电动扫雪器的性能分析与结构优化

冯泽 赵一凡 姬晓利

摘 要：对自主研制的扫雪器，首先分析雪颗粒在集雪器螺旋叶片上的运动规律，通过理论与试验结合的方法研究雪颗粒在螺旋叶片上的运动速度；再次分析了雪颗粒在进入离心风机叶轮前后的速度情况，获得风机叶片出口角对抛雪距离的影响。优化螺旋叶片结构参数，避免扫雪器堵塞；研究集雪器和离心风机的除雪性能，为合理选择前进速度与除雪厚度提供技术支持。

关键词：螺旋叶片；离心风机；叶轮；结构；性能

中图分类号：U418.326 文献标识码：A 文章编号：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

在刚刚过去的一年，冬季大规模降雪时有发生，在东北地区和长江流域附近尤为明显。因积雪导致的交通事故给人们的生活带来极大困扰。目前世界上通过机械除雪的主要方式是螺旋抛扬式，在一些北欧国家，其研制的大型螺旋式除雪机械最大除雪宽度为2.6m，单次行进最大清雪厚度为1.8m，抛雪距离最远为50m左右[1-4]。针对我国近20年冬季降雪情况，我们研制了小型电动扫雪器，使其达到除雪宽度2m，单次行进最大除雪厚度0.5m，抛雪距离最远为10m的目标。它是一种安全可靠、自动化程度较高、无污染的新型除雪机械。为了保證其具备优越的除雪性能，分析雪颗粒在现有设备中的运动规律，研究除雪性能优化设备结构。

扫雪器由抛雪离心风机、螺旋集雪器和抛雪筒组成，安装于承载车辆前端。图1所示为扫雪器。集雪器主要用于收集积雪并将积雪从两端输送至离心风机入口前。离心风机内部叶轮高速旋转，其内部压强小于外部，积雪进入离心风机，在高速旋转的叶片中，雪颗粒在离心力的作用下进入抛雪筒并被抛出[5]。

1 集雪器集拢速度分析

集雪器由推雪挡板、螺旋叶片、螺旋轴和轴承等组成。随承载车辆前行，积雪进入集雪器，被螺旋叶片旋切，螺旋叶片为两组不同旋向的单头螺旋，两组叶片对称分布，当两组叶片同时旋转时，积雪由两侧向中间集拢。图2所示为一侧集雪器结构示意图。

螺旋叶片是集雪器的主要执行元件，因积雪具有一定的粘性，使用带式螺旋叶片加强叶片对积雪的切削能力[6]。螺旋叶片的主要结构参数有：叶片外径D=0.5m，螺旋轴直径=0.1m，叶片厚度t=1mm，螺距s=1.6m，螺旋长度l=2m，螺旋升角α=36°。

螺旋叶片旋转时，集雪器中雪颗粒的运动是复杂的，它既不是单纯的随螺旋叶片做圆周运动，也不是一味地沿着轴向前进。以螺旋叶片上某一雪颗粒为研究对象，它既受到来自螺旋叶片的法向推力FN，方向为沿螺旋线法线方向；同时也受到积雪与叶片间的摩擦力Fτ，方向为沿螺旋线切向[7]。图3所示为雪颗粒受力分析。

其合力为F，F的方向与螺旋线法线之间的夹角为雪颗粒与叶片的摩擦角ψ。在合力的作用下，雪颗粒在螺旋叶片上做复合运动，既有径向速度VC，也有轴向速度VS，其合成速度为V。由摩擦系数？滋=tan？渍，tan？琢=， 可知

VC=· （1）

VS=· （2）

式中：

s-螺旋叶片螺距，m；

n-螺旋叶片转速，r/min；

R-叶片上雪颗粒所在位置的半径，m。

由式（1）、（2）可知，雪颗粒在螺旋叶片上的径向速度和轴向速度与叶片转速、螺距等参数有关。选取叶片转速为100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min，螺距为0～4m时，通过试验研究雪颗粒在螺旋叶片上的速度情况。图4所示为雪颗粒速度与叶片转速、螺距关系曲线。

图中线条由下向上分别代表转速由100r/min向500r/min增大，黑色曲线表示轴向速度，橙色曲线表示径向速度，随螺距增加，雪颗粒径向速度也增加；而轴向速度随螺距的增加呈抛物线状，只有在1.2～1.8m的范围内雪颗粒能获得较高的速度。而只有当雪颗粒的轴向速度大于径向速度时，积雪才能快速有效地向中间集拢。因此从试验结果看出螺距为1.4m，转速为500r/min时，雪颗粒轴向速度与径向速度差值最大，积雪能够快速地向集雪器中间集拢。

2 离心风机抛雪距离分析

积雪经过集雪器的旋切和集拢后进入离心风机叶轮，在高速旋转的叶轮中，雪颗粒依靠离心力获得了很大的加速度，并被甩向蜗壳区域，积雪沿着蜗壳进入抛雪筒最终被抛出。离心风机由蜗壳、叶轮组成，通过焊接的方式与抛雪筒相连，图5所示为蜗壳与叶轮结构示意图。离心风机的主要执行构件是叶轮中的风机叶片，叶轮由叶轮轴、叶片、前盖、后盘组成[8]。叶轮的主要结构参数：叶轮外径D=300mm、叶片起始直径d=200mm、叶片出口角β=40°、叶片个数z=12。

雪颗粒在叶轮内的运动较为复杂，可以把它看成沿叶片的径向运动和随叶片旋转的圆周运动相叠加[9，10]，图6所示为叶轮叶片上雪颗粒运动形式。

图6中，V0为雪颗粒进入离心风机叶轮时的速度；V1为雪颗粒进入离心风机蜗壳时的速度，即雪颗粒离开离心风机叶轮时的速度；V0γ、V1γ和V0τ、V1τ分别为V0和V1的径向分速度和沿叶轮圆周方向的切向分速度；R0和R1为速度V0和V1处到叶轮中心的半径；φ0和φ1分别为V0和V1与其切向分速度间的夹角；ωf为叶轮旋转时的角速度。

雪颗粒离开叶轮进入蜗壳区域时，雪颗粒的绝对速度就是叶片端部雪颗粒的圆周速度，认为V1=V1τ。雪颗粒进入蜗壳后，沿着其横截面增大的方向运动，到达蜗壳出口的速度为V2，到达抛雪筒出口的速度为V3。

V2=γ·V1 （3）

V3=[V22-2gH0（1+？鬃0）] （4）

式中：

γ-衰减因子，通常γ=0.91。

H0-抛雪筒出口与离心风机叶轮轴线的垂直距离，m；

ψ0-雪在抛雪筒中因碰撞和冲击产生的能量系数，取ψ0=0.3。

雪颗粒经过抛雪筒出口的速度决定扫雪器的抛雪距离，以抛雪筒出口为起点，在不考虑风力因素的条件下，分析雪颗粒抛出后的轨迹[11]，如图7所示。

图7中，以三维坐标系为基准，原点表示抛雪筒出口，β表示叶片出口角，以原点作为抛雪筒出口点，按照牛顿第二定律计算抛雪距离有

已知雪颗粒经过抛雪筒出口的瞬间，t=0，x0=y0=0，=V3cos？茁，=V3sin？茁，另外还可知当雪颗粒落地后，可知y=0，带入式（5），可得

t= （6）

将式t带入式（5），得到扫雪器抛雪距离

x= （7）

通过式（7）得到抛雪距离与叶轮叶片出口角的关系，图8所示为其关系曲线。从图8中可以看到曲线的前半段增加较快在30°至50°的范围内抛雪距离在10m以上。因此原设计中叶片出口角β=40°，能够达到除雪目标要求。

3 扫雪器除雪性能分析

扫雪器的除雪性能表现为单位时间内清除积雪的体积[11，12]，分别研究通过集雪器中和离心风机中的积雪流量。集雪器中除雪量为

式中：

s-螺旋叶片螺距，m；

n-螺旋叶片转速，r/min；

δ-集雪器中叶片外缘与推雪铲间缝隙，取δ=0.002m；

Kd-雪的填充系数，取Kd=0.93。

雪颗粒通过离心风机蜗壳进入抛雪筒，即认为积雪顺利通过，计算进入抛雪筒中雪的体积就能得到通过离心风机的积雪流量。离心风机除雪量QP为

Qp=V2·R·B （9）

式中：

R-抛雪筒的长度，m；

B-抛雪筒的宽度，m；

V2-雪颗粒经过离心风机蜗壳出口时的速度，m/s。

若扫雪器正常工作，则需避免内部发生堵塞现象，那么要保证单位时间内通过离心风机的积雪流量大于通过集雪器的積雪流量，则有QP>QS，得到当螺距s<1.5m时，积雪顺利通过集雪器和离心风机且不会在其中任意位置发生堵塞。

而为保证扫雪器能按目标要求完成除雪任务，进行了多次试验后，确定了承载车辆前进速度与除雪厚度之间的关系，图9所示为其关系曲线。

4 结束语

理论分析螺旋叶片上雪颗粒运动的轴向速度，通过试验确定了螺旋叶片螺距在1.2～1.8m的范围内雪颗粒轴向速度较大，积雪能够快速地向集雪器中间集拢。分析雪颗粒在离心风机叶轮内和离开风机蜗壳时速度情况，获得风机叶片出口角在30°至50°的范围内抛雪距离超过10m。试验研究集雪器和离心风机的除雪量，得到在螺旋叶片螺距小于1.5m时，积雪通过集雪器和离心风机且不会在其中发生堵塞。综上所述，可知我校所设计的扫雪器结构参数：螺旋叶片螺距s=1.4m，离心风机叶片出口角β=40°时较为合理能够顺利完成除雪目标。

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