清掃車吸塵口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

臺冰豐 吳杰靈

1.長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)電學(xué)院 湖南長沙 410007

2.漢陽專用汽車研究所 湖北武漢 430056

1 前言

清掃車是指用于清掃、收集并運(yùn)送路面垃圾塵土等污物的環(huán)衛(wèi)專用車輛，其主要部件包括吸塵口、垃圾箱、風(fēng)道和濾除塵裝置等。其中，清掃車吸塵系統(tǒng)的好壞會直接影響整車的清掃效率、清掃能力、清掃速度、最大吸入垃圾粒度及清掃寬度。

而吸塵口作為清掃車吸塵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對吸塵效率和整個(gè)氣路系統(tǒng)的吸塵能力起決定性作用[1]。由于設(shè)計(jì)人員不太了解吸塵口的結(jié)構(gòu)形狀對吸塵效率的影響規(guī)律，以至于設(shè)計(jì)時(shí)吸塵口的結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致清掃車吸塵能力低，能量損耗大，氣流分布不合理，因此需要對吸塵口進(jìn)行模擬仿真分析以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。

2 吸塵口模型建立

2.1 吸塵口物理模型

吸塵口模型長為2 000 mm，寬為400 mm，高約300 mm，吸塵口底部與水平面距離5 mm，由前面、后面及側(cè)面進(jìn)氣。其中，出氣口氣壓為－1 800 Pa，進(jìn)氣口氣壓為0 Pa。

2.2 根據(jù)約束建立線性方程組

連續(xù)性方程：

式中，ρ為流體密度，V為流體速度矢量。

動量方程:

校正壓力：

式中，p為靜壓力，D 為體積粘性系數(shù)。

有效粘度系數(shù)：

式中， u為 層流粘度系數(shù)， ur為湍流粘度系數(shù)。

式中，k為湍動能，ε為動能耗散系數(shù)。

2.3 有限元模型

本文采用FLUENT建立有限元模型，研究掃路車吸塵口傾斜角和吸塵口尺寸對吸塵口氣流流速的影響。

2.3.1 簡化建模

由于吸塵口的尺寸較大，為了精確計(jì)算且結(jié)果收斂，網(wǎng)格必須細(xì)致劃分，將完整的吸塵口劃分為邊長為5 mm的三角形網(wǎng)格，會產(chǎn)生300多萬個(gè)有效網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量過多會大大影響計(jì)算速度，并在一定程度上影響計(jì)算結(jié)果的收斂。因此，在建立有限元模型時(shí)，需對模型進(jìn)行簡化。由于吸塵口為對稱件，為減少計(jì)算量，取模型長度方向的一半進(jìn)行建模，共產(chǎn)生三角形網(wǎng)格160萬個(gè)，吸塵口三維模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.3.2 邊界條件

雖然吸塵口進(jìn)氣口與出氣口的氣體流量、流速無法確定，但是風(fēng)機(jī)在某個(gè)功率下抽取垃圾箱中的氣體所引起的負(fù)壓是一定的。因此，在吸塵口出氣口處設(shè)定壓力出口（Presure Outlet，-1 800 Pa），而在吸塵口前方、后方、側(cè)面設(shè)定壓力入口（Presure Inlet，0 Pa），在對稱面上建立對稱邊界（symmetry）。為了便于給模型施加上述邊界，在吸塵口的前、側(cè)、后面分別加三個(gè)輔助塊，通過在輔助塊的垂直面上施加上述邊界，模擬形成與吸塵口周圍氣流近似的氣流。

2.3.3 其他條件

取空氣為流體材料，密度為1.225 kg/m3，比熱為1 006.43 J/(kg·K)，粘度為1.789 4×10-5kg/(m·s)；取鋼為固體壁材料，密度為8 030 kg/m3，比熱為502.48 J/(kg·K)。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 吸塵口傾斜角對氣流的影響

吸塵口與肩部的夾角，即傾斜角對氣流有一定的影響，夾角越小，對氣流的阻礙越大，不利于塵粒上升，一般取90°～150°。本文分別取90°、120°、130°、140°、150°夾角進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。吸塵口傾斜角氣流速度矢量圖如圖3～

表1 不同傾斜角吸塵口對氣流參數(shù)的影響

由圖可見，傾斜角對氣流的入口速度、漩渦速度及貼地速度均有影響，但是影響較小。吸塵口的氣流入口處，氣流會產(chǎn)生一個(gè)漩渦。由于漩渦速度相差不大，漩渦直徑越大，漩渦處積塵量越小，則漩渦的氣流對塵粒的清掃能力越強(qiáng)。漩渦放大如圖7所示。肩部氣流速度隨著傾斜角的增大而增大，這是由于傾斜角的增大，減少了氣流的阻力。氣流的速度越大，對塵粒的輸送能力越強(qiáng)。綜上所述，130°傾角時(shí)吸塵口對塵粒的清掃和輸送能力最強(qiáng)。

3.2 吸塵口進(jìn)氣面的流量比較

吸塵口為長條形，長邊的流量影響清掃效率。不同傾斜角的吸塵口長邊與寬邊的流量比如表2所示。

表2 長邊與寬邊進(jìn)氣效率比較

流量公式：

式中，q為單位面積流量，A為截面面積。

由此可見，流量應(yīng)與截面面積成正比。但是，表中數(shù)據(jù)顯示，長邊流量與寬邊流量的比值大于其長度的比值。因此，寬邊的進(jìn)氣效率應(yīng)小于長邊的進(jìn)氣效率。

4 結(jié)論

a. 吸塵口傾斜角會影響塵粒進(jìn)入垃圾箱的難易程度，適當(dāng)增大吸塵口的傾斜角，減小塵粒上升的阻力，有利于塵粒進(jìn)入箱體，針對本文的模型，吸塵口最佳傾斜角為130°。

b. 吸塵口側(cè)面與正面的進(jìn)氣量，與其面積不成正比，吸塵口的主要進(jìn)氣來源在正面。因此，若掃路車因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，需改變吸塵口的位置，可將吸塵口布置于后輪內(nèi)側(cè)，此時(shí)后輪對吸塵口工作影響較小。

另外，進(jìn)氣筒作為清掃車吸塵系統(tǒng)的一部分，對氣流的流動也有著重要的意義，所以，研究進(jìn)氣筒的形狀、長度、截面直徑、截面形狀對優(yōu)化掃路車氣力輸送系統(tǒng)同樣有著重要意義。

[1] 倪奕金,張麗.掃路車氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].專用汽車,2009(6):50-52