振吸式透水路面養(yǎng)護(hù)車的研究

張耀

摘要：本文揭示了震動加吸塵雙作用清理透水路面灰塵及顆粒物的原理，解決了海綿道路透水縫隙內(nèi)堵塞物清理的課題。提供了透水路面養(yǎng)護(hù)車的實驗?zāi)Ｐ蛙嚨慕Y(jié)構(gòu)框架及初試情景，為透水路面清理機(jī)械的開發(fā)提供了思路。

Abstract： In this paper， the principle of cleaning up dust and particles on the permeable road surface with dual action of vibration and dust suction is revealed， and the problem of cleaning up the blockage in the permeable gap of the sponge road is solved. The structure frame and preliminary test scenario of the experimental model of permeable pavement main tenance vehicle are provided， which provides ideas for the development of permeable pavement cleaning machinery.

關(guān)鍵詞：電磁振動輪;吸塵裝置;灰塵收集

Key words： electromagnetic vibration wheel;dust suction equipment;dust collection

中圖分類號：U414;U416.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0207-02

0? 引言

為了改善城市空氣環(huán)境，我國近幾年海綿道路鋪設(shè)量大幅度增加，但是隨著時間的增加，灰塵顆粒物堵塞海綿路面毛細(xì)孔使透水效果降低。據(jù)國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)，5年以上的海綿道路如不清理，透水率將減少90%。所以清理海綿路面凹坑及縫隙內(nèi)的灰塵顆粒物是一項亟待解決的課題。目前我國廣泛采用以高壓水沖洗及吸塵方式清理海綿道路，上述兩種方式各有利弊。高壓水沖洗能徹底清理海綿道路的凹坑及表面顆粒物給人一個良好的視角效果，但是細(xì)小的泥沙更容易隨水流進(jìn)入滲水縫隙中而造成堵塞，并且成本較高。采用吸塵方式清理海綿道路，可有效地將浮游在海綿路面凹坑及縫隙中淺層的灰塵顆粒物吸出，設(shè)備成本低，耗能少應(yīng)用價值較高。但是有些鑲嵌在凹坑及縫隙中的顆粒物，由于氣體只在地表面流動，單靠負(fù)壓氣流很難將其吸出。目前也有研究報到采用吹吸兩種方式清理海綿道路的原理，本課題根據(jù)其報道原理進(jìn)行了實驗，采用吹吸雙作用對單一吸塵方式清理效果取得了較大的提高，但對卡在凹槽（或縫隙）中的顆粒物還是不能吸出，并且吹氣（正壓）和吸氣（負(fù)壓）壓力很難匹配，特別是當(dāng)吹氣能量（正壓）較大時將部分灰塵吹出工作面造成污染，吹起壓力較小時作用于地面的氣流能量減少，除塵效果降低。本文根據(jù)上述分析提出了振動吸塵的清理原理，即先對地面施加激振，使鑲嵌的顆粒松動，呈懸浮狀態(tài)而后被負(fù)壓氣流帶走，經(jīng)過實驗證實具有較大的可行性。

1? 振動吸塵裝置的工作原理

振動吸塵裝置有電磁振動器、電磁振動輪、柔性圍擋、吸口等組成如圖1所示。振動吸塵裝置又稱振動吸盤，在吸盤的周圍固定有柔性擋板，擋板離地面有10毫米左右的間隙，是空氣進(jìn)入的通道，電磁吸盤內(nèi)部呈負(fù)壓區(qū)。在電磁吸盤內(nèi)部裝有電磁振動器將震動能量作用在振動輪輪，振動輪的后方是負(fù)壓吸氣口。

振動源由振動電磁鐵提供，其原理為電磁線圈由交流電經(jīng)二極管整流供電。當(dāng)線路接通后，正半周脈動直流電壓加在電磁線圈上，由于電磁鐵的作用，在振動體和機(jī)座之間產(chǎn)生脈沖電磁力，振動體被吸引，此時彈性系統(tǒng)貯存勢能，使振動體向相反的方向振動。這樣周而復(fù)始，振動體便以交流電的頻率往復(fù)振動。交流電有由車載發(fā)動機(jī)驅(qū)動的交流發(fā)電機(jī)提供，交流電通過控制器調(diào)節(jié)頻率，實現(xiàn)振動頻率的變化。激振總能量與振動電磁鐵銜鐵質(zhì)量、震動頻率、震動輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等因素有關(guān)，是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)。實驗證明通過改變震動頻率，獲得系統(tǒng)的共振點，這時激振總能量最大，振動能量通過振動輪作用于地面，使鑲嵌在凹坑或縫隙中的顆粒物松動并產(chǎn)生跳動，然后被負(fù)壓氣流吸起送入輸送管道，對應(yīng)的除塵效果最好。

2? 除塵器的結(jié)構(gòu)與原理設(shè)計

除塵器采用沉降除塵，慣性除塵及袋式過濾除塵三種原理如圖2。除塵器裝置由吸塵管道、導(dǎo)流板、沉降器（垃圾箱）、袋式過濾器、吸塵風(fēng)機(jī)等組成。吸塵風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口與密閉的箱體上口連接，箱體的另一端連接吸塵管道（即吸口），由于吸塵風(fēng)機(jī)進(jìn)口接口大于輸送管道下端吸盤與地面的間隙面積，所以箱體內(nèi)部呈負(fù)壓狀態(tài)，高速氣流在流動過程中將地面灰塵及顆粒物隨空氣分子通過管道流入箱體下部。導(dǎo)流板與箱體下部空間是一個變截面空間，從氣流進(jìn)口處到出口處空間逐漸增大，含有灰塵及顆粒物的高速氣流在進(jìn)入箱體后其流速降低壓力升高，流動呈層流狀態(tài)水平方向運動。在這個過程中空氣中的灰塵及顆粒物在重力的作用下，在流動過程中與空氣分離，根據(jù)質(zhì)量的不同一次降落在沉降室（垃圾箱體）內(nèi)，粉塵類物質(zhì)隨氣流運動到導(dǎo)流板右端急轉(zhuǎn)彎，質(zhì)量較大的物質(zhì)在離心力的作用下拋到壁面滑落下來，更輕質(zhì)的粉塵隨氣流的流動堆積到袋式過濾器的外壁，氣體通過過濾后進(jìn)入吸塵風(fēng)機(jī)進(jìn)口。上述過程揭示了灰塵及顆粒物在除塵器中氣固兩相的分離原理，即沉降（重力）除塵.慣性除塵，袋式過濾除塵三個過程。

透水路面養(yǎng)護(hù)車的最后一級除塵采用負(fù)壓外濾袋式除塵器，過濾袋采用氯綸纖維濾布制成，凈化后的氣體進(jìn)入風(fēng)機(jī)后排出，減少了風(fēng)機(jī)的磨損，灰塵堆積在過濾器的外壁。過濾器采用快速裝卸方式清理方便。氯綸纖維濾布具有良好的阻燃效果，可防止吸入物中因殘留火種（例如未熄滅的煙疤等）引發(fā)的火災(zāi)隱患。

3? 透水路面養(yǎng)護(hù)車動力系統(tǒng)設(shè)計

透水路面養(yǎng)護(hù)車動力系統(tǒng)采用單缸水冷四沖程汽油機(jī)作為動力源，汽油發(fā)動機(jī)驅(qū)動離心式自動變速器，離心式自動變速器的輸出端通過皮帶傳動機(jī)構(gòu)分別將動力傳給吸塵風(fēng)機(jī)及發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)給振動電磁鐵系統(tǒng)供電。

3.1 吸塵風(fēng)機(jī)功率的確定

透水路面養(yǎng)護(hù)車動力系統(tǒng)總功率采用反推法確定，即先確定風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)功率再確定發(fā)動機(jī)功率。本課題研究的振吸式透水路面養(yǎng)護(hù)車主要用于城市海綿路面清理作業(yè)，其抽吸物多為粉塵狀泥土及較小的石質(zhì)顆粒物以及樹葉等物質(zhì)，其真密度一般不大于5g/cm3，設(shè)計吸塵口尺寸600×4cm，空氣流速不小于3m3/min?？紤]到空氣流道的延程阻力損失和袋式除塵過濾器的阻力，經(jīng)過計算和試驗確定采用9-19型離心式風(fēng)機(jī)，流量1174～2504m3/n。轉(zhuǎn)速2900r/min，全壓4602～4112pa，內(nèi)效率71%，電機(jī)功率4kW。

3.2 發(fā)動機(jī)功率的確定

透水路面養(yǎng)護(hù)車的動力根據(jù)其使用特點，采用了單缸四沖程汽油發(fā)動機(jī)作為動力源，發(fā)動機(jī)的功率Ne如下式所示Ne=■

式中：Nf—風(fēng)機(jī)功率，kW;Nd—發(fā)電機(jī)功率，kW;？濁l—離合器效率;？濁b—變速器效率;？濁p—皮帶傳動效率。

根據(jù)上式發(fā)動機(jī)計算輸出功率Ne為6.6kW。根據(jù)汽油發(fā)動機(jī)的速度特性曲線，發(fā)動機(jī)油耗曲線的最低點附近為經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，所對應(yīng)的功率一般為發(fā)動機(jī)最大功率的60%到70%，將該區(qū)域作為常用工況，有利于經(jīng)濟(jì)性和排放性的提高。因此根據(jù)發(fā)動機(jī)計算功率6.6kW及功率曲線最低油耗點的功率位置（60%）計算發(fā)動機(jī)的額定功率為11kW。

3.3 動力傳動系的轉(zhuǎn)速匹配

發(fā)動機(jī)的常用功率點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是動力輸出源轉(zhuǎn)速，目前小型四沖程汽油機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速通常為9600r/min，根據(jù)發(fā)動機(jī)外特性曲線經(jīng)濟(jì)工況下的轉(zhuǎn)速應(yīng)為6000r/min，該轉(zhuǎn)速即為是動力輸出源基準(zhǔn)計算轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速2900r/min，交流發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速3000r/min，無級自動變速器傳動比為i=2～3.2，無級自動變速器采用離心式自動變速，發(fā)動機(jī)啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)速低時，無級自動變速器i=3.2，由于i最大所以發(fā)動機(jī)處于最小扭矩狀態(tài)便于啟動，隨著發(fā)動機(jī)供油量的增加，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增高，無級自動變速器i逐漸變小直至等于2，此時發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為3000r/min，該轉(zhuǎn)速與交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，因此采用同尺寸皮帶輪傳動。主傳動皮帶輪與發(fā)電機(jī)皮帶輪傳動比為1：1.035，轉(zhuǎn)速降低100r/min。

4? 透水路面養(yǎng)護(hù)車結(jié)構(gòu)與測試結(jié)果

透水路面養(yǎng)護(hù)車采用人力手推式行走方式，便于人行道及曲折道路的作業(yè)。整體結(jié)構(gòu)布置除塵器安裝在車的前部，向后依次是風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)及汽油機(jī)發(fā)電機(jī)，下部設(shè)置電磁振動輪及吸塵口，吸塵口采用長方形結(jié)構(gòu)，吸塵口下部安裝了塑料柔性圍擋，作業(yè)時可避免與地面凸出物體碰撞受損。車身高度通過手動絲杠機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)路面與吸塵口高度要求，滿足不同道路條件下的吸塵氣流壓力及作業(yè)效果。透水路面養(yǎng)護(hù)車初期實驗，獲得了較好的效果，圖3和圖4分別是清理前后的路面照片，如照片所示清理后距表面20毫米的深度內(nèi)無灰塵及松動顆粒物，除塵器及動力裝置達(dá)到設(shè)計要求。但存在車身質(zhì)量過重，行走阻力較大等缺陷。總之該研究為透水路面養(yǎng)護(hù)車產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。

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