履带式自走风力灭火机离心风机的设计与建模仿真

马 岩，张明松，孙 奇，杨春梅

(东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，哈尔滨 150040)

森林火灾的扑救，是一项非常特殊的工作，这是因为森林的植被、地形复杂而且火场火势随风多变，灭火队员们经常在非常危险的工作环境下工作[1-5]。风力灭火机是目前最常用的森林灭火机械，它在扑灭森林草原火灾时具有较好灭火效果。但怎样提高其的灭火效率和灭火速度是一个非常重要而且困难的问题，而解决问题的方法有：完善已有灭火机械性能；研究和开发性能高而且即轻巧又便捷的灭火机械、以及实现自走机械的设计。目前我国的森林火灾情况不利于大型灭火机械的运输和工作，因此，体积小，工作效率高的风力灭火机的设计迫在眉睫。而提高灭火的工作效率，风力灭火机的风机很关键。履带自走式风力灭火机采用的离心式风机，离心风机具有通用性强、结构紧凑和低功率消耗等优点。

1 离心风机的设计

1.1 离心风机的基本方程

进入叶轮内的空气的绝对速度c可近似计算为空气相对速度ω与牵连速度μ的向量值相加。牵连速度μ和绝对速度c之间的夹角用α表示，相对速度ω和牵连速度μ之间的夹角用β表示，1为入口，2为出口。

图1 叶片进口及出口速度图

本设计中为方便计算，认为空气是不可压缩气体，将复杂的气体流动过程简化为一元流动，推理出如下假设[6-8]：

(1)当气体在风机叶轮内流动时，不会因为摩擦等因素造成能量损失，风机叶轮在气体上所做的功能够完全转化为气体的流动能量。

(2)气体在风机叶轮内流动时，能够完全按照叶片曲线方向流动。

(3)在风机转速平稳时，气体在其内部的流动情况也是相同的。不会因为叶片曲线方向的改变而发生速度的变化。

在以上假设成立的前提下，可以认定以下方程成立：

PT∞=ρ(μ2c2u-μ1c1u)(N/m2)。

(1)

式中：PT∞为叶片无穷多时的理论压力；ρ为空气密度；μ2为叶轮出口处的牵连速度；c2u为出风口处的空气绝对速度分量；μ1为叶轮进口处的牵连速度；c1u进风口处的空气绝对速度分量。

该方程是叶轮机械的最基本欧拉公式，叶轮入口处的相关参数为α1=90°，c1=c1r，c1u=0。代入公式(1)可得：

PT∞=ρμ2c2u(N/m2)。

(2)

1.2 风机模型的计算

本文采用6MF-28型风力灭火机的风机部分进行改造设计，计算开始前假设气体是理想气体，气体流动是恒定、不可压缩的且忽略粘性的影响。风量Q=0.5m3/min，风量是指气体在单位时间内通过风机内部的体积，单位m3/s。

容积流量与重量流量之间的关系为：

G=rQ/g。

(3)

式中：G为重量流量，kg/s；Q为容积流量；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；r为气体的重度，N/m3。

当大气压为101.3kPa(760mmHg)，温度为20℃，相对湿度50%的标准空气状态时，空气重度r=11.77N/m3[9]。

所改造风机经由带轮装置增速后，转速由原来的6 000 r/min，改变为7 646 r/min。风机增速后的空气流量Q2=7 646/6 000m3/s=0.64m3/s，单位时间内通过风机内部的空气重量：

M=Qr。

(4)

由公式(4)得出：M=0.64×11.77=7.5 N。

风机工作时的负载转矩：

Tz=MR。

(5)

根据R=179 mm=0.179 m，得出Tz=7.5×0.179=1.3 425 N·m。

输出转矩：

T=9 550P∶n。

(6)

式中：P为功率;n为转速。

由公式(6)得出T=9 550P∶n=7.87 N·m，发动机的输出功率经由带轮增速后功率损失达到P1=P×0.9=6.3 kW。带传动效率见表1。

表1 带传动的效率

动力输出装置带动工作机械的传动系统的运动规律取决于动力输出装置的输出转矩和N、Tε、T1。

当Tε>T1时，dw/dt>0，系统处于加速状态。

当Tε

当Tε≠T1时，dw/dt≠0，系统处于变速运动状态(动态)。

当Tε=T1时，dw/dt=0，系统处于定速运动状态(稳态)。

本文中的风机动力输出装置的输出转矩是由汽油机提供，工作初始汽油机提供是驱动转矩处于逐步提升的状态，风机的旋转速度也处在上升趋势。当负载转矩上升到恒定值时，也就是说，汽油机在工作平稳工况下，风机转速是近似恒定值(不考虑传动系统失效)。就本文来说，工作初始时，驱动转矩从0加速到7.87 N·m，在此过程中风机的转速逐步增加，当驱动转矩达到7.87 N·m后转速恒定，到达稳速工作状态，当驱动转矩逐步将到0时，转速也逐步将到0，最终达到静止状态[10]。

2 建模及仿真

在多部件仿真模拟中，多采用三维建模软件进行前期建模，后导入到ADAMS分析软件中进行分析。

2.1 三维实体模型的建立

利用Solidworks软件建立离心风机的三维模型。特征是各种单独的加工形状，当将他们组合起来是就形成了各种零件。而选择特征类型、定义特征属性、安排特征建立顺序是利用Solidworks软件生成零件的过程[11]。针对不同的零件和成型加工方式，Solidworks软件提供了基于特征的实体建模功能，通过拉伸、旋转、薄壁特征、特征抽壳、特征阵列、特征镜像以及打孔等操作来实现产品的设计[12-17]。利用这些主要设计功能和辅助设计功能，不仅可以直观形象的表现出想要设计的零部件，更主要的是，能够缩短设计周期，提高设计效率。为了快速且准确地建立三维模型，首先要分析零件的结构特征及成型方式，掌握各个特征间的关系及成型顺序。最后，按实体成型顺序，利用Solidworks软件中三维实体建模模块及其相应的特征和辅助设计建立所需要的三维模型[6]。

根据履带式风力灭火机离心风机的结构特点和相关尺寸参数，便可以完成离心风机的三维模型的建立，如图2所示。

图2 风机

2.2 ADAMS分析

将离心风机视为三维模型，导入ADAMS中的方法[14]：

(1)先将Solidworks文件另存为parasolid格式。

(2)把文件扩展名.x_t改成.xmt_txt，solidworks2007版本以上不用这一步。

(3)在ADAMS软件正常运行条件下，通过import选择文件的类型，若是组件则选modlename，若是零件则选partname，选择完类型后还需要选create，完成这两步就能改名字。

(4)在ADAMS中导入后的图形会成为具有很多线的状态，要想变成实体状态，可点左侧工具栏里的render键，即变为实体。然后编辑各个零件的属性，添加各种约束，进行分析。

(5)按以下步骤建立仿真模型[18-19]：

①每个零件都要重命名并且定义其材料属性，然后添加重力并模拟真实环境。

②准确添加零件之间的约束关系。

③将驱动力或驱动力矩添加到动力来源的零件上。

④利用ADAMS/VIEW自检功能，检查约束添加的是否正确。

本文设计中的约束有转动副和固定式两种。并在旋转式联合关节上添加转动关节运动作为该风机的驱动，ADAMS中的根据驱动装置增速后风机转速7 646 r/min，7 646 r/min=458 760 r/s，本次风机模拟是加速度在6 s内由0加速到7 646 r/min，也就是458 760 r/s，保持这个角速度持续7 s，然后再7 s内降速到静止。模拟出的角速度和角加速度曲线如果图3和图4所示。

图3 风机角速度曲线

图4 风机角加速度曲线

3 结束语

本文参考6MF-28型风力灭火机的风机并对其进行改造设计，并用Solidworks建模及ADAMS仿真。通过对仿真的结果进行分析可知，改造后的离心风机的速度提高到7 646 r/min，相应的转矩也提高到7.87 N·m，进而能实现提高灭火效率的目的。

【参 考 文 献】

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