基于功能融合的洗掃車集成風機箱體結構設計與分析

丁 爽， 張 喆， 姜衛生， 劉紅太， 李世權， 郭海樂

（鄭州宇通重工有限公司， 河南 鄭州 451482）

0 引言

隨著新能源環衛市場競爭的日益激烈，作業效果，作業能耗已成為產品競爭力的重要指標。 在洗掃車整車能量消耗中風機抽吸系統的能耗占比最大， 而整個流場系統的壓損是風機能耗的直接決定因素， 故考慮將風機與箱體結構進行優化，降低系統壓損，減少能量消耗[1-3]。 本文通過風機與箱體結構的一體化設計， 將風機與箱體結構深度集成，風機蝸殼做為箱體結構的一部分，由電機直驅， 可大大簡化現有風機及傳動結構， 提高機構的可靠性。 取消箱體進風道，風機直接從污水箱內抽吸空氣，該結構可降低系統壓損，降低能耗。同時采用電機直驅風機葉輪，取消原有的皮帶傳動系統，可減小傳動系統能量損失，降低系統重量和成本。

1 風機箱體集成設計

風機作為洗掃車的核心部件， 傳統設計時洗掃車采用單獨布置的結構形式，需要皮帶皮帶傳動系統等，不僅結構復雜，傳動效率低，且重量大。 為了減少傳動過程中的能量損失，對風機和箱體采用集成設計，風機蝸殼直接焊接在箱體上，采用電機直驅風機，取消了原有的氣動離合器、傳動組、皮帶等傳動部件，動力傳遞過程中的能量損失大大降低。 同時原結構上裝動力驅動方案是一個電機通過皮帶傳動同時驅動風機、水泵、油泵，三個轉速相互耦合， 無法根據實際作業場景單獨控制每個元件的合理轉速。 新結構將三個電機拆分開來，單獨驅動，單獨控制，根據作業需求，合理設置轉速，助力整車能耗降低。 風機箱體結構三維模型，如圖1 所示。

圖1 集成風機箱體三維模型

2 集成風機箱體結構強度及模態分析

2.1 箱體結構有限元模型

在HYPERMESH 中建立箱體的有限元模型見圖2。由于箱體多為薄板件， 在分析時采用二維殼單元來模型箱體結構。 對圖2 建立的有限元模型，施加約束、慣性載荷、集中質量等邊界條件，模擬箱體在整車工作時的應力及變形狀態， 評估該箱體結構的強度及剛度是否滿足設計要求。同時由于該箱體將風機結構進行了集成設計，風機葉輪及電機等旋轉部件與箱體結構緊固連接， 需要同時考慮箱體結構的模態， 避免由于箱體固有頻率與旋轉部件的激勵頻率重合導致的箱體振動及輻射異常噪聲等問題[4]。

圖2 集成風機箱體有限元模型

2.2 集成風機箱體工況確定

根據洗掃車的結構組成、工作原理等，確定箱體在其工作過程中的工況，見表1。

表1 箱體分析工況

2.3 集成風機箱體有限元分析

以工況2-滿載顛簸工況為例。 邊界條件及載荷按照車輛實際進行施加。分析結構見圖3、圖4。 從圖中可以看出箱體最大應力為178MPa，遠低于許用應力288MPa。

圖3 集成風機箱體變形云圖

圖4 集成風機箱體應力云圖

2.4 集成風機箱體結構模態分析

集成風機箱體由于要匹配葉輪的高效區轉速， 采用了小葉輪高轉速的結構形式， 葉輪及風機電機均集成安裝在風機前板上， 風機前板通過一圈螺栓固定安裝在集成箱體的蝸殼上。 由于電機轉子及風機葉輪結構上不可能實現絕對的動平衡， 所以在葉輪旋轉時會產生固定頻率周期激勵，該風機初步設定轉速在2400～3000rpm，對應激勵頻率為40～50Hz，故箱體結構的固有頻率原則上應避開上述頻率段， 避免結構共振及由于共振產生的異常輻射噪聲[5]。 由于箱體為薄壁腔體結構，計算模態較為密集，在設計分析時主要考慮風機安裝區域固有頻率避開40～50Hz。 風機安裝區域主要模態見圖5、圖6 所示。

圖5 集成風機箱體主要階次模態變形

圖6 集成風機箱體主要階次模態變形

3 試驗驗證

該箱體在完成設計及有限元分析后，搭載整車進行作業潔凈率測試，在400g/m2沙子及400g/m2石子的模擬測試路面上，測試搭載該箱體洗掃車的作業性能。 經與原結構對比，該箱體同等作業工況下作業潔凈率與原結構相當[6]。

表2 集成風機箱體整機潔凈率對比

同時經過實車稱重， 全新結構較原結構實現整車減重140kg。之后又對該車進行了400h 作業可靠性驗證，驗證結構的作業性能。 隨后又在風機正常工作情況下進行了4000km 綜合路道路可靠性驗證，驗證結構的強度及剛度，均未發現有結構失效問題。

4 結論

該集成風機結構按照集成設計思路， 將風機功能與箱體功能進行集成，按照正向開發流程，先進行方案策劃評審，對新結構進行三維建模并開展強度、振動等分析，細化設計。結構定型后搭載實車進行作業性能、作業可靠性及道路可靠性驗證， 保證結構各方面性能達到設計要求。 該結構的設計驗證成果為行業內類似結構開辟了一種全新的設計思路，同時由于在重量、性能等指標上的優異表現，為推動行業的發展做了一些有益的嘗試和貢獻。