轉(zhuǎn)速、吸盤離地間隙、抽吸管安裝角度等參數(shù)，建立完整的洗掃車抽吸系統(tǒng)流場模型，評估整個系統(tǒng)的壓損能耗等性能指標(biāo)。

相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)與大箱分體布置，風(fēng)機(jī)需要另外設(shè)置進(jìn)氣室才能與大箱的風(fēng)道連接， 集成風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)取消進(jìn)氣室，風(fēng)機(jī)直接與大箱風(fēng)道連接，降低上裝氣力系統(tǒng)阻力13%，系統(tǒng)流如圖4、5 所示。

圖4 集成風(fēng)機(jī)箱體流線圖

圖5 傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)箱體流線圖

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中大箱與進(jìn)氣室連接處， 存在90°直角連接，在90°彎頭后存在較大渦流區(qū)，約占該處流道截面的20%，在進(jìn)氣室底部存在一個較小的渦流區(qū)。 這兩處渦流區(qū)的存在會形成不均勻的氣流，不僅會降低風(fēng)機(jī)性能，還可能引發(fā)薄鋼板的低頻振動，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。如渦流區(qū)3 所示，在集流器上部，低壓渦流區(qū)約占據(jù)集流器截面35%，大幅度削弱了集流器的整流能力，而且經(jīng)過集流器后，氣流方向未能水平軸向進(jìn)氣，氣流以沖擊方式進(jìn)入葉輪流道，致使風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)偏離風(fēng)機(jī)高效區(qū)，見圖6。

圖6 傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)箱體進(jìn)氣室軸向截面速度矢量圖

取消進(jìn)氣室后，氣流軸向均勻的進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，經(jīng)過集流器導(dǎo)流后，氣流可以無沖擊的進(jìn)入葉片流道內(nèi)，見圖7。

圖7 集成式軸向截面速度矢量圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 集成風(fēng)機(jī)箱體能耗驗(yàn)證

搭建試驗(yàn)臺架對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行能耗測試，將實(shí)際結(jié)構(gòu)的抽吸管、吸盤、消音器、箱體后門等結(jié)構(gòu)裝配完成，組成完整的流體系統(tǒng)，在臺架上測試風(fēng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下電機(jī)功率、電機(jī)溫升、抽吸管內(nèi)風(fēng)速風(fēng)壓、 吸盤盤前風(fēng)速、風(fēng)機(jī)噪聲、箱體振動等性能指標(biāo)，評估集成箱體結(jié)構(gòu)的綜合性能，見圖8。

圖8 集成風(fēng)機(jī)箱體及臺架試驗(yàn)

經(jīng)上述臺架驗(yàn)證及與原風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)的對比，全新結(jié)構(gòu)在相同抽吸管風(fēng)速下電機(jī)能耗降低13%， 同時(shí)箱體無異常振動及噪聲。

4.2 集成風(fēng)機(jī)箱體整車性能驗(yàn)證

在完成臺架驗(yàn)證后， 該箱體搭載整車進(jìn)行作業(yè)潔凈率測試， 在每平方米400g 沙子及400g 石子的模擬測試路面上，測試搭載該箱體洗掃車的作業(yè)性能。經(jīng)與原結(jié)構(gòu)對比， 該箱體同等作業(yè)工況下作業(yè)潔凈率與原結(jié)構(gòu)相當(dāng)[7]，見表1。 同時(shí)經(jīng)過實(shí)車稱重，全新結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整車減重140kg。

表1 集成風(fēng)機(jī)箱體整機(jī)潔凈率對比

5 結(jié)論

采用風(fēng)機(jī)箱體集成設(shè)計(jì)， 通過對比原始結(jié)構(gòu)的氣力系統(tǒng)，集成機(jī)構(gòu)可降低上裝氣力系統(tǒng)阻力13%，通過試驗(yàn)驗(yàn)證， 在保證整車性能與原結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)那闆r下電機(jī)能耗降低13%。 該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證成果為行業(yè)內(nèi)類似結(jié)構(gòu)開辟了一種全新的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)由于在重量、性能等指標(biāo)上的優(yōu)異表現(xiàn)， 為推動行業(yè)的發(fā)展做了一些有益的嘗試和貢獻(xiàn)。