王立林 王月岭 邢广佩 颜承敏

WANG Li-lin et al

一种抑尘车风机液压驱动结构的优化设计

王立林 王月岭 邢广佩 颜承敏

WANG Li-lin et al

中通汽车工业集团有限责任公司 山东聊城 252000

针对抑尘车风机驱动经常出现扭断动力输送轴现象，设计了新的传动方案，即通过加装超越离合器装置，彻底解决了风机叶片动力输出轴扭断的问题，从而提高了风机的使用寿命。

抑尘车 风机风扇组件 超越离合器 动力输出轴

1 前言

随着我国经济的快速发展，工业化进程加速，私家车已经走进普通家庭，随之而来的工业气体排放、汽车尾气排放越来越严重，特别是在我国京津冀鲁豫等地区，冬季雾霾严重威胁了人们的衣食住行等正常的生活。国家也出台了节能减排的相应政策，为积极响应国家号召，笔者研发了一款治理粉尘、雾霾的产品——抑尘车。该车对空气中PM2.5和PM10具有良好的清除、抑制作用，可广泛应用于港口、火电、钢铁、煤炭、矿业、煤化工及市政降尘等行业，还可以用于辅助灭火、喷洒药液等领域。

2 抑尘车的工作原理

抑尘车风机的驱动形式一般为液压驱动或电机驱动，本文仅针对液压驱动的风机进行分析研究。全液压多功能抑尘车的工作原理为：底盘取力器通过传动轴驱动双联泵，在液压油箱、过滤器、换向阀、液压胶管等组成的液压系统中分为两路，其中一路大排量齿轮泵液系统驱动轴流风机的风机输送轴，从而驱动风机叶片高速旋转，叶片产生的风能通过雾炮风筒口高速喷射出来；另一路小排量叶片泵液压系统驱动高压水泵，高压水泵形成的高压水通过高压水胶管被输送到雾炮风筒口的环形喷圈处，环形喷圈上安装了数十个雾化喷嘴，高压水经过雾化喷嘴雾化形成极细小的小液滴。在雾炮风筒出口处，两者相遇混合并形成水雾气场流，水雾颗粒不断吸附空气中的粉尘颗粒，最终在自身重力作用下下沉，快速有效地降低大气粉尘污染源，从而遏制雾霾的产生。根据发动机功率的大小，其最大有效射程可达120 m，有效覆盖范围达4万m2以上，其工作原理图如图1，液压原理如图2所示。

图 1 抑尘车工作原理图

3 传统风机驱动结构

表1 轴的常用材料及其主要力学性能

表2 几种常用轴材料的τ及A值

图2 抑尘车液压原理图

图3 传统风机驱动结构

传统的风机驱动结构如图3所示。该驱动装置由底座、轴承座、液压马达、联轴器、平键2、风机输送轴、平键1、风扇叶片组成。其中底座是载体，液压马达安装在底座的右侧，轴承座安装在底座的左侧，风机输送轴安装在轴承座内部，输送轴的左侧轴头装有风机叶片组件，右侧轴头与联轴器相配合，风扇叶片与风机输送轴左侧相配合处装有平键1，联轴器与风机轴右侧相配合处装有平键2。动力传递时，液压齿轮泵把机械能转化为液压能，通过液压能驱动液压马达，液压马达将液压能转化为机械能驱动联轴器旋转，联轴器通过平键2把动力传递给风机输送轴，同理输送轴通过平键1把动力传递给风扇叶片，风扇叶片开始旋转。由于各个部件之间为刚性连接，所以马达的输出转速即为风扇的转速。

由机械设计手册查得，输送轴一般采用40Cr材质，调质处理。轴的常用材料及其主要力学性能如表1所示，轴材料的扭转许用应力参数如表2所示[1]。

3.1 输送轴设计

式中，d为轴端直径，mm；由表2查得，A的取值范围为112～97，因转速较高且单向旋转，故取较小值，A=97，查得输送轴材料的许用最小扭转剪应力[τ]=35 MPa；P为风机功率，实测P=37 kW；n为风机输送轴的额定转速，n=1 450 r/min。

由公式(1)计算可得，轴端直径d=28.56 mm。

考虑到轴端有键槽，轴颈应增大4%～5%；又考虑到冲击载荷，取轴的安全系数Ssp=1.5，最终取d=50 mm。根据机械设计手册及机械制图规则，最终设计的输送轴如图6所示。

图4 输送轴示意图

p

3.1.1 输送轴的扭转强度校核

轴的扭转强度校核公式为

式中，τmax为轴头截面的最大剪应力，T为输送轴头对应界面的扭矩，W为抗扭截面系数[2]。

t

轴的扭矩计算公式为

式中，T为轴头受到的扭矩，P为输送轴的传动功率[3]。

输送轴的抗扭截面系数计算公式为

式中，D为实心轴的截面直径，m。轴头的直径为0.05 m，带入计算得W=24.5×10-6m3；输送轴的传递功率为37 kW，额定

t转速为1450 r/min，带入公式(3)，计算得T=243.66 Nm。

3.1.2 雾炮风机实际工作情况

产品完成设计及试制，经过一段时间的性能试验，风机运行状态良好，未发现异常现象。但是当雾炮风机运行时间超过半年之后，时常出现风机输送轴扭断故障，风机输送轴的断裂情况如图5所示。

图5 风机输送轴断裂

3.1.3 故障原因分析

3.2 改进后的风机传动结构

针对该传动结构存在的问题，对其进行优化设计，采用单向超越离合器代替联轴器，结构如图6所示。超越离合器是一种特殊的机械离合器，在机械传动中由主从动部分相对运动速度变化或旋转方向的改变使其自动结合或脱开。驱动元件只能从单一方向使从动元件转动，如果驱动元件改变方向，从动元件就自动脱离不传递动力，故又称单向离合器或单向轴承[1]。其工作过程如下：当液压马达顺时针（面对轴头）旋转时，液压马达将动力传递给单向超越离合器，单向超越离合器通过平键2把动力传递给风机输送轴，最终驱动风机叶片旋转；当液压马达停止工作时，风机叶片由于惯性继续转动，通过平键1驱动风机输送轴旋转，风机驱动轴通过平键2驱动单向超越离合器转动，但此时的超越离合器为空转模式，类似自行车的惯性行走模式，由此即可消除瞬时扭矩对输送轴产生的冲击。

图 6 单向超越离合器结构示意图

4 结语

通过结构优化设计，利用单向超越离合器的性能特点消除了风扇叶片停机时产生的瞬时冲击，提高了风机的使用寿命。通过实际应用，该方案操作方便，经济实用，效果良好，具有较高的推广价值。

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3] 王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2000.

A Dust Suppression Hydraulic Drive Car Fan Structure Optimization Design

In order to solve the problem of power output shaft being twisted by the fan blade of the mist cannon truck, a new transmission scheme is proposed. By installing the overrunning clutch device,the problem is completely solved and the fan's life is improved.

mist cannon truck; fan assembly; overrunning clutch; power output shaft

王立林，男，1972生，工程师，主要从事专用车研究与改装工作。

U469.6+93.01

：A

1004-0226(2017)04-0087-03

2017-01-19