并列式管道在智能保潔車上的應(yīng)用研究

黃興華，熊 杰，董 欣

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

1 引言

當(dāng)代城市道路保潔一般為清掃車清掃與人工保潔兩種形式，清掃車一般早晚作業(yè)兩次將垃圾全部清掃，清掃效率高、效果好。而清掃之間的時間需要進(jìn)行道路保潔，現(xiàn)階段道路保潔大多使用人力保潔，人工保潔成本高；呂振江等發(fā)現(xiàn)小型道路保潔車僅為人工清掃作業(yè)成本的33.4%［1］。隨著道路清掃智能化建設(shè)的不斷發(fā)展，趙丕玉等針對國內(nèi)外現(xiàn)有各類清掃車的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計制作了一款多功能、智能化、環(huán)保型清掃車［2］，智能保潔車將利用圖像識別技術(shù)對路面上散落垃圾進(jìn)行識別，提取垃圾位置特征后引導(dǎo)吸取裝置完成對垃圾的定點吸取。

文獻(xiàn)［3］通過fluent仿真與試驗數(shù)據(jù)對比對垃圾氣路輸送做了細(xì)致研究，得出了氣路輸送的理論依據(jù)，表明真空力穩(wěn)定且易傳導(dǎo)；文獻(xiàn)［4］使用fluent軟件對清掃車專用風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值仿真分析，有效解決了風(fēng)機(jī)噪聲問題。文獻(xiàn)［5］將單吸口改成雙吸口并列式結(jié)構(gòu)，有效節(jié)約能耗，并進(jìn)行了優(yōu)化仿真，表明吸口面積縮小，可提高工作效果；因此對道路垃圾有針對性的吸取更有利于減少能耗。

綜合以上研究，這里設(shè)計了一種采用多口并列式管道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)定點吸取的智能保潔車，并采用fluent仿真與試驗分析驗證模型的合理性。

2 智能保潔車設(shè)計原理

2.1 路面垃圾分布研究

經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路面上的垃圾并不是均勻分布，由于風(fēng)力的影響，靠近邊緣的地方的垃圾分布要明顯高于非靠邊區(qū)域；調(diào)查上海臨港10月份晴3天的干燥條件下，校園、公路、小區(qū)、街道中的垃圾分布，每組選取不同的5個地區(qū)，每個地區(qū)連續(xù)選取100個垃圾（其中垃圾大小大于1cm2），并計算靠邊的比例，每組共測量5次，經(jīng)測量統(tǒng)計結(jié)果，如表1所示。因此氣路吸管的結(jié)構(gòu)設(shè)計需側(cè)重右側(cè)管道設(shè)計。

表1 垃圾區(qū)域統(tǒng)計調(diào)查表Tab.1 Garbage Area Statistics Questionnaire

2.2 智能保潔車工作原理

基于定點吸取的原理，智能保潔車簡圖，如圖1所示。

圖1 智能保潔車簡圖Fig.1 Smart Cleaning Car Sketch

工作原理：首先借助攝像頭的圖像識別，將垃圾分為多個區(qū)間，獲取垃圾區(qū)間后控制對應(yīng)的吸嘴電磁閥開啟；然后離心風(fēng)機(jī)為相應(yīng)吸嘴提供負(fù)壓將顆粒物吸入沉降室。

多管選擇吸入的原理提供了很強(qiáng)的抗干擾能力，當(dāng)?shù)缆飞铣霈F(xiàn)很難區(qū)分的道路標(biāo)志或道路缺陷等形狀，同時開兩個吸口可以實現(xiàn)垃圾吸取的功能。

2.3 垃圾識別分區(qū)算法簡介

識別算法采用道路垃圾識別算法與分區(qū)邊界識別算法組成。垃圾識別算法包括背景模糊與前景提取，邊界分區(qū)識別算法包括霍夫直線檢測與像素重映射，車載激光線光源充當(dāng)左右道路基準(zhǔn)線維持識別穩(wěn)定。通過識別算法與車載激光可以穩(wěn)定的將道路垃圾進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)識別結(jié)果，如圖2所示。

圖2 垃圾分區(qū)識別Fig.2 Garbage Partition Identification

3 并列式管道

3.1 并列式管道建模

其中，吸管分為三組，靠右的吸口由于垃圾量多而單獨設(shè)計，共10個吸口以滿足定點吸取需求。利用SolidWorks創(chuàng)建簡化后的模型，如圖3所示。

圖3 管道系統(tǒng)簡化模型Fig.3 Simplified Model of Piping System

沉降室保留接口部分，設(shè)置邊界條件為壓力速度出口；將軟管采用平滑過渡的樣條曲線軌跡連接，并忽略接口的細(xì)微阻礙作用；忽略電磁閥的影響與空間設(shè)置，采用不漏風(fēng)初始條件設(shè)計；管道系統(tǒng)的工作范圍為1200mm，共有10個子吸口，從左往右依次進(jìn)行分別編號。其中，（1～8）號吸口為次級吸口，（9～10）號口為主級吸口。工作模式分為單口工作模式與雙口工作模式。

3.2 風(fēng)量計算

氣路系統(tǒng)的風(fēng)量一般可以根據(jù)清掃對象的起動速度確定。一般設(shè)計時將管道中的氣流速度取值稍大于塵粒起動速度，取為起動速度的1.3倍左右，以道路最常見的粒徑3mm的砂石計算，其起動速度約為18m/s［5］，確定流速后，則氣路系統(tǒng)的風(fēng)量可以按下式（1）計算。

式中：VP—氣流速度，取20m/s；D—管道直徑，取0.10m。清掃車為雙通道，氣路系統(tǒng)理論風(fēng)量為Qin=1130m3/h。

氣路系統(tǒng)存在漏風(fēng)，風(fēng)機(jī)實際風(fēng)量按照式（2）計算［5］。

式中：k1—風(fēng)道的漏風(fēng)系數(shù)，考慮電磁閥的干擾，漏風(fēng)系數(shù)取為1.4；k2—集成箱的漏風(fēng)系數(shù)，一般取1.1。則風(fēng)機(jī)實際風(fēng)量為Qf=1741m3/h。

4 管道性能仿真

本次仿真研究吸口單開與吸口雙開風(fēng)速情況，由于相鄰吸口的風(fēng)力可以覆蓋旁邊吸口，相鄰吸口不會同時開啟。

4.1 管道雙口運(yùn)行仿真

通常條件下，管道是單口運(yùn)行工作模式，但為了適應(yīng)垃圾特征較多且無法分清主次的道路復(fù)雜情況下，會同時開啟雙口工作。研究9號主吸口與次級吸口（1～4號）的雙開特性結(jié)果，如圖4所示（圖中的19口表示同時開啟1號口與9號口）。

圖4 吸口雙開特性圖Fig.4 Suction Mouth Double Opening Characteristic Diagram

從9 號主吸口與次級吸口（1～4 號）的雙開特性圖中可以看出：所有主管道（Ⅰ處）管道內(nèi)流速高于20m/s且速度均勻，說明顆粒受到的沖擊力較小，滿足主吸口要求；其它次級吸口管道流速（Ⅱ處）也能達(dá)到平均20m/s的氣流速度，但沒有主道管的速度均勻；可以看出次級吸口的第一級拐角處（Ⅲ處）與主吸口的第一拐角處（Ⅴ處）風(fēng)速較不穩(wěn)定，流速變化不均勻；相比于第三級拐角處的風(fēng)速情況較穩(wěn)定可以發(fā)現(xiàn)，將吸口與第一級拐角的間距適當(dāng)加長，可改善流速不穩(wěn)定的問題；在次級吸口（Ⅳ處）的高速區(qū)與主級吸口（Ⅵ處）的高速區(qū)，都能延伸至鄰近吸口，這與計算的吸口阻力值接近吻合?？傮w看來，管道內(nèi)的綜合工作情況滿足顆粒傳輸啟動速度18m/s［6］。

4.2 管道單口運(yùn)行仿真

通常條件下，管道是單口運(yùn)行工作模式，單口運(yùn)行的效率高，吸引能力更強(qiáng)，典型單口運(yùn)行，如圖5所示。

圖5 單口運(yùn)行特性圖Fig.5 Single Port Operating Characteristic Diagram

對比單口運(yùn)行與雙口運(yùn)行可發(fā)現(xiàn)，單口運(yùn)行的管內(nèi)平均速度達(dá)到40m/s以上，在通過性方面要高于雙口運(yùn)行；吸口的工作范圍可延伸至覆蓋旁邊吸口，在圖像定位不夠精確的情況下也能正常運(yùn)行，在垃圾識別分區(qū)混亂的情況下優(yōu)先單口工況運(yùn)行。主級吸口的管道流速均勻性高于次級吸口，利于大量垃圾通過管道，滿足主吸口設(shè)計要求。

5 管道性能測試實驗

為進(jìn)一步驗證氣路吸管的設(shè)計是否滿足性能需求，在實際模型中進(jìn)行測試試驗。

5.1 試驗材料與實驗設(shè)備

試驗材料：選取干燥路面的顆粒粉塵，葉片碎末，紙張碎末，草木碎片的混合物100克，測量含水量為13%。

試驗設(shè)備：管道系統(tǒng)性能試驗在保潔車管道系統(tǒng)試驗臺架上進(jìn)行，如圖6所示。

圖6 管道系統(tǒng)試驗臺架建Fig.6 Piping System Test Stand Construction

試驗采用單因素試驗方法，兩種開啟方式的試驗評價指標(biāo)為風(fēng)速。

5.2 單管道啟動風(fēng)速測試

為檢測風(fēng)速在18m/s時是否能進(jìn)行穩(wěn)定的吸取，進(jìn)行單口開啟風(fēng)速為18m/s時測試管道吸取微粒的性能試驗，在吸口正下方設(shè)置試驗材料，試驗過程，如圖7所示。

圖7 管道系統(tǒng)單口開啟臺架試驗Fig.7 Piping System Test Stand Construction

從圖7可以看出，試驗材料在18m/s的風(fēng)力情況下可以被有效吸取，達(dá)到清掃車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T51-2006，吸取率超過90%［6］，表明18m/s的啟動速度設(shè)計要求合理，吸口的風(fēng)速大于18m/s即可滿足工作要求；同時測量其他吸口的顆粒滯留情況，總量低于5%，說明管道內(nèi)的流通性較好，滿足工程要求。

5.3 管道風(fēng)速水平測試

根據(jù)管道系統(tǒng)的單口開啟和雙口開啟兩種吸取方式，設(shè)計兩組單因素試驗。安排單口開啟的測量風(fēng)速試驗有（1～10）個吸口，即10 個水平，每個管口測量風(fēng)速處理試驗重復(fù)10 次，試驗共計100次。安排雙口開啟的試驗有10個水平，試驗共有10種處理，每個管口測量風(fēng)速，即每種處理試驗重復(fù)5次，測速共計100次。調(diào)整離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1741m3/h，氣路吸管離地間隙保持為40mm。

單口運(yùn)行時每次只開啟一個尾管，并測量吸口風(fēng)速值，分別測量每個吸口，取均值為最終速度值；雙口運(yùn)行時每次開啟兩個尾管，測量典型雙通風(fēng)速值；每個管口測量5次，取均值為最終速度值。將測試試驗中風(fēng)速與仿真值進(jìn)行對比，并求得速度的相對誤差用p表示［7］，如式（3）所示。

式中：v1—試驗測得值；v2—仿真值；n—管道開口個數(shù)。

根據(jù)式（3）及測試數(shù)據(jù)的平均值，將吸口的試驗值與仿真值進(jìn)行對比，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到單管口風(fēng)速對比表，如表2 所示；與雙管口風(fēng)速對比表，如表3所示（表中19口代表同時開啟1號吸口與9號吸口，其中1號口為左側(cè)，9號口為右側(cè)，其它表達(dá)方式類似）。

表2 單管口風(fēng)速試驗對比檢驗表Tab.2 Comparison Test Table of Single-Pipe Wind Speed Test

表3 雙管口風(fēng)速試驗對比檢驗表Tab.3 Contrast Test Table for Wind Speed Test of Double Pipe Mouth

由表2與表3可知，單口仿真速度相對誤差最大為5.35%，最小為0.44%，平均相對誤差為2.41%；雙口仿真速度相對誤差最大為14.71%，最小為3.05%，平均相對誤差為7.79%，說明fluent仿真結(jié)論對解決工程問題具有一定的參考意義；對比發(fā)現(xiàn)主級吸口風(fēng)速高于次級吸口，主級吸口設(shè)計滿足設(shè)計要求。綜合試驗結(jié)果，管道吸口的風(fēng)速均超過微粒工作速度18m/s，氣路吸管的設(shè)計可以滿足工程需要。

6 結(jié)論

（1）這里設(shè)計了智能保潔車并列式管道吸口模型，利用圖像識別對路面垃圾分區(qū)，并定點吸取垃圾，基于道路右側(cè)垃圾量多的調(diào)查結(jié)果設(shè)計管道結(jié)構(gòu)。

（2）試驗臺測試在18m/s的風(fēng)速下，管道吸取率超過90%，管道滯留率低于5%，垃圾吸取效果滿足工程需要；測量管道各工況風(fēng)速，均能超過18m/s，管道設(shè)計滿足工程需求。

（3）仿真分析發(fā)現(xiàn)在垃圾識別分區(qū)混亂的情況下，優(yōu)先單口工況運(yùn)行較好；仿真與實驗風(fēng)速平均相對誤差為7.79%。

通過實驗分析，智能保潔車的并列式氣路吸管能有效吸取垃圾，同時注重右測靠邊處的垃圾吸取，滿足工程需求。