真空吸塵車氣路系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

蔡正軍

上海神舟汽車節(jié)能環(huán)保股份有限公司 上海市 200000

1 引言

真空吸塵車作為一種新型的吸灰塵、分離和運(yùn)輸為一體的高效除塵設(shè)備，是現(xiàn)代化發(fā)展的產(chǎn)物，更是繼公路清掃車和以及吸掃式清潔車之后的又一高效設(shè)備，該設(shè)備集結(jié)了前兩種清掃車的優(yōu)點(diǎn)，并主要由吸塵系統(tǒng)、集塵箱以及二次集塵箱所組成[1]。這種吸塵車氣路系統(tǒng)具有兩種較為核心的部件，這兩種核心部件更是在一定程度上決定著真空吸塵車的運(yùn)行和工作性能。

2 真空吸塵車

近年來，城市化進(jìn)程逐漸加快，為我國環(huán)保部門的發(fā)展帶來了新的研究課題，如何進(jìn)一步提升城市道路清潔水平，并減少人為工作量是具有一定研究意義的。真空吸塵車作為一種新型的機(jī)械除塵環(huán)衛(wèi)設(shè)備，其主要功能是將集沉粒吸起、分離和運(yùn)輸，并達(dá)到清潔和垃圾分離的目的[2]。因此，真空吸塵車具有較為廣闊的應(yīng)用前景，當(dāng)前的真空吸塵車主要應(yīng)用在我國公路以及市政道路和城市住宅區(qū)以及公園場地等大面積區(qū)域進(jìn)行機(jī)械的除塵作業(yè)，由于真空吸塵車主要是在貨車2類底盤的基礎(chǔ)上增加相關(guān)的裝置改裝而成的，其專用裝置主要以氣路系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)為主，若是按工作原理來區(qū)分主要分為吸掃式和吹吸式以及純吸式。吸掃式清潔車內(nèi)設(shè)有掃和相關(guān)的噴水裝置，其主要目的是負(fù)責(zé)高速公路以及城市道路方面的清潔工作，這種裝置的工作效率較高，但需要進(jìn)行較長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，否則會(huì)出現(xiàn)清潔效果不佳等情況的發(fā)生[3]。其次是吹吸式吸塵車，清潔車主要是利用空氣吹掃和負(fù)壓吸塵同步來收集灰塵，但這種方式很容易引起二次灰塵，因此，這種方式較少被應(yīng)用。最后是純吸式，這種方式有效的彌補(bǔ)了上一種方式所存在的不足，并采用一種絕無二次灰塵和工作效率較高的特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用，尤其是在機(jī)場范圍以及城市住宅區(qū)和公園廣場中更是具有較為明顯的應(yīng)用效果，更是逐漸成為了我國環(huán)保事業(yè)的研究熱點(diǎn)。

3 氣路系統(tǒng)的工作性質(zhì)

氣路系統(tǒng)作為真空吸塵車的重要核心部分，其工作狀況在一定程度上有效的決定著真空吸塵車的整體性能，由于氣路系統(tǒng)主要包括吸塵和除塵的兩大部分，由高壓離心式通風(fēng)機(jī)以及重力沉降室和吸塵口等部件進(jìn)行組成，根據(jù)進(jìn)行其動(dòng)力提供的形式主要可以分為單發(fā)動(dòng)機(jī)和雙發(fā)動(dòng)機(jī)兩種方式。

在真空吸塵車進(jìn)行作業(yè)的過程中，其中的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)為高壓離心式通風(fēng)機(jī)提供一定的動(dòng)力，使得整個(gè)風(fēng)機(jī)呈現(xiàn)出高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，并在吸塵口處形成較高的負(fù)壓和氣流，地面的塵粒會(huì)被氣流進(jìn)行吸附，在與空氣混合后通過吸塵口以及吸塵管道并最終被吸入重力沉降室，真空吸塵車內(nèi)部具有較大的容積以及較大的顆粒，在經(jīng)過第一次除灰過后會(huì)促使氣體進(jìn)入后繼除塵器，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次除塵，在經(jīng)過二次除塵后，使得干凈的空氣可以在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處排出[4]。

4 真空吸塵車氣路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

由于吸塵系統(tǒng)以及重力沉降室主要是位于真空吸塵車氣路系統(tǒng)中的前段，其工作原理是借助風(fēng)機(jī)在吸塵口的位置形成負(fù)壓以及一定速度的氣流，從而使得負(fù)壓和氣流可以將地面的灰塵進(jìn)行有效的吸起，從而將帶有灰塵的空氣一同送到除塵系統(tǒng)中。在這過程中的吸塵系統(tǒng)以及重力沉降室都在整個(gè)真空吸塵車運(yùn)作的過程中體現(xiàn)了其價(jià)值，為了更好的了解兩個(gè)部件的實(shí)際工作原理，并設(shè)計(jì)出合理的吸塵口和重力沉降室是具有一定現(xiàn)實(shí)意義的[5]。因此，此次研究主要對真空吸塵車的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中對于吸塵口的設(shè)計(jì)主要分為以下幾點(diǎn)，首先是對吸塵口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其原則以及相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了解，其次，對吸塵口進(jìn)行了仿真分析，通過建模來進(jìn)行的對其進(jìn)行仿真分析的實(shí)驗(yàn)。在對重力沉降室進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中首先是對其機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了計(jì)算[6]。其次是對重力沉降室主要的性能指標(biāo)的除塵效率以及壓力損失進(jìn)行了分析，最后通過物理模型的建立來對重力沉降室進(jìn)行了相關(guān)的仿真分析。

4.2 吸塵口設(shè)計(jì)

由于真空吸塵車的吸塵口與以往傳統(tǒng)形式的吸塵口從理論上來講是相似的，但在不同的使用條件下，真空吸塵車的吸塵口設(shè)計(jì)卻比以往的吸塵口設(shè)計(jì)跟為嚴(yán)格，并主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，首先是真空吸塵車的吸塵口需要符合空間的布置，有真空吸塵車的整體結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，且所能提供的布置空間較為有限，在這一情況下，吸塵口的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸會(huì)受到一定程度上的變化，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足空間上的要求[7]。其次，需要滿足性能上的要求，由于真空吸塵車會(huì)根據(jù)不同的工作情況來運(yùn)行，在進(jìn)行吸塵口設(shè)計(jì)的過程中，要考慮并了解吸塵車的實(shí)際工作性能。最后，需要在進(jìn)行吸塵口設(shè)計(jì)的過程中保證具有較少的能量損失，有攜帶塵粒的混合氣體會(huì)在空氣中進(jìn)行流動(dòng)，氣流速度與地面塵粒揚(yáng)塵的作用成正比，因此，為了進(jìn)一步提升真空吸塵車的適應(yīng)性，需要形成較高的氣流。在對其進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要對內(nèi)部進(jìn)行壓力損失的計(jì)算，考慮到吸塵口的結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，若想精確的計(jì)算出壓力損失可能具有較大的難度[8]。因此，此次研究主要將吸塵口進(jìn)行簡化并形成兩種接近于預(yù)算的方式進(jìn)來計(jì)算局部壓力造成的損失：

首先為吸塵口段，并簡化為壓縮管如圖1所示：

漸縮管局部損失系數(shù)可以按以下方式計(jì)算：§1=（-0.0134n4+0.0245n3-0.00766n2+0.00444n-0.00636）（a3-2a2-10a）

其中的n為吸塵口收縮度，a為吸塵口收縮角。

進(jìn)行吸塵口結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的為進(jìn)一步提升吸塵風(fēng)速的均勻性，并在此基礎(chǔ)上有效的減少局部壓力損失，以此來進(jìn)一步提升其吸塵效率。在對吸塵口進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定相關(guān)的參數(shù)，其中的氣流量為Q，吸塵寬度為L，最小平均風(fēng)速為Va，彎角半徑為R，底盤高度為h，在吸塵口工作時(shí)，會(huì)造成內(nèi)部的負(fù)壓以及四周的縫隙吸收外界的空氣，并將灰塵帶到集塵系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)清掃效果。但由于縫隙存在的壓力會(huì)使得整個(gè)壓力、流量以及速度的實(shí)際情況處于未知狀態(tài)，特別是在內(nèi)外環(huán)境的分界面，氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)處于較為復(fù)雜的效果，若是假設(shè)吸塵口外部處于不受影響的狀態(tài)，便能有效的避開入口的困難條件，這樣也能有利于進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。在經(jīng)過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析后得出吸塵口的內(nèi)部氣流流量和流速的情況如表1所示：

圖1 簡化結(jié)構(gòu)

4.3 重力沉降室設(shè)計(jì)

重力沉降室設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)較為簡單，且具有較小的阻力，在這一情況下運(yùn)行更能收到較小的阻力，并提升運(yùn)行維護(hù)的效率，這一現(xiàn)狀的優(yōu)點(diǎn)更是被當(dāng)做為一級除塵。由于重力除塵設(shè)計(jì)主要是通過重力的作用有效的抽離進(jìn)行粉塵顆粒，并在此基礎(chǔ)上將流動(dòng)中的氣流導(dǎo)入沉降室中，再通過重力的作用將顆粒進(jìn)行有效分離，以此來實(shí)現(xiàn)清潔工作，在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，對其機(jī)理進(jìn)行分析，在除塵技術(shù)中，由于實(shí)際的含塵氣流中有大小不一的顆粒存在，主要體現(xiàn)在大顆粒的沉降速度較快，小顆粒的沉降速度較慢，大小不同的顆粒在整個(gè)寬度的方向上進(jìn)行分層的沉降，在進(jìn)行沉降設(shè)計(jì)之前，需要考慮到影響沉降因素，首先是空間結(jié)構(gòu)會(huì)對其產(chǎn)生一定的影響因素，由于真空吸塵車的重力沉降主要是安裝在車輛的底盤，且會(huì)受到實(shí)際尺寸的影響，因此，在設(shè)計(jì)的過程中需要盡可能的減少高度，并在此技術(shù)上增加長度，從而提升除塵效果。其次是沉降室內(nèi)氣流速度，在這過程中需要防止氣流流速過高出現(xiàn)二次揚(yáng)塵，對于一些密度較小的顆粒需要進(jìn)行保持較小的漏洞速度，對于一些密度較大的灰塵可以采用較高的流動(dòng)速度，其主要如表2所示：

重力沉降的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要分為以下幾種，首先是結(jié)構(gòu)尺寸的變動(dòng)范圍較小，由于真空吸塵車重力沉降主要是加設(shè)在車輛底盤，實(shí)際的變動(dòng)范圍較小，不能進(jìn)行無線的增大，在進(jìn)行布置的過程中，需要盡可能的節(jié)約空間，并對長款增強(qiáng)，其次，由于沉降的高度處于不同變化的狀態(tài)，在進(jìn)行除塵作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)沉降的有效高度進(jìn)行確認(rèn)[9]。最后，由于氣流的流速具有較低的要求，且容易造成二次揚(yáng)塵，這就需要保證重力沉降內(nèi)的流速低于以往的重力沉降室。

4.4 優(yōu)化結(jié)果

通過對除塵口的相關(guān)優(yōu)化分析后得知，當(dāng)前除塵口中的進(jìn)風(fēng)口的實(shí)際平均值為103827.73pa，出風(fēng)口的全壓平均值為101183.73pa，出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的氣流流動(dòng)差為所損失的壓力，根據(jù)上述公式計(jì)算中可以得出，在進(jìn)行優(yōu)化后的吸塵口局部壓力損失計(jì)算中忽略了吸塵口局部壓力損失計(jì)算為156.82pa，主要考慮到在進(jìn)行計(jì)算的過程中可能忽略塵口處的影響和相關(guān)的壓力損失，從而發(fā)現(xiàn)理論與仿真數(shù)據(jù)可以達(dá)到較好的吻合，也能有效的反映出現(xiàn)場的實(shí)際狀況。其次，對于重力沉降的仿真實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)高速氣流出現(xiàn)在輸氣管的出口處前半部分時(shí)，其面積會(huì)出現(xiàn)明顯的減少，在這過程中的高速氣流的垂直位置較高[10]。并統(tǒng)一集中在沉降室頂部，沉降室內(nèi)部并沒有較為明顯的大渦流區(qū)，且氣流的方向一致，在這種情況下有助于灰塵的沉降和分離，當(dāng)沉降室處于垂直高度的狀態(tài)時(shí)，氣流的實(shí)際前進(jìn)速度較為均勻，且具有較快的下降速度，更加有利于分離沉降，主要考慮到在進(jìn)行計(jì)算的過程中可能忽略一些的影響和相關(guān)的壓力損失，從而發(fā)現(xiàn)理論與仿真數(shù)據(jù)可以達(dá)到較好的吻合，也能有效的反映出現(xiàn)場的實(shí)際狀況[11]。

表1

表2 塵粒飛揚(yáng)速度表

5 結(jié)語

總而言之，當(dāng)前影響我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的三個(gè)重要因素分別是人口、環(huán)境及資源。其中環(huán)境作為最為緊迫解決的問題更是需要受到更多的關(guān)注，特別是隨著城市化進(jìn)程逐漸加快，真空吸塵車作為道路清潔的主力軍更是在這一過程中扮演著重要的作用。因此，為了進(jìn)一步發(fā)揮出真空吸塵車的主要作用，并加強(qiáng)城市道路的清潔水平，便要系統(tǒng)了解真空吸塵車的主要工作原理，并對真空吸塵車的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，這樣才能為我國環(huán)境保護(hù)提供更多的技術(shù)支持。