清扫车吸尘口结构优化设计

台冰丰 吴杰灵

1.长沙理工大学汽车与机电学院 湖南长沙 410007

2.汉阳专用汽车研究所 湖北武汉 430056

1 前言

清扫车是指用于清扫、收集并运送路面垃圾尘土等污物的环卫专用车辆，其主要部件包括吸尘口、垃圾箱、风道和滤除尘装置等。其中，清扫车吸尘系统的好坏会直接影响整车的清扫效率、清扫能力、清扫速度、最大吸入垃圾粒度及清扫宽度。

而吸尘口作为清扫车吸尘系统的关键部件，对吸尘效率和整个气路系统的吸尘能力起决定性作用[1]。由于设计人员不太了解吸尘口的结构形状对吸尘效率的影响规律，以至于设计时吸尘口的结构不合理，导致清扫车吸尘能力低，能量损耗大，气流分布不合理，因此需要对吸尘口进行模拟仿真分析以优化其结构。

2 吸尘口模型建立

2.1 吸尘口物理模型

吸尘口模型长为2 000 mm，宽为400 mm，高约300 mm，吸尘口底部与水平面距离5 mm，由前面、后面及侧面进气。其中，出气口气压为－1 800 Pa，进气口气压为0 Pa。

2.2 根据约束建立线性方程组

连续性方程：

式中，ρ为流体密度，V为流体速度矢量。

动量方程:

校正压力：

式中，p为静压力，D 为体积粘性系数。

有效粘度系数：

式中， u为 层流粘度系数， ur为湍流粘度系数。

式中，k为湍动能，ε为动能耗散系数。

2.3 有限元模型

本文采用FLUENT建立有限元模型，研究扫路车吸尘口倾斜角和吸尘口尺寸对吸尘口气流流速的影响。

2.3.1 简化建模

由于吸尘口的尺寸较大，为了精确计算且结果收敛，网格必须细致划分，将完整的吸尘口划分为边长为5 mm的三角形网格，会产生300多万个有效网格。网格数量过多会大大影响计算速度，并在一定程度上影响计算结果的收敛。因此，在建立有限元模型时，需对模型进行简化。由于吸尘口为对称件，为减少计算量，取模型长度方向的一半进行建模，共产生三角形网格160万个，吸尘口三维模型如图1所示，网格划分如图2所示。

2.3.2 边界条件

虽然吸尘口进气口与出气口的气体流量、流速无法确定，但是风机在某个功率下抽取垃圾箱中的气体所引起的负压是一定的。因此，在吸尘口出气口处设定压力出口（Presure Outlet，-1 800 Pa），而在吸尘口前方、后方、侧面设定压力入口（Presure Inlet，0 Pa），在对称面上建立对称边界（symmetry）。为了便于给模型施加上述边界，在吸尘口的前、侧、后面分别加三个辅助块，通过在辅助块的垂直面上施加上述边界，模拟形成与吸尘口周围气流近似的气流。

2.3.3 其他条件

取空气为流体材料，密度为1.225 kg/m3，比热为1 006.43 J/(kg·K)，粘度为1.789 4×10-5kg/(m·s)；取钢为固体壁材料，密度为8 030 kg/m3，比热为502.48 J/(kg·K)。

3 优化结果分析

3.1 吸尘口倾斜角对气流的影响

吸尘口与肩部的夹角，即倾斜角对气流有一定的影响，夹角越小，对气流的阻碍越大，不利于尘粒上升，一般取90°～150°。本文分别取90°、120°、130°、140°、150°夹角进行分析，结果如表1所示。吸尘口倾斜角气流速度矢量图如图3～

表1 不同倾斜角吸尘口对气流参数的影响

由图可见，倾斜角对气流的入口速度、漩涡速度及贴地速度均有影响，但是影响较小。吸尘口的气流入口处，气流会产生一个漩涡。由于漩涡速度相差不大，漩涡直径越大，漩涡处积尘量越小，则漩涡的气流对尘粒的清扫能力越强。漩涡放大如图7所示。肩部气流速度随着倾斜角的增大而增大，这是由于倾斜角的增大，减少了气流的阻力。气流的速度越大，对尘粒的输送能力越强。综上所述，130°倾角时吸尘口对尘粒的清扫和输送能力最强。

3.2 吸尘口进气面的流量比较

吸尘口为长条形，长边的流量影响清扫效率。不同倾斜角的吸尘口长边与宽边的流量比如表2所示。

表2 长边与宽边进气效率比较

流量公式：

式中，q为单位面积流量，A为截面面积。

由此可见，流量应与截面面积成正比。但是，表中数据显示，长边流量与宽边流量的比值大于其长度的比值。因此，宽边的进气效率应小于长边的进气效率。

4 结论

a. 吸尘口倾斜角会影响尘粒进入垃圾箱的难易程度，适当增大吸尘口的倾斜角，减小尘粒上升的阻力，有利于尘粒进入箱体，针对本文的模型，吸尘口最佳倾斜角为130°。

b. 吸尘口侧面与正面的进气量，与其面积不成正比，吸尘口的主要进气来源在正面。因此，若扫路车因为结构设计需要，需改变吸尘口的位置，可将吸尘口布置于后轮内侧，此时后轮对吸尘口工作影响较小。

另外，进气筒作为清扫车吸尘系统的一部分，对气流的流动也有着重要的意义，所以，研究进气筒的形状、长度、截面直径、截面形状对优化扫路车气力输送系统同样有着重要意义。

[1] 倪奕金,张丽.扫路车气力输送系统设计[J].专用汽车,2009(6):50-52