淺談?wù)裎酵杆访骛B(yǎng)護(hù)車
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摘要：本文揭示了震動(dòng)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(shí)驗(yàn)?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。
關(guān)鍵詞：電磁振動(dòng)輪；吸塵裝置；灰塵收集
引言
為了改善城市空氣環(huán)境，我國(guó)近幾年海綿道路鋪設(shè)量大幅度增加，但是隨著時(shí)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(guó)外統(tǒng)計(jì)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(xiàng)亟待解決的課題。目前我國(guó)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(gè)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(jià)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(dòng)，單靠負(fù)壓氣流很難將其吸出。目前也有研究報(bào)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(bào)道原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采用吹吸雙作用對(duì)單一吸塵方式清理效果取得了較大的提高，但對(duì)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(shí)將部分灰塵吹出工作面造成污染，吹起壓力較小時(shí)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(dòng)吸塵的清理原理，即先對(duì)地面施加激振，使鑲嵌的顆粒松動(dòng)，呈懸浮狀態(tài)而后被負(fù)壓氣流帶走，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)具有較大的可行性。
1振動(dòng)吸塵裝置的工作原理
振動(dòng)吸塵裝置有電磁振動(dòng)器、電磁振動(dòng)輪、柔性圍擋、吸口等組成如圖1所示。振動(dòng)吸塵裝置又稱振動(dòng)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(dòng)器將震動(dòng)能量作用在振動(dòng)輪輪，振動(dòng)輪的后方是負(fù)壓吸氣口。振動(dòng)源由振動(dòng)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(dòng)直流電壓加在電磁線圈上，由于電磁鐵的作用，在振動(dòng)體和機(jī)座之間產(chǎn)生脈沖電磁力，振動(dòng)體被吸引，此時(shí)彈性系統(tǒng)貯存勢(shì)能，使振動(dòng)體向相反的方向振動(dòng)。這樣周而復(fù)始，振動(dòng)體便以交流電的頻率往復(fù)振動(dòng)。交流電有由車載發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的變化。激振總能量與振動(dòng)電磁鐵銜鐵質(zhì)量、震動(dòng)頻率、震動(dòng)輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等因素有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明通過改變震動(dòng)頻率，獲得系統(tǒng)的共振點(diǎn)，這時(shí)激振總能量最大，振動(dòng)能量通過振動(dòng)輪作用于地面，使鑲嵌在凹坑或縫隙中的顆粒物松動(dòng)并產(chǎn)生跳動(dòng)，然后被負(fù)壓氣流吸起送入輸送管道，對(duì)應(yīng)的除塵效果最好。
2除塵器的結(jié)構(gòu)與原理設(shè)計(jì)
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(dòng)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(gè)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(dòng)呈層流狀態(tài)水平方向運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中空氣中的灰塵及顆粒物在重力的作用下，在流動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(lái)，更輕質(zhì)的粉塵隨氣流的流動(dòng)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(gè)過程。透水路面養(yǎng)護(hù)車的最后一級(jí)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(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
透水路面養(yǎng)護(hù)車動(dòng)力系統(tǒng)采用單缸水冷四沖程汽油機(jī)作為動(dòng)力源，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心式自動(dòng)變速器，離心式自動(dòng)變速器的輸出端通過皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別將動(dòng)力傳給吸塵風(fēng)機(jī)及發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)給振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)算和試驗(yàn)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(dòng)機(jī)功率的確定透水路面養(yǎng)護(hù)車的動(dòng)力根據(jù)其使用特點(diǎn)，采用了單缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率Ne如下式式中：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(dòng)效率。根據(jù)上式發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算輸出功率Ne為6.6kW。根據(jù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗曲線的最低點(diǎn)附近為經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，所對(duì)應(yīng)的功率一般為發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)計(jì)算功率6.6kW及功率曲線最低油耗點(diǎn)的功率位置（60%）計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為11kW。
3.3動(dòng)力傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速匹配
發(fā)動(dòng)機(jī)的常用功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速是動(dòng)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(dòng)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(dòng)力輸出源基準(zhǔn)計(jì)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(wú)級(jí)自動(dòng)變速器傳動(dòng)比為i=2～3.2，無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器采用離心式自動(dòng)變速，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)速低時(shí)，無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器i=3.2，由于i最大所以發(fā)動(dòng)機(jī)處于最小扭矩狀態(tài)便于啟動(dòng)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)供油量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增高，無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器i逐漸變小直至等于2，此時(shí)發(fā)動(dòng)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(dòng)。主傳動(dòng)皮帶輪與發(fā)電機(jī)皮帶輪傳動(dòng)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(cè)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(dòng)系統(tǒng)及汽油機(jī)發(fā)電機(jī)，下部設(shè)置電磁振動(dòng)輪及吸塵口，吸塵口采用長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，吸塵口下部安裝了塑料柔性圍擋，作業(yè)時(shí)可避免與地面凸出物體碰撞受損。車身高度通過手動(dòng)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(shí)驗(yàn)，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(wú)灰塵及松動(dòng)顆粒物，除塵器及動(dòng)力裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但存在車身質(zhì)量過重，行走阻力較大等缺陷?？傊撗芯繛橥杆访骛B(yǎng)護(hù)車產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。
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作者：張耀 單位：濟(jì)南市技師學(xué)院