一種抑塵車風機液壓驅動結構的優化設計

王立林 王月嶺 邢廣佩 顏承敏

WANG Li-lin et al

一種抑塵車風機液壓驅動結構的優化設計

王立林 王月嶺 邢廣佩 顏承敏

WANG Li-lin et al

中通汽車工業集團有限責任公司 山東聊城 252000

針對抑塵車風機驅動經常出現扭斷動力輸送軸現象，設計了新的傳動方案，即通過加裝超越離合器裝置，徹底解決了風機葉片動力輸出軸扭斷的問題，從而提高了風機的使用壽命。

抑塵車 風機風扇組件 超越離合器 動力輸出軸

1 前言

隨著我國經濟的快速發展，工業化進程加速，私家車已經走進普通家庭，隨之而來的工業氣體排放、汽車尾氣排放越來越嚴重，特別是在我國京津冀魯豫等地區，冬季霧霾嚴重威脅了人們的衣食住行等正常的生活。國家也出臺了節能減排的相應政策，為積極響應國家號召，筆者研發了一款治理粉塵、霧霾的產品——抑塵車。該車對空氣中PM2.5和PM10具有良好的清除、抑制作用，可廣泛應用于港口、火電、鋼鐵、煤炭、礦業、煤化工及市政降塵等行業，還可以用于輔助滅火、噴灑藥液等領域。

2 抑塵車的工作原理

抑塵車風機的驅動形式一般為液壓驅動或電機驅動，本文僅針對液壓驅動的風機進行分析研究。全液壓多功能抑塵車的工作原理為：底盤取力器通過傳動軸驅動雙聯泵，在液壓油箱、過濾器、換向閥、液壓膠管等組成的液壓系統中分為兩路，其中一路大排量齒輪泵液系統驅動軸流風機的風機輸送軸，從而驅動風機葉片高速旋轉，葉片產生的風能通過霧炮風筒口高速噴射出來；另一路小排量葉片泵液壓系統驅動高壓水泵，高壓水泵形成的高壓水通過高壓水膠管被輸送到霧炮風筒口的環形噴圈處，環形噴圈上安裝了數十個霧化噴嘴，高壓水經過霧化噴嘴霧化形成極細小的小液滴。在霧炮風筒出口處，兩者相遇混合并形成水霧氣場流，水霧顆粒不斷吸附空氣中的粉塵顆粒，最終在自身重力作用下下沉，快速有效地降低大氣粉塵污染源，從而遏制霧霾的產生。根據發動機功率的大小，其最大有效射程可達120 m，有效覆蓋范圍達4萬m2以上，其工作原理圖如圖1，液壓原理如圖2所示。

圖 1 抑塵車工作原理圖

3 傳統風機驅動結構

表1 軸的常用材料及其主要力學性能

表2 幾種常用軸材料的τ及A值

圖2 抑塵車液壓原理圖

圖3 傳統風機驅動結構

傳統的風機驅動結構如圖3所示。該驅動裝置由底座、軸承座、液壓馬達、聯軸器、平鍵2、風機輸送軸、平鍵1、風扇葉片組成。其中底座是載體，液壓馬達安裝在底座的右側，軸承座安裝在底座的左側，風機輸送軸安裝在軸承座內部，輸送軸的左側軸頭裝有風機葉片組件，右側軸頭與聯軸器相配合，風扇葉片與風機輸送軸左側相配合處裝有平鍵1，聯軸器與風機軸右側相配合處裝有平鍵2。動力傳遞時，液壓齒輪泵把機械能轉化為液壓能，通過液壓能驅動液壓馬達，液壓馬達將液壓能轉化為機械能驅動聯軸器旋轉，聯軸器通過平鍵2把動力傳遞給風機輸送軸，同理輸送軸通過平鍵1把動力傳遞給風扇葉片，風扇葉片開始旋轉。由于各個部件之間為剛性連接，所以馬達的輸出轉速即為風扇的轉速。

由機械設計手冊查得，輸送軸一般采用40Cr材質，調質處理。軸的常用材料及其主要力學性能如表1所示，軸材料的扭轉許用應力參數如表2所示[1]。

3.1 輸送軸設計

式中，d為軸端直徑，mm；由表2查得，A的取值范圍為112～97，因轉速較高且單向旋轉，故取較小值，A=97，查得輸送軸材料的許用最小扭轉剪應力[τ]=35 MPa；P為風機功率，實測P=37 kW；n為風機輸送軸的額定轉速，n=1 450 r/min。

由公式(1)計算可得，軸端直徑d=28.56 mm。

考慮到軸端有鍵槽，軸頸應增大4%～5%；又考慮到沖擊載荷，取軸的安全系數Ssp=1.5，最終取d=50 mm。根據機械設計手冊及機械制圖規則，最終設計的輸送軸如圖6所示。

圖4 輸送軸示意圖

p

3.1.1 輸送軸的扭轉強度校核

軸的扭轉強度校核公式為

式中，τmax為軸頭截面的最大剪應力，T為輸送軸頭對應界面的扭矩，W為抗扭截面系數[2]。

t

軸的扭矩計算公式為

式中，T為軸頭受到的扭矩，P為輸送軸的傳動功率[3]。

輸送軸的抗扭截面系數計算公式為

式中，D為實心軸的截面直徑，m。軸頭的直徑為0.05 m，帶入計算得W=24.5×10-6m3；輸送軸的傳遞功率為37 kW，額定

t轉速為1450 r/min，帶入公式(3)，計算得T=243.66 Nm。

3.1.2 霧炮風機實際工作情況

產品完成設計及試制，經過一段時間的性能試驗，風機運行狀態良好，未發現異常現象。但是當霧炮風機運行時間超過半年之后，時常出現風機輸送軸扭斷故障，風機輸送軸的斷裂情況如圖5所示。

圖5 風機輸送軸斷裂

3.1.3 故障原因分析

3.2 改進后的風機傳動結構

針對該傳動結構存在的問題，對其進行優化設計，采用單向超越離合器代替聯軸器，結構如圖6所示。超越離合器是一種特殊的機械離合器，在機械傳動中由主從動部分相對運動速度變化或旋轉方向的改變使其自動結合或脫開。驅動元件只能從單一方向使從動元件轉動，如果驅動元件改變方向，從動元件就自動脫離不傳遞動力，故又稱單向離合器或單向軸承[1]。其工作過程如下：當液壓馬達順時針（面對軸頭）旋轉時，液壓馬達將動力傳遞給單向超越離合器，單向超越離合器通過平鍵2把動力傳遞給風機輸送軸，最終驅動風機葉片旋轉；當液壓馬達停止工作時，風機葉片由于慣性繼續轉動，通過平鍵1驅動風機輸送軸旋轉，風機驅動軸通過平鍵2驅動單向超越離合器轉動，但此時的超越離合器為空轉模式，類似自行車的慣性行走模式，由此即可消除瞬時扭矩對輸送軸產生的沖擊。

圖 6 單向超越離合器結構示意圖

4 結語

通過結構優化設計，利用單向超越離合器的性能特點消除了風扇葉片停機時產生的瞬時沖擊，提高了風機的使用壽命。通過實際應用，該方案操作方便，經濟實用，效果良好，具有較高的推廣價值。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2003.

[2] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3] 王望予.汽車設計[M].北京:機械工業出版社,2000.

A Dust Suppression Hydraulic Drive Car Fan Structure Optimization Design

In order to solve the problem of power output shaft being twisted by the fan blade of the mist cannon truck, a new transmission scheme is proposed. By installing the overrunning clutch device,the problem is completely solved and the fan's life is improved.

mist cannon truck; fan assembly; overrunning clutch; power output shaft

王立林，男，1972生，工程師，主要從事專用車研究與改裝工作。

U469.6+93.01

：A

1004-0226(2017)04-0087-03

2017-01-19