電動(dòng)掃雪器的性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馮澤 趙一凡 姬曉利

摘 要：對(duì)自主研制的掃雪器，首先分析雪顆粒在集雪器螺旋葉片上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過理論與試驗(yàn)結(jié)合的方法研究雪顆粒在螺旋葉片上的運(yùn)動(dòng)速度；再次分析了雪顆粒在進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)葉輪前后的速度情況，獲得風(fēng)機(jī)葉片出口角對(duì)拋雪距離的影響。優(yōu)化螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免掃雪器堵塞；研究集雪器和離心風(fēng)機(jī)的除雪性能，為合理選擇前進(jìn)速度與除雪厚度提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：螺旋葉片；離心風(fēng)機(jī)；葉輪；結(jié)構(gòu)；性能

中圖分類號(hào)：U418.326 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0007-04

Abstract： For the independently-developed snow remover， the motion law of snow particles on the spiral blade of snow collector is firstly analyzed， and the velocity of snow particle moving on the spiral blade is studied by combining theory and experiment. Then， the velocity of the snow particles before and after entering the centrifugal fan impeller is analyzed， and the influence of the outlet angle of the fan blade on the snow throwing distance is obtained. The structure parameters of spiral blades are optimized to avoid snow sweeper clogging. The snow removal performance of snow collector and centrifugal fan is studied to provide technical support for reasonable selection of forward speed and snow removal thickness.

Keywords： spiral blade； centrifugal fan； impeller； structure； performance

引言

在剛剛過去的一年，冬季大規(guī)模降雪時(shí)有發(fā)生，在東北地區(qū)和長(zhǎng)江流域附近尤為明顯。因積雪導(dǎo)致的交通事故給人們的生活帶來極大困擾。目前世界上通過機(jī)械除雪的主要方式是螺旋拋揚(yáng)式，在一些北歐國(guó)家，其研制的大型螺旋式除雪機(jī)械最大除雪寬度為2.6m，單次行進(jìn)最大清雪厚度為1.8m，拋雪距離最遠(yuǎn)為50m左右[1-4]。針對(duì)我國(guó)近20年冬季降雪情況，我們研制了小型電動(dòng)掃雪器，使其達(dá)到除雪寬度2m，單次行進(jìn)最大除雪厚度0.5m，拋雪距離最遠(yuǎn)為10m的目標(biāo)。它是一種安全可靠、自動(dòng)化程度較高、無污染的新型除雪機(jī)械。為了保證其具備優(yōu)越的除雪性能，分析雪顆粒在現(xiàn)有設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究除雪性能優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。

掃雪器由拋雪離心風(fēng)機(jī)、螺旋集雪器和拋雪筒組成，安裝于承載車輛前端。圖1所示為掃雪器。集雪器主要用于收集積雪并將積雪從兩端輸送至離心風(fēng)機(jī)入口前。離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部葉輪高速旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部壓強(qiáng)小于外部，積雪進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)，在高速旋轉(zhuǎn)的葉片中，雪顆粒在離心力的作用下進(jìn)入拋雪筒并被拋出[5]。

1 集雪器集攏速度分析

集雪器由推雪擋板、螺旋葉片、螺旋軸和軸承等組成。隨承載車輛前行，積雪進(jìn)入集雪器，被螺旋葉片旋切，螺旋葉片為兩組不同旋向的單頭螺旋，兩組葉片對(duì)稱分布，當(dāng)兩組葉片同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，積雪由兩側(cè)向中間集攏。圖2所示為一側(cè)集雪器結(jié)構(gòu)示意圖。

螺旋葉片是集雪器的主要執(zhí)行元件，因積雪具有一定的粘性，使用帶式螺旋葉片加強(qiáng)葉片對(duì)積雪的切削能力[6]。螺旋葉片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：葉片外徑D=0.5m，螺旋軸直徑=0.1m，葉片厚度t=1mm，螺距s=1.6m，螺旋長(zhǎng)度l=2m，螺旋升角α=36°。

螺旋葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，集雪器中雪顆粒的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，它既不是單純的隨螺旋葉片做圓周運(yùn)動(dòng)，也不是一味地沿著軸向前進(jìn)。以螺旋葉片上某一雪顆粒為研究對(duì)象，它既受到來自螺旋葉片的法向推力FN，方向?yàn)檠芈菪€法線方向；同時(shí)也受到積雪與葉片間的摩擦力Fτ，方向?yàn)檠芈菪€切向[7]。圖3所示為雪顆粒受力分析。

其合力為F，F(xiàn)的方向與螺旋線法線之間的夾角為雪顆粒與葉片的摩擦角ψ。在合力的作用下，雪顆粒在螺旋葉片上做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，既有徑向速度VC，也有軸向速度VS，其合成速度為V。由摩擦系數(shù)？滋=tan？漬，tan？琢=， 可知

VC=· （1）

VS=· （2）

式中：

s-螺旋葉片螺距，m；

n-螺旋葉片轉(zhuǎn)速，r/min；

R-葉片上雪顆粒所在位置的半徑，m。

由式（1）、（2）可知，雪顆粒在螺旋葉片上的徑向速度和軸向速度與葉片轉(zhuǎn)速、螺距等參數(shù)有關(guān)。選取葉片轉(zhuǎn)速為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，螺距為0～4m時(shí)，通過試驗(yàn)研究雪顆粒在螺旋葉片上的速度情況。圖4所示為雪顆粒速度與葉片轉(zhuǎn)速、螺距關(guān)系曲線。

圖中線條由下向上分別代表轉(zhuǎn)速由100r/min向500r/min增大，黑色曲線表示軸向速度，橙色曲線表示徑向速度，隨螺距增加，雪顆粒徑向速度也增加；而軸向速度隨螺距的增加呈拋物線狀，只有在1.2～1.8m的范圍內(nèi)雪顆粒能獲得較高的速度。而只有當(dāng)雪顆粒的軸向速度大于徑向速度時(shí)，積雪才能快速有效地向中間集攏。因此從試驗(yàn)結(jié)果看出螺距為1.4m，轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，雪顆粒軸向速度與徑向速度差值最大，積雪能夠快速地向集雪器中間集攏。

2 離心風(fēng)機(jī)拋雪距離分析

積雪經(jīng)過集雪器的旋切和集攏后進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)葉輪，在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中，雪顆粒依靠離心力獲得了很大的加速度，并被甩向蝸殼區(qū)域，積雪沿著蝸殼進(jìn)入拋雪筒最終被拋出。離心風(fēng)機(jī)由蝸殼、葉輪組成，通過焊接的方式與拋雪筒相連，圖5所示為蝸殼與葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。離心風(fēng)機(jī)的主要執(zhí)行構(gòu)件是葉輪中的風(fēng)機(jī)葉片，葉輪由葉輪軸、葉片、前蓋、后盤組成[8]。葉輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：葉輪外徑D=300mm、葉片起始直徑d=200mm、葉片出口角β=40°、葉片個(gè)數(shù)z=12。

雪顆粒在葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，可以把它看成沿葉片的徑向運(yùn)動(dòng)和隨葉片旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)相疊加[9，10]，圖6所示為葉輪葉片上雪顆粒運(yùn)動(dòng)形式。

圖6中，V0為雪顆粒進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)的速度；V1為雪顆粒進(jìn)入離心風(fēng)機(jī)蝸殼時(shí)的速度，即雪顆粒離開離心風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)的速度；V0γ、V1γ和V0τ、V1τ分別為V0和V1的徑向分速度和沿葉輪圓周方向的切向分速度；R0和R1為速度V0和V1處到葉輪中心的半徑；φ0和φ1分別為V0和V1與其切向分速度間的夾角；ωf為葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度。

雪顆粒離開葉輪進(jìn)入蝸殼區(qū)域時(shí)，雪顆粒的絕對(duì)速度就是葉片端部雪顆粒的圓周速度，認(rèn)為V1=V1τ。雪顆粒進(jìn)入蝸殼后，沿著其橫截面增大的方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)蝸殼出口的速度為V2，到達(dá)拋雪筒出口的速度為V3。

V2=γ·V1 （3）

V3=[V22-2gH0（1+？鬃0）] （4）

式中：

γ-衰減因子，通常γ=0.91。

H0-拋雪筒出口與離心風(fēng)機(jī)葉輪軸線的垂直距離，m；

ψ0-雪在拋雪筒中因碰撞和沖擊產(chǎn)生的能量系數(shù)，取ψ0=0.3。

雪顆粒經(jīng)過拋雪筒出口的速度決定掃雪器的拋雪距離，以拋雪筒出口為起點(diǎn)，在不考慮風(fēng)力因素的條件下，分析雪顆粒拋出后的軌跡[11]，如圖7所示。

圖7中，以三維坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，原點(diǎn)表示拋雪筒出口，β表示葉片出口角，以原點(diǎn)作為拋雪筒出口點(diǎn)，按照牛頓第二定律計(jì)算拋雪距離有

已知雪顆粒經(jīng)過拋雪筒出口的瞬間，t=0，x0=y0=0，=V3cos？茁，=V3sin？茁，另外還可知當(dāng)雪顆粒落地后，可知y=0，帶入式（5），可得

t= （6）

將式t帶入式（5），得到掃雪器拋雪距離

x= （7）

通過式（7）得到拋雪距離與葉輪葉片出口角的關(guān)系，圖8所示為其關(guān)系曲線。從圖8中可以看到曲線的前半段增加較快在30°至50°的范圍內(nèi)拋雪距離在10m以上。因此原設(shè)計(jì)中葉片出口角β=40°，能夠達(dá)到除雪目標(biāo)要求。

3 掃雪器除雪性能分析

掃雪器的除雪性能表現(xiàn)為單位時(shí)間內(nèi)清除積雪的體積[11，12]，分別研究通過集雪器中和離心風(fēng)機(jī)中的積雪流量。集雪器中除雪量為

式中：

s-螺旋葉片螺距，m；

n-螺旋葉片轉(zhuǎn)速，r/min；

δ-集雪器中葉片外緣與推雪鏟間縫隙，取δ=0.002m；

Kd-雪的填充系數(shù)，取Kd=0.93。

雪顆粒通過離心風(fēng)機(jī)蝸殼進(jìn)入拋雪筒，即認(rèn)為積雪順利通過，計(jì)算進(jìn)入拋雪筒中雪的體積就能得到通過離心風(fēng)機(jī)的積雪流量。離心風(fēng)機(jī)除雪量QP為

Qp=V2·R·B （9）

式中：

R-拋雪筒的長(zhǎng)度，m；

B-拋雪筒的寬度，m；

V2-雪顆粒經(jīng)過離心風(fēng)機(jī)蝸殼出口時(shí)的速度，m/s。

若掃雪器正常工作，則需避免內(nèi)部發(fā)生堵塞現(xiàn)象，那么要保證單位時(shí)間內(nèi)通過離心風(fēng)機(jī)的積雪流量大于通過集雪器的積雪流量，則有QP>QS，得到當(dāng)螺距s<1.5m時(shí)，積雪順利通過集雪器和離心風(fēng)機(jī)且不會(huì)在其中任意位置發(fā)生堵塞。

而為保證掃雪器能按目標(biāo)要求完成除雪任務(wù)，進(jìn)行了多次試驗(yàn)后，確定了承載車輛前進(jìn)速度與除雪厚度之間的關(guān)系，圖9所示為其關(guān)系曲線。

4 結(jié)束語(yǔ)

理論分析螺旋葉片上雪顆粒運(yùn)動(dòng)的軸向速度，通過試驗(yàn)確定了螺旋葉片螺距在1.2～1.8m的范圍內(nèi)雪顆粒軸向速度較大，積雪能夠快速地向集雪器中間集攏。分析雪顆粒在離心風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)和離開風(fēng)機(jī)蝸殼時(shí)速度情況，獲得風(fēng)機(jī)葉片出口角在30°至50°的范圍內(nèi)拋雪距離超過10m。試驗(yàn)研究集雪器和離心風(fēng)機(jī)的除雪量，得到在螺旋葉片螺距小于1.5m時(shí)，積雪通過集雪器和離心風(fēng)機(jī)且不會(huì)在其中發(fā)生堵塞。綜上所述，可知我校所設(shè)計(jì)的掃雪器結(jié)構(gòu)參數(shù)：螺旋葉片螺距s=1.4m，離心風(fēng)機(jī)葉片出口角β=40°時(shí)較為合理能夠順利完成除雪目標(biāo)。

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