? 某型公铁两用清扫车吸尘系统仿真分析与优化刘 滨1，肖 佩1，熊孝伟2，李刚炎1，胡 剑1 (1. 武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070；2.湖北时瑞达重型工程机械有限公司，湖北 襄阳 441100) 摘要：针对清扫对象的特点，对公铁两用清扫车吸尘系统的风机风量、吸尘口最小风速等参数进行了理论计算。利用CFD方法分析和优化了吸尘系统，并对清扫车的吸扫性能进行了实车测试。 关键词：公铁两用清扫车；吸尘系统；优化设计；仿真 0 引言为了改善交通环境和提高城市交通安全性，公路清扫车和有轨电车轨道清扫车已广泛应用[1-4]。吸尘系统是清扫车的核心子系统，其工作性能直接影响清扫车的吸扫性能。王翔提出了城市道路清扫车吸尘系统的设计约束，为吸尘口结构设计提供了参考。姜兆文提出了公路清扫车吸尘系统吸尘口的最小风速、压力损失等参数的理论计算方法。文献[7-9]运用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对公路清扫车吸尘系统进行仿真分析和优化，为吸尘系统结构的优化提供了参考。公铁两用清扫车兼有公路清扫和轨道清扫功能，其吸尘系统集公路清扫车吸尘系统和轨道清扫车吸尘系统于一体。本文研究公铁两用清扫车吸尘系统，理论计算吸尘系统相关参数，利用CFD方法对其进行仿真和优化，并对清扫车吸尘系统的工作性能进行实车测试。 1 公铁两用清扫车吸尘系统分析公铁两用清扫车是在传统的公路清扫车基础上改装而成的，清扫车吸尘系统由风机、吸尘口、风道、箱体等组成，其结构简图如图1所示。其中，吸尘口由公路吸尘口和轨道吸尘口组成，它们独立工作，分别用于吸取路面垃圾和轨道垃圾。吸尘系统工作性能直接关系到公铁两用清扫车的清扫能力、清扫效率、最大吸入垃圾粒度。根据国家标准，清扫车吸尘系统须达到的性能指标为：最大吸入质量0.1 kg～0.2 kg；最大吸入颗粒度(当量直径)：50 mm(路面)，30 mm(轨道槽)；清扫效率≥90%。 2 吸尘系统理论分析2.1 吸尘口最小风速计算 城市公路和轨道中的垃圾主要有3类：颗粒块状物、棍状物和片状物。根据文献，这3类清扫对象能被吸起的吸尘口最小气流速度计算公式如下： (1) 对于小颗粒块状物，吸口最小气流速度v1min(m/s)为：
(1) 其中：k为影响系数，k=0.8～1.10；ρs为清扫对象的密度，取清扫对象最大密度值，铁屑的密度为5.5×103 kg/m3；ρ为空气密度，ρ=1.23 kg/m3；dk为颗粒块状物最大当量直径，m，路面取0.05 m、轨道取0.03 m。  图1 公铁两用清扫车吸尘系统结构简图 (2) 对于棍状物，当其长度方向平行于吸尘口时，吸口最小气流速度v2min(m/s)为：
(2) 当其长度方向垂直于吸尘口时，吸口最小气流速度v3min(m/s)为：
(3) 其中：ρs为清扫对象的密度，取清扫对象最大密度值，对于棍状物，树枝的密度为0.75×103 kg/m3；dg为棍状物横截面的最大长度尺寸，取0.008 m；lg为棍状物的实际长度，取0.1 m。 (3) 片状物主要是枯叶和纸片等，密度和体积比颗粒物小得多。因此，若小石粒和树枝能被吸起，那么片状物一定也能被吸起。 将相关参数代入式(1)～式(3)，经计算得到：v1min=39.2 m/s；v2min=9.14 m/s；v3min=37.2 m/s 。 因此，为了保证吸尘系统的吸尘能力能达到国家标准，将各类目标清扫对象全部吸起时，吸尘口最小风速应满足：vmin≥39.2 m/s。 2.2 风机的风量和风压计算 在吸尘管道(包括吸尘口与风道管路)中存在压力损失，根据文献，吸尘口处压力损失Δp1(Pa)的经验计算公式为：
(4) 其中：c1为阻力系数，取2～3；v为吸尘口处最小气流速度，取40 m/s；μ为混合比，取0.5～2；K1为阻力系数，取0.3～1。 风道垂直管路压力损失Δp2(Pa)的计算公式为：
(5) 其中：γ为空气与管路的摩擦系数，取0.015～0.07；h为垂直管路高度，公路取1.5 m、轨道取2.0 m；K2为垂直管路的阻力系数，取0.5～1；D为垂直管路的直径，公路取0.2 m、轨道取0.08 m；va为垂直管路平均流速，取50 m/s。 吸尘管道的总压力损失Δp为： Δp=Δp1+Δp2. (6) 将相关参数代入式(4)～式(6)计算得：公路吸尘管道总压力损失Δp公路=4 320 Pa，轨道吸尘管道总压力损失Δp轨道=4 972 Pa。因此，吸尘系统全压应根据轨道吸尘管道总压力损失来计算，即Δp=Δp轨道=4 972 Pa。吸尘系统全压计算公式为： p=Ψ·Δp. (7) 其中：p为风机全压，Pa；Ψ为设计裕量，取1.2。 根据文献，吸尘系统风量Q0(m3/h)计算公式为： Q0=900πD2v. (8) 考虑设计裕量，吸尘系统总风量的计算公式为： Q=θ·Q0. (9) 其中：θ为设计裕量，取1.2。 经计算得：风机全压p=5 736 Pa ；风机风量Q=5 425.92 m3/h。考虑到压力损失理论计算误差，选取风机具体参数如下：风机风压为7 000 Pa，风机风量为8 346 m3/h。 一般允许吸尘管道总压力损失最大超过理论计算值5%。综上理论分析，得吸尘系统应满足的参数指标如表1所示。 表1 吸尘系统应达到的相关参数指标  设计指标公路吸尘口轨道吸尘口吸尘口最小风速vmin(m/s)>39.2>39.2吸尘管道总压力损失Δp(Pa)<><> 3 吸尘装置流场仿真分析流场仿真分析主要是根据关键位置的速度大小和压力大小判断流场分布的合理性。根据所选风机，设定边界条件为：出口静压-7 000 Pa，入口静压0 Pa。开始进行仿真计算。 数值计算结束后，得公路吸尘口中心截面和轨道吸尘口中心截面的速度场分布图和压力场分布图，如图2～图5所示。分析得到的吸尘口流速和吸尘管道压力损失如表2所示。  图2 公路吸尘口中心截面速度场分布图 图3 轨道吸尘口中心截面速度场分布图 图4 公路吸尘口中心截面压力场分布图  图5 轨道吸尘口中心截面压力场分布图 表2 仿真得到的吸尘口风速和吸尘管道总压力损失  参数公路吸尘管道轨道吸尘管道吸尘口最小风速(m/s)4441吸尘管道总压力损失(Pa)43805280 由表2可知，公路吸尘口和轨道吸尘口处的风速都在39.2 m以上，满足吸尘口最小风速要求，因此该吸尘系统可将垃圾吸起；公路吸尘管道总压力损失为4 480 Pa左右，和理论计算值相近；轨道吸尘管道的总压力损失为5 280 Pa左右，压力损失值偏大。由图5可以看出，流场在轨道风道管路折弯处有较大的压力变化，对轨道吸尘管道总压力损失影响较大。因此，需对此结构进行优化。 4 轨道槽吸尘管道结构优化轨道吸尘风道管路结构示意图如图6所示。在风道管内径、风道管进口与出口间的轴线距离已设计好的基础上，通过改变轨道风道管折弯处半径，在不同的折弯半径下进行多组仿真，找到最优值。定义折弯结构系数为：
(10) 其中：RZ为风道管折弯半径，m；Dg为风道管内径，m。  图6 轨道吸尘风道管路结构示意图 考虑到折弯半径受整体结构尺寸的限制，在这里取
由仿真分析可知，当折弯系数取κmax时，即折弯处是个半圆结构时，轨道吸尘管道总压力损失最小，吸口最小风速也有所提高，因此此时结构相对最优。 表3 轨道吸尘管道在不同折弯结构系数下的总压力损失 折弯系数压力损失(Pa)0.3356100.5552015410252803512044950κmax4870 通过样机测试，清扫车的各项性能基本达到指标要求。 5 结论本文结合公铁两用清扫车设计工程实践，进行了理论计算和CFD仿真分析，并优化了其吸尘系统，得出以下结论：①理论计算为吸尘系统设计提供了理论依据；②CFD仿真技术是对清扫车吸尘系统进行性能分析的有效手段，为系统结构优化提供了依据，利用仿真技术可减少物理样机试制的工作量，极大降低成本，明显加快产品研发速度，缩短产品研发周期。 参考文献： [1]吴新芳,何子燚.大型多功能道路清扫车总体设计分析[J].专用汽车,2014(6)：87-89. [2]Prassler E, Rohrmoser B, Schmidl G,et al. System design of a robotic road sweeper[C]//International Conference on Robotics & Automation.San Francisco:[s.n.],2000. [3]姜超.现代有轨电车工程槽型轨道清洗车设计[J].轨道交通装备与技术,2015(2):1-3. [4]Gareth Peel, Maarten Michielen, Graham Parker. Some aspects of road sweeping vehicle automation[C]// Proceedings of IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.[s.l.]:IEEE, 2001:337-342. [5]王翔.城市道路吸扫车吸尘系统的结构设计和流场分析[D].武汉：武汉理工大学,2013:20-24. [6]姜兆文.吸扫式扫路车总体设计及气力输送系统研究[D].长春：吉林大学,2013:66-101. [7]曾广银,肖田元,李欣峰等.公路清扫车集尘系统仿真设计与优化[J].计算机仿真,2004, 21(9):157-159. [8]徐云,李欣峰,肖田元等.计算流体力学在清扫车仿真分析中的应用研究[J].系统仿真学报, 2004, 16(2):270-273. [9]王悦新,梁昭举,曹平韬.基于CFD的清扫车气力输送系统仿真分析[J].交通节能与环保,2015(3)：32-35. Simulation Analysis and Optimization of Certain Type Rail-cum-sweeper Dust Collection SystemLIU Bin1, XIAO Pei1, XIONG Xiao-wei2, LI Gang-yan1, HU Jian1 (School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2.Hubei Shiruida Heavy Engineering Machinery Co., Ltd., Xiangyang 441100, China) Abstract：In this paper, the air volume of the selected fan, minimum wind speed of vacuuming mouth and other parameters of the certain type rail-cum-sweeper’s dust collection system were theoretically calculated, according to the characteristics of cleaned objects. CFD method was taken to simulate and optimize the dust collection system, and the working performance of the dust collection system was tested using real sweeper. Key words：rail-cum-sweeper; dust collection system; optimization design; simulation 文章编号：1672- 6413(2016)05- 0107- 02 收稿日期：2016- 01- 14； 修订日期：2016- 07- 20 作者简介：刘滨(1990-)，男，湖北咸宁人， 在读硕士研究生，研究方向：公铁两用清扫车设计。 中图分类号：U216.61∶TP391.9 文献标识码：A |
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