電動掃雪器的性能分析與結構優化

馮澤 趙一凡 姬曉利

摘 要：對自主研制的掃雪器，首先分析雪顆粒在集雪器螺旋葉片上的運動規律，通過理論與試驗結合的方法研究雪顆粒在螺旋葉片上的運動速度；再次分析了雪顆粒在進入離心風機葉輪前后的速度情況，獲得風機葉片出口角對拋雪距離的影響。優化螺旋葉片結構參數，避免掃雪器堵塞；研究集雪器和離心風機的除雪性能，為合理選擇前進速度與除雪厚度提供技術支持。

關鍵詞：螺旋葉片；離心風機；葉輪；結構；性能

中圖分類號：U418.326 文獻標識碼：A 文章編號：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，冬季大規模降雪時有發生，在東北地區和長江流域附近尤為明顯。因積雪導致的交通事故給人們的生活帶來極大困擾。目前世界上通過機械除雪的主要方式是螺旋拋揚式，在一些北歐國家，其研制的大型螺旋式除雪機械最大除雪寬度為2.6m，單次行進最大清雪厚度為1.8m，拋雪距離最遠為50m左右[1-4]。針對我國近20年冬季降雪情況，我們研制了小型電動掃雪器，使其達到除雪寬度2m，單次行進最大除雪厚度0.5m，拋雪距離最遠為10m的目標。它是一種安全可靠、自動化程度較高、無污染的新型除雪機械。為了保證其具備優越的除雪性能，分析雪顆粒在現有設備中的運動規律，研究除雪性能優化設備結構。

掃雪器由拋雪離心風機、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機入口前。離心風機內部葉輪高速旋轉，其內部壓強小于外部，積雪進入離心風機，在高速旋轉的葉片中，雪顆粒在離心力的作用下進入拋雪筒并被拋出[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，兩組葉片對稱分布，當兩組葉片同時旋轉時，積雪由兩側向中間集攏。圖2所示為一側集雪器結構示意圖。

螺旋葉片是集雪器的主要執行元件，因積雪具有一定的粘性，使用帶式螺旋葉片加強葉片對積雪的切削能力[6]。螺旋葉片的主要結構參數有：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，螺旋長度l=2m，螺旋升角α=36°。

螺旋葉片旋轉時，集雪器中雪顆粒的運動是復雜的，它既不是單純的隨螺旋葉片做圓周運動，也不是一味地沿著軸向前進。以螺旋葉片上某一雪顆粒為研究對象，它既受到來自螺旋葉片的法向推力FN，方向為沿螺旋線法線方向；同時也受到積雪與葉片間的摩擦力Fτ，方向為沿螺旋線切向[7]。圖3所示為雪顆粒受力分析。

其合力為F，F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合運動，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？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速、螺距等參數有關。選取葉片轉速為100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，螺距為0～4m時，通過試驗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速、螺距關系曲線。

圖中線條由下向上分別代表轉速由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的范圍內雪顆粒能獲得較高的速度。而只有當雪顆粒的軸向速度大于徑向速度時，積雪才能快速有效地向中間集攏。因此從試驗結果看出螺距為1.4m，轉速為500r/min時，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 離心風機拋雪距離分析

積雪經過集雪器的旋切和集攏后進入離心風機葉輪，在高速旋轉的葉輪中，雪顆粒依靠離心力獲得了很大的加速度，并被甩向蝸殼區域，積雪沿著蝸殼進入拋雪筒最終被拋出。離心風機由蝸殼、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構示意圖。離心風機的主要執行構件是葉輪中的風機葉片，葉輪由葉輪軸、葉片、前蓋、后盤組成[8]。葉輪的主要結構參數：葉輪外徑D=300mm、葉片起始直徑d=200mm、葉片出口角β=40°、葉片個數z=12。

雪顆粒在葉輪內的運動較為復雜，可以把它看成沿葉片的徑向運動和隨葉片旋轉的圓周運動相疊加[9，10]，圖6所示為葉輪葉片上雪顆粒運動形式。

圖6中，V0為雪顆粒進入離心風機葉輪時的速度；V1為雪顆粒進入離心風機蝸殼時的速度，即雪顆粒離開離心風機葉輪時的速度；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為葉輪旋轉時的角速度。

雪顆粒離開葉輪進入蝸殼區域時，雪顆粒的絕對速度就是葉片端部雪顆粒的圓周速度，認為V1=V1τ。雪顆粒進入蝸殼后，沿著其橫截面增大的方向運動，到達蝸殼出口的速度為V2，到達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機葉輪軸線的垂直距離，m；

ψ0-雪在拋雪筒中因碰撞和沖擊產生的能量系數，取ψ0=0.3。

雪顆粒經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，在不考慮風力因素的條件下，分析雪顆粒拋出后的軌跡[11]，如圖7所示。

圖7中，以三維坐標系為基準，原點表示拋雪筒出口，β表示葉片出口角，以原點作為拋雪筒出口點，按照牛頓第二定律計算拋雪距離有

已知雪顆粒經過拋雪筒出口的瞬間，t=0，x0=y0=0，=V3cos？茁，=V3sin？茁，另外還可知當雪顆粒落地后，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系，圖8所示為其關系曲線。從圖8中可以看到曲線的前半段增加較快在30°至50°的范圍內拋雪距離在10m以上。因此原設計中葉片出口角β=40°，能夠達到除雪目標要求。

3 掃雪器除雪性能分析

掃雪器的除雪性能表現為單位時間內清除積雪的體積[11，12]，分別研究通過集雪器中和離心風機中的積雪流量。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，取Kd=0.93。

雪顆粒通過離心風機蝸殼進入拋雪筒，即認為積雪順利通過，計算進入拋雪筒中雪的體積就能得到通過離心風機的積雪流量。離心風機除雪量QP為

Qp=V2·R·B （9）

式中：

R-拋雪筒的長度，m；

B-拋雪筒的寬度，m；

V2-雪顆粒經過離心風機蝸殼出口時的速度，m/s。

若掃雪器正常工作，則需避免內部發生堵塞現象，那么要保證單位時間內通過離心風機的積雪流量大于通過集雪器的積雪流量，則有QP>QS，得到當螺距s<1.5m時，積雪順利通過集雪器和離心風機且不會在其中任意位置發生堵塞。

而為保證掃雪器能按目標要求完成除雪任務，進行了多次試驗后，確定了承載車輛前進速度與除雪厚度之間的關系，圖9所示為其關系曲線。

4 結束語

理論分析螺旋葉片上雪顆粒運動的軸向速度，通過試驗確定了螺旋葉片螺距在1.2～1.8m的范圍內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機葉輪內和離開風機蝸殼時速度情況，獲得風機葉片出口角在30°至50°的范圍內拋雪距離超過10m。試驗研究集雪器和離心風機的除雪量，得到在螺旋葉片螺距小于1.5m時，積雪通過集雪器和離心風機且不會在其中發生堵塞。綜上所述，可知我校所設計的掃雪器結構參數：螺旋葉片螺距s=1.4m，離心風機葉片出口角β=40°時較為合理能夠順利完成除雪目標。

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