履帶式自走風(fēng)力滅火機(jī)離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與建模仿真

馬 巖，張明松，孫 奇，楊春梅

(東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，哈爾濱 150040)

森林火災(zāi)的撲救，是一項(xiàng)非常特殊的工作，這是因?yàn)樯值闹脖弧⒌匦螐?fù)雜而且火場火勢隨風(fēng)多變，滅火隊(duì)員們經(jīng)常在非常危險(xiǎn)的工作環(huán)境下工作[1-5]。風(fēng)力滅火機(jī)是目前最常用的森林滅火機(jī)械，它在撲滅森林草原火災(zāi)時(shí)具有較好滅火效果。但怎樣提高其的滅火效率和滅火速度是一個(gè)非常重要而且困難的問題，而解決問題的方法有：完善已有滅火機(jī)械性能；研究和開發(fā)性能高而且即輕巧又便捷的滅火機(jī)械、以及實(shí)現(xiàn)自走機(jī)械的設(shè)計(jì)。目前我國的森林火災(zāi)情況不利于大型滅火機(jī)械的運(yùn)輸和工作，因此，體積小，工作效率高的風(fēng)力滅火機(jī)的設(shè)計(jì)迫在眉睫。而提高滅火的工作效率，風(fēng)力滅火機(jī)的風(fēng)機(jī)很關(guān)鍵。履帶自走式風(fēng)力滅火機(jī)采用的離心式風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)具有通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊和低功率消耗等優(yōu)點(diǎn)。

1 離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 離心風(fēng)機(jī)的基本方程

進(jìn)入葉輪內(nèi)的空氣的絕對速度c可近似計(jì)算為空氣相對速度ω與牽連速度μ的向量值相加。牽連速度μ和絕對速度c之間的夾角用α表示，相對速度ω和牽連速度μ之間的夾角用β表示，1為入口，2為出口。

圖1 葉片進(jìn)口及出口速度圖

本設(shè)計(jì)中為方便計(jì)算，認(rèn)為空氣是不可壓縮氣體，將復(fù)雜的氣體流動(dòng)過程簡化為一元流動(dòng)，推理出如下假設(shè)[6-8]：

(1)當(dāng)氣體在風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)流動(dòng)時(shí)，不會(huì)因?yàn)槟Σ恋纫蛩卦斐赡芰繐p失，風(fēng)機(jī)葉輪在氣體上所做的功能夠完全轉(zhuǎn)化為氣體的流動(dòng)能量。

(2)氣體在風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)流動(dòng)時(shí)，能夠完全按照葉片曲線方向流動(dòng)。

(3)在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)時(shí)，氣體在其內(nèi)部的流動(dòng)情況也是相同的。不會(huì)因?yàn)槿~片曲線方向的改變而發(fā)生速度的變化。

在以上假設(shè)成立的前提下，可以認(rèn)定以下方程成立：

PT∞=ρ(μ2c2u-μ1c1u)(N/m2)。

(1)

式中：PT∞為葉片無窮多時(shí)的理論壓力；ρ為空氣密度；μ2為葉輪出口處的牽連速度；c2u為出風(fēng)口處的空氣絕對速度分量；μ1為葉輪進(jìn)口處的牽連速度；c1u進(jìn)風(fēng)口處的空氣絕對速度分量。

該方程是葉輪機(jī)械的最基本歐拉公式，葉輪入口處的相關(guān)參數(shù)為α1=90°，c1=c1r，c1u=0。代入公式(1)可得：

PT∞=ρμ2c2u(N/m2)。

(2)

1.2 風(fēng)機(jī)模型的計(jì)算

本文采用6MF-28型風(fēng)力滅火機(jī)的風(fēng)機(jī)部分進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，計(jì)算開始前假設(shè)氣體是理想氣體，氣體流動(dòng)是恒定、不可壓縮的且忽略粘性的影響。風(fēng)量Q=0.5m3/min，風(fēng)量是指氣體在單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)機(jī)內(nèi)部的體積，單位m3/s。

容積流量與重量流量之間的關(guān)系為：

G=rQ/g。

(3)

式中：G為重量流量，kg/s；Q為容積流量；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；r為氣體的重度，N/m3。

當(dāng)大氣壓為101.3kPa(760mmHg)，溫度為20℃，相對濕度50%的標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)時(shí)，空氣重度r=11.77N/m3[9]。

所改造風(fēng)機(jī)經(jīng)由帶輪裝置增速后，轉(zhuǎn)速由原來的6 000 r/min，改變?yōu)? 646 r/min。風(fēng)機(jī)增速后的空氣流量Q2=7 646/6 000m3/s=0.64m3/s，單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)機(jī)內(nèi)部的空氣重量：

M=Qr。

(4)

由公式(4)得出：M=0.64×11.77=7.5 N。

風(fēng)機(jī)工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

Tz=MR。

(5)

根據(jù)R=179 mm=0.179 m，得出Tz=7.5×0.179=1.3 425 N·m。

輸出轉(zhuǎn)矩：

T=9 550P∶n。

(6)

式中：P為功率;n為轉(zhuǎn)速。

由公式(6)得出T=9 550P∶n=7.87 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率經(jīng)由帶輪增速后功率損失達(dá)到P1=P×0.9=6.3 kW。帶傳動(dòng)效率見表1。

表1 帶傳動(dòng)的效率

動(dòng)力輸出裝置帶動(dòng)工作機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于動(dòng)力輸出裝置的輸出轉(zhuǎn)矩和N、Tε、T1。

當(dāng)Tε>T1時(shí)，dw/dt>0，系統(tǒng)處于加速狀態(tài)。

當(dāng)Tε

當(dāng)Tε≠T1時(shí)，dw/dt≠0，系統(tǒng)處于變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(動(dòng)態(tài))。

當(dāng)Tε=T1時(shí)，dw/dt=0，系統(tǒng)處于定速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))。

本文中的風(fēng)機(jī)動(dòng)力輸出裝置的輸出轉(zhuǎn)矩是由汽油機(jī)提供，工作初始汽油機(jī)提供是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩處于逐步提升的狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也處在上升趨勢。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩上升到恒定值時(shí)，也就是說，汽油機(jī)在工作平穩(wěn)工況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是近似恒定值(不考慮傳動(dòng)系統(tǒng)失效)。就本文來說，工作初始時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩從0加速到7.87 N·m，在此過程中風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步增加，當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到7.87 N·m后轉(zhuǎn)速恒定，到達(dá)穩(wěn)速工作狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐步將到0時(shí)，轉(zhuǎn)速也逐步將到0，最終達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)[10]。

2 建模及仿真

在多部件仿真模擬中，多采用三維建模軟件進(jìn)行前期建模，后導(dǎo)入到ADAMS分析軟件中進(jìn)行分析。

2.1 三維實(shí)體模型的建立

利用Solidworks軟件建立離心風(fēng)機(jī)的三維模型。特征是各種單獨(dú)的加工形狀，當(dāng)將他們組合起來是就形成了各種零件。而選擇特征類型、定義特征屬性、安排特征建立順序是利用Solidworks軟件生成零件的過程[11]。針對不同的零件和成型加工方式，Solidworks軟件提供了基于特征的實(shí)體建模功能，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、特征抽殼、特征陣列、特征鏡像以及打孔等操作來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)[12-17]。利用這些主要設(shè)計(jì)功能和輔助設(shè)計(jì)功能，不僅可以直觀形象的表現(xiàn)出想要設(shè)計(jì)的零部件，更主要的是，能夠縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。為了快速且準(zhǔn)確地建立三維模型，首先要分析零件的結(jié)構(gòu)特征及成型方式，掌握各個(gè)特征間的關(guān)系及成型順序。最后，按實(shí)體成型順序，利用Solidworks軟件中三維實(shí)體建模模塊及其相應(yīng)的特征和輔助設(shè)計(jì)建立所需要的三維模型[6]。

根據(jù)履帶式風(fēng)力滅火機(jī)離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)尺寸參數(shù)，便可以完成離心風(fēng)機(jī)的三維模型的建立，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)

2.2 ADAMS分析

將離心風(fēng)機(jī)視為三維模型，導(dǎo)入ADAMS中的方法[14]：

(1)先將Solidworks文件另存為parasolid格式。

(2)把文件擴(kuò)展名.x_t改成.xmt_txt，solidworks2007版本以上不用這一步。

(3)在ADAMS軟件正常運(yùn)行條件下，通過import選擇文件的類型，若是組件則選modlename，若是零件則選partname，選擇完類型后還需要選create，完成這兩步就能改名字。

(4)在ADAMS中導(dǎo)入后的圖形會(huì)成為具有很多線的狀態(tài)，要想變成實(shí)體狀態(tài)，可點(diǎn)左側(cè)工具欄里的render鍵，即變?yōu)閷?shí)體。然后編輯各個(gè)零件的屬性，添加各種約束，進(jìn)行分析。

(5)按以下步驟建立仿真模型[18-19]：

①每個(gè)零件都要重命名并且定義其材料屬性，然后添加重力并模擬真實(shí)環(huán)境。

②準(zhǔn)確添加零件之間的約束關(guān)系。

③將驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩添加到動(dòng)力來源的零件上。

④利用ADAMS/VIEW自檢功能，檢查約束添加的是否正確。

本文設(shè)計(jì)中的約束有轉(zhuǎn)動(dòng)副和固定式兩種。并在旋轉(zhuǎn)式聯(lián)合關(guān)節(jié)上添加轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)作為該風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，ADAMS中的根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置增速后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速7 646 r/min，7 646 r/min=458 760 r/s，本次風(fēng)機(jī)模擬是加速度在6 s內(nèi)由0加速到7 646 r/min，也就是458 760 r/s，保持這個(gè)角速度持續(xù)7 s，然后再7 s內(nèi)降速到靜止。模擬出的角速度和角加速度曲線如果圖3和圖4所示。

圖3 風(fēng)機(jī)角速度曲線

圖4 風(fēng)機(jī)角加速度曲線

3 結(jié)束語

本文參考6MF-28型風(fēng)力滅火機(jī)的風(fēng)機(jī)并對其進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，并用Solidworks建模及ADAMS仿真。通過對仿真的結(jié)果進(jìn)行分析可知，改造后的離心風(fēng)機(jī)的速度提高到7 646 r/min，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也提高到7.87 N·m，進(jìn)而能實(shí)現(xiàn)提高滅火效率的目的。

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