扫路车风机设计中的几个问题

 目前，国内外吸扫型道路清扫车是扫路车的主流车型，也是可以预见的将来的主流发展方向，因为这种扫路车同纯扫式或纯吸式扫路车相比，具有清扫效果好、速度快、二次污染小等优点。这种扫路车无论是干扫型还是湿扫型，有一个共同的工作特征：通过风机的抽吸，由扫刷聚拢在吸嘴前面的垃圾在空气的带动下进入吸嘴，通过管道进入垃圾箱，垃圾沉降在垃圾箱或过滤设施中，气流进入风机，然后排入大气或回流入吸嘴。

      风机作为扫路车关键部件之一，其性能在很大程度上决定了扫路车的性能：其风量、空气升压对扫路车清扫效果起决定性作用；其能耗或效率直接决定了扫路车的油耗；其工作噪声、耐磨、抗积尘能力、稳定工作范围、寿命等性能参数也直接决定着扫路车的性能，因此扫路车对风机的要求是很严格的。
      同时，扫路车风机工作环境恶劣，通过风机的气流含有较多的尘土、砂粒，以及气态和液态的水，普通的离心风机很难适应这种工作环境和满足这种工作要求，风机同扫路车的匹配也较难。因此，非常有必要开发出专门应用于扫路车的风机，这种风机应该具有噪声低、风压高、耐磨性好、抗积尘能力强、保证风量前提下体积尽量小、便于安装和维护等特点。

磨损分析与措施
      含有垃圾、水雾的空气进入垃圾箱之后，总有部分尘土、砂粒、水不能完全和空气分离而直接进入风机，在风机中形成多相流动。气流从风机进口到出口运动是折转90°，在气流夹带及自身惯性作用下，固体颗粒不可避免地要以非零攻角冲击离心叶轮和蜗壳内表面，甚至多次冲击，造成风机叶轮和蜗壳磨损。
      叶轮的磨损直接影响到风机的使用性能和寿命，其动平衡性遭到破坏，振动加剧，使风机运转时的噪声增加，驾驶人员舒适性和整车寿命下降。为了减缓风机叶轮的磨损，常规采用的方法是在对应的易磨损部位堆焊或喷涂耐磨材料、采用耐磨钢材、材料表面淬火或渗碳、合理选用进风口、尽量避免采用空心叶片、增设导叶、叶片出口削成锯齿状等措施。
      结合扫路车风机实际使用经验，扫路车风机离心叶轮的磨损部位主要集中在三个区域，即叶片进口靠后盘侧区域、叶片工作面靠近后盘区域、叶片工作面出口部位以及后盘表面；蜗壳的磨损主要集中在叶轮出口对应蜗面的后侧，愈靠近风机出口，该面磨损愈严重。
      从材料磨损的试验分析来看，材料表面磨损的主要方式有两种，一是颗粒材料表面撞击产生的疲劳而脱落，二是颗粒对材料表面切削。对于硬度高的脆性材料，磨损主要是因颗粒的撞击疲劳而脱落，角度愈接近90°，磨蚀量越大；对硬度较低的塑性材料，磨损主要是以颗粒对材料表面切削成凹痕，磨损量最大发生在撞击角为15°～30°之间。
      对于扫路车风机来说，选材大多以普通碳钢（Q235）和低合金钢（16Mn），皆为塑性材料，加之扫路车风机多为前向叶轮，在运行中气流与叶片工作面、蜗壳内表面的夹角较小，故与以切削磨损为主要作用。因此，在设计叶轮时，可以适当将颗粒与风机壁面撞击的角度控制的大一点，这就意味着保证风机风压满足扫路车使用要求的前提下，适当将叶片出口角减小、使颗粒对叶片和蜗壳内壁的撞击角增大，对叶轮耐磨是有利的。同时，某些表面涂喷特种高分子材料，可以较好地解决扫路车风机磨损的问题。

降噪措施
      扫路车工作在场合要求其必须具有较好的环境友好性，其中扫路车的噪声就是考核扫路车的一个关键指标。扫路车的噪声主要来自主、副发动机、风机等部件的综合噪声，因此减小风机的噪声是减少整车噪声的主要手段之一。
      离心风机噪声是气动噪声、机械噪声、气体和固体弹性系统相互作用产生的气固耦合噪声三者叠加的结果，风机运行时各种噪声所占比例分别为45%、30%、25%。
      其中气动噪声是由旋转噪声和旋涡噪声相互叠加组成，旋转噪声的强度大致与叶轮出口圆周速度u的5.6～6次方成正比，当u增大一倍时，升压级将增加10～15dB；旋涡噪声的强度与气流相对叶片速度的8次方成正比。
      机械噪声取决于叶轮的动平衡性能、制造工艺水平、受力部件的刚度、连接件的紧固效果等因素。气固耦合噪声产生于不均匀的气流作用在固体壁面上随时间脉动，与气体的绕流、流动分离、涡流引起的压力脉动密切相关。各种原因引起的噪声相互复杂叠加在一起，几乎不可能仅靠采取某种措施或手段将所有噪声都有效克服。
      离心风机降噪的常规方法有增加叶栅气动载荷并降低圆周速度、增加蜗舌间隙、增加蜗舌曲率半径、倾斜蜗舌、采用双进气口或双级叶轮、采用带吸声孔和吸声材料的吸声蜗壳、风机进口处加装紊流装置、在蜗舌处加装共振器、采用开缝叶片或长短叶片、蜗壳内置挡流圈、采用阶梯形蜗舌等等。由于扫路车对风机的风压要求较高，故风机大多数采用前向型叶轮，而前向叶轮风机的噪声和效率对蜗舌间隙很敏感，增加蜗舌间隙之后虽然有利于噪声降低，但是风机效率可能下降更多，得不偿失；而采用吸声材料和吸声蜗壳、在蜗舌处加装共振器等措施也行不通，因为大量的尘土和水会很快堵塞在这些消音孔。研究表明，对于扫路车风机，除了加强叶轮的动平衡性能、改进制作工艺水平外，采用适当加大蜗舌曲率半径，并配合倾斜蜗舌或阶梯形蜗舌将是降低噪声的有效办法。蜗舌曲率半径r与叶轮外径D2的比值r/ D2在0.055～0.06之间选取，适当取大值能有效削弱旋转噪声和涡流噪声，但不会对风机其它性能带来严重影响。
      试验结果表明，扫路车用的前向叶轮风机采用倾斜式蜗舌降噪效果非常明显，在几乎不影响风机性能、制作成本的前提下，风机的各个工况都能有效降低噪声。蜗舌倾斜角а可按公式来计算，其中t为叶轮出口两相邻叶片距离，m；b为叶片宽度，m。蜗舌倾斜方向为向后盖板升高。若采用倾斜直蜗舌后，由于蜗舌间隙会变化，故风机效率会有轻微变化，下降约1～1.5％；若采用倾斜曲线蜗舌，保证蜗舌间隙不变，则效率没有变化，但加工比较复杂，所以这里建议采用倾斜直蜗舌。
      采用阶梯蜗舌也能在一定程度上降低风机噪声。阶梯是将两个蜗舌呈阶梯状分布，第一个蜗舌的间隙与原来单蜗舌的间隙接近，第二个蜗舌间隙有一定幅度增加，并向蜗壳出口靠近。这种布局可以使得两个蜗舌的曲率半径都大幅度增加，使得气流在蜗舌附近的涡流强度下降、改善气流在这里流动的平顺性。同时，漩涡位置远离蜗舌顶部，减小了旋转噪声和旋涡噪声的叠加，有效地减少了气动噪声。
      试验结果表明，设计时，两个蜗舌之间的相对位置非常重要，取决于叶轮的转速、叶轮外径、叶片数目等参数，具体要根据实际情况和试验结果确定。

抗积尘措施
      进入风机的气流中含有水和尘土，尘土粘水之后有较大的粘性，会黏附在风机叶轮叶片和蜗壳内壁面上，当风机停机时，黏附在风机内的湿泥土会干燥，形成一层比较牢固泥土硬壳。这种硬壳的危害性是挺大的，沉积在叶轮上不仅会增大风机的功耗，一旦有部分泥块脱落，将破坏叶轮的动平衡，引起振动和噪声，使整车的操作舒适性和环境友好性降低。
      风机在设计工况点运行时，气流进入风机叶片流道的角度与叶片进口安装角相同，这时气流对叶片的冲击角很小，气流以比较平滑的状态进入叶片通道，尘土即使碰上了叶片，也会由于相互作用力很较小而不会黏附子在叶片上。
      扫路车工作时出于某些原因，使得风机以低于设计工况点的负荷运转，气流在叶轮进口处的速度方向将发生改变，此时气流对叶片的冲击角度小于叶片进口安装角，而形成了对叶片压力面的正的冲击角，一旦具有粘性的泥土撞上了叶片工作面，如果气流、振动等干扰因素不足以克服粘性力，泥土将会黏附在叶片上，造成积土。因此，工作面上将黏附上粘性较高的湿土块。同时，叶片的吸力面上将出现低压区，边界层气流会分离，而且在流道的吸力面附近形成回流的旋涡，旋涡沿着叶片的径向方向发展，直至叶轮出口，此时流动性较好的干细尘粒将会随着气流回流，而回流气流由于速度不高，尘粒将在叶片的吸力面附近有较长时间的停留，一旦碰上叶片的非工作面，回流扰动作用不足以使黏附在片面上的尘粒分离。因此，非工作面上将黏附上比较干燥的尘粒，而且发生在较大半径范围内。
      研究结果表明，当风机负荷在80%以下时，气流的分离、旋涡以及回流显著，此时吸力面上将出现积尘。当风机负荷进一步下降，压力面也开始有湿泥土开始积附。而扫路车风机不可能设计随负荷自动变化的导叶以防止气流在流道中形成对叶片的正冲角，为了保证扫路车风机不产生积尘而导致故障，风机设计时应该充分估计到扫路车正常运行时所需风机的实际负荷，降吸嘴与地面相对位置对风机负荷的影响等因素考虑进去，尽量做到风机工作时的负荷大于80％的额定负荷。
      试验结果表明，将叶片数量适当增加，可以有效削弱回流，有利于减轻叶片吸力面上的积尘，但是叶片数量的增加对叶片压力面上积泥没有太多的积极作用。

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