在我国综合运输体系中，由于公路运输的广泛性，公路运输活动渗透在国民经济各产业部门之中，成为联系各产业部门的桥梁和纽带^[1]。随着我国城市现代化建设进程不断加快，道路清扫车的应用范围也变得越来越广泛。在国外，对道路清扫车的应用可追溯到20世纪初期。而我国也于20世纪60年代也开始引入当时世界上先进的道路清扫车技术，经历了50多年的发展，我们不论从技术水平还是生产规模上都有了质的飞跃和迅猛的发展，与此同时环保设备的迅猛发展也为我国道路环卫车辆的装备技术发展的快速提升提供了有力的保障^[2]。通过对QC/T51—2006标准的国5系列道路清扫车为研究对象，在经过充分研究分析现有路面环卫机械后，针对现有的道路清扫车存在的不足，综合用优化设计思想有限元分析软件对原清扫车在工作过程中的风机和风道进行流体仿真研究，进而得出其流线分布、速度矢量分布以及静压力分布等参数结果，从而为风道和结构的优化提供数据支持和理论依据，也为原有道路清扫车的改进设计提供了参考和新的设计思路。

国5系列清扫车在开始工作时，由前清扫装置中的扫刷先转动来，先将灰尘扫起并收集起其中一部分，其余部分由侧清扫装置与后清扫装置来完成清扫工作。其中风机由副发动机输出动力并产生转动风力，将剩余部分灰尘吸入至风道内。风道内部的过滤网装置可将空气与灰尘分离，经过净化后的空气由吹风口吹出，分离后的灰尘落入储尘罐中。在清扫工作过程中也伴随着降尘工序，水箱的水经由喷头向路面喷洒，起到防尘、降尘的作用。图 1为原清扫车结构图。

图 1 清扫车结构 Fig. 1 Structure of the sweeper 1.前清扫装置2.车体3.风道4.风机5.副发动机6.储尘罐7.水箱8.侧清扫装置9.洒水喷头10.后清扫装置

随着该清扫车在实际使用过程不断的深入，一些问题逐渐暴漏出来，例如风机工作噪音大，故障率高，能耗高等^[3]。由于原清扫车在实际设计中仍采用传统的经验设计，凭借粗犷的试验法或传统的经验选配部件，缺乏必要的理论依据。随着计算机技术的飞速迅猛发展，优化设计技术在现在机械设计中应用越来越广泛。本研究通过仿真技术较真实地模拟出风道内部的气体流场变化的实际工况等特征，为优化和改进设计提供了愈加可靠的技术支持。

垃圾尘粒是风机系统的主要工作对象，对尘粒的物理性质进行研究是确定道路清扫车工作参数的重要依据。尘粒的启动速度是指尘粒由静止到运动状态所需要的最小气体流动速度，只有当气流的流动速度超过尘粒的最小启动速度时，尘粒才能由静止变为运动。Cabrejos和Klinzing及Haim Kalmam通过大量的研究以及试验验证，得到了计算尘粒在水平圆形管道内启动速度的经验公式^[4]：

对于单个尘粒：

(1)

对于层状堆积的尘粒：

(2)

式中，U_S为单个尘粒的启动速度; d为尘粒粒径；U_p为层状尘粒启动速度；D为水平管道的直径；C_k为启动系数；ρ_C为尘粒真密度；ρ为空气密度；f为尘粒与管道的摩擦系数；Ar为阿基米德数; Ar= ；μ为空气的动力粘度系数。

设计吸风口参数的重要依据就是尘粒的启动速度，而道路清扫车的吸尘效果也将由垃圾颗粒能否启动来影响。图 2是几种常见尘粒的粒径与启动速度对应示意图。如图 2所示，因为铁粉的密度最大，所以它的启动速度也是相对较快的，当铁粉粒径达到10 mm时，启动速度可以达到27 m/s。相比之下，路面上随处可见的煤粉、沙石、水泥等，当其粒径达到10 mm时，最大的启动速度仅可达到18 m/s左右^[5]，当尘粒粒径小于0.08 mm时，尘粒的启动速度将随着粒径的减小而减小，这是一个值得我们注意的问题。

图 2 几种常见尘粒的粒径与启动速度对应曲线 Fig. 2 Curves of particle size varying with starting velocity of common dust particles

大量的试验研究表明，提高清扫车工作效率的关键因素是改善风道内的流动状况，降低因边界层的增长、分离及风道二次流等综合流动效应带来的损失。因此，对整个风道的内部流场进行探究并获取相关分析数据就显得尤为重要。随着计算机技术的发展和数值计算技术的进步，CAD技术的不断成熟为能够可靠地模拟出风道内部的气体流场特征提供了愈加可靠的技术支持。

本研究通过NX ug对优化后的风道进行三维实体模型的建立，并将优化后的实体模型导入至NX nastran进行有限元仿真研究^[6]。

结合原有风机设计经过使用过程中暴漏的问题和存在的不足，本研究要将原有的装配孔、焊接板全部去掉并将不必要的圆角和突出结构进行优化，同时为了增加分析结果的精确度，本研究先将优化后风机的钣金结构进行了适当的简化处理。需要注意的是，为了使仿真能够顺利进行，需要去掉两种中风道的倒角和圆角，并且去掉所有不必要的结构，如滤网、挡风叶片等。通过优化建模之后，尽量使模型平滑连续，避免因为结构的改变导致最终的仿真产生误差。整体风道的有限元仿真研究被设计成两部分：进风风道和出风风道。图 3为优化后的吸风风道，图 4为优化后的吹风风道。同时，本研究还将4个吸风口以及3个吹风口设置为开口，通过将风机设置为额定状态下的风量来进行仿真。从而得出吸风口与吹风口风速的仿真数据，和尘粒的启动速度、悬浮速度进行比较。通过试验进一步验证仿真结果的正确性和可靠性^[7]。

图 3 优化后的吸风风道 Fig. 3 Optimized suction duct

图 4 优化后的吹风风道 Fig. 4 Optimized blowing duct

本研究采用湍流模型来模拟风道内部的气体场。在仿真时，采用忽略温度对气体影响以及忽略风机高速旋转时产生的风压损失的理想化模型^[8]。原有风机型号为9-26-10D(风量：34 052 m³/h)，具体参数如表 1所示。

通过试验结果对比验证了仿真结果以及计算方法的正确性，表明了风道内部流场的计算结果真实可信^[9]。对图 5吸风口的风速图的分析，表明前吸风口上方区域产生了回流，进而影响内部气体流通，增大了空气阻力。因此蓝色区域结构需要更进一步的优化。

图 5 吸风口风速图(单位:mm/s) Fig. 5 Nephogram of wind speed at suction vent(unit:mm/s)

图 6表明前吹风口由于角度设置问题使得气体流通慢，吹风口速度较小，因此需要对角度进行重新优化设计。由风机到储尘罐的风道过于冗长，使得吹风效果不佳，同样需要进行更进一步的优化^[10]。

图 6 吹风口风速图(单位:mm/s) Fig. 6 Nephogram of wind speed at blowing vent(unit:mm/s)

通过对图 7的分析可知，风道吸风口风速均大于尘粒的启动与悬浮速度，因此在工作过程中都能达到良好的吸尘效果^[11]。

图 7 由吸风口到风机风速变化图 Fig. 7 Curves of wind speed from suction vent to fan

但将尘粒吸入以后，内部在转角部分的风速未能达到最大颗粒的悬浮速度，会有部分尘粒回落，降低风机吸入效率，影响了风机的吸入效果。经过分析，导致该现象出现可能的原因是局部横截面积过大，导致局部风压减小。出现了部分尘粒回落的现象^[12]。

对图 8的分析可知，在尘粒由风机经过风道到达储尘罐的过程当中，风速都远高于尘粒的悬浮速度。此处原有结构满足需求，随着风机参数的改变，也需要做适当的调整处理。

图 8 尘粒由风机到达储尘罐的流速变化图 Fig. 8 Curve of flow speed of dust particles from fan to storage tank

区别于二次改进的矩形截面风道，依据仿真分析结果将矩形截面风道优化成圆柱形管道，便于安装和维修^[13], 并通过减小风道直径的方式来增大风压，避免因为横截面积过大影响风压问题的再次出现。除了改变风道横截面形状以外，本研究还采用了减小风道总行程的方法，来降低空气在风道内的损失率，进一步提高了风机的工作效率和作业效果。图 9为优化后的风道结构图^[14]。

图 9 优化后的风道结构图 Fig. 9 Optimized wind duct structure

整体管道采用外径300 mm内径297 mm的管道，连接处外径320 mm内径297 mm，这种结构将原有的腹板去掉，避免了气体回流现象的出现，进一步提高整体的工作效率^[15]。

将原有风道与优化后风道在风量34 052 m³/h时进行比较，如图 10所示。

图 10 风机优化前后风速对比图 Fig. 10 Comparison of wind speeds before and after fan optimization

较原有结构相比，风速提高了约50%，考虑节约能耗，减少环境污染，需要重新选择风机^[16]。

图 11为4种不同风量风机的对比：风机系统是吸扫式道路清扫车中最核心的子系统，也是在设计过程中最为复杂的子系统。风机系统能否正常有效地工作将直接决定了道路清扫车能否有效地工作^[17]。通过计算、仿真分析对比和查找风机样本特性曲线及风机性能选用件表选择合适的风机型号。为避免选择功率过大的风机而导致能量浪费和噪音过大及环境污染问题，在能保证风机风压和风量的前提下应选择尽量小的风机^[18]。

图 11 四种不同风机的风速对照图 Fig. 11 Comparison of wind speeds of 4 types of fan

本设计选用的风机型号为9-26-10D(风量：21 466 m³/h)，如表 2所示。

道路清扫车的风道设计优劣，严重影响清扫车的除尘能力和风机的使用效率。本研究风道主要有两种形式，分别为含尘粒的带风吸尘与不带尘粒的带风吹尘。不同横截面积会对风机的全压和风量产生影响^[18]。通过对优化后结构的流体分析来确定风机的选型以及对风机风量的影响，这样设计出的风道效果最好，风机利用率高，空气阻力小^[19]。

(1) 为了提高道路清扫车的工作效率，本研究通过有限元仿真研究，发现了原有风机结构上的存在的缺陷，并在本研究中予以优化和改进设计。

(2) 通过分析对比，重新分析研究后的风道较原有风道的风速提速了50%。

(3) 实施节能减排是我国国民经济和社会发展的一项长期战略布署，也是当前一项极为紧迫的任务。在保证原有清扫效率不变的情况下，风机的功率由原来的75 kW降低到55 kW，风量由34 052 m³/h降低为21 466 m³/h，节能约36.6%，减少了环境污染，积极响应了国家节能减排的号召。

本研究针对清扫车的风道进行有限元仿真研究，为清扫车的设计提供了理论支持。通过优化前后的对比，在风机的作业效率不变情况下，能耗降低了约36.6%。依据流体仿真分析出数据，设计出的风道风机利用率高，产生的空气阻力小。为开发新型道路清扫车提供了新的理论和方法支持。