脈沖式融雪劑撒布裝置的研發

霍尚斌

摘要：針對目前高速公路上的除雪方法效率和效果不盡理想的問題，對融雪劑撒布規律及其撒布量與融雪速度的關系進行研究，提出融雪劑撒布的優化線型及最佳撒布量，并研發了以非均勻線性撒布工藝為主要技術特征的脈沖式融雪劑撒布車。試驗證明，使用新型除雪車撒布融雪劑的融雪效果較目前常用的均勻撒布工藝能提高融雪速度10%～30%。

關鍵詞：道路除雪，融雪劑，非均勻撒布，新型除雪車

中圖分類號：U418.32文獻標志碼：B

Abstract： Aimed at the disappointing efficiency and effect of snow removing methods applied to expressways nowadays， the relationship between the distribution law and amount and snowmelting speed was studied. An optimized curve for the snowmelting agent spraying and optimum amount were proposed， and a pulsed snowmelting agent spraying device featuring nonuniform spraying technology was developed. Test result shows the new device improves the snowmelting speed by 10%30%.

Key words： road snow removal； snowmelting agent； nonuniform spraying； new snow sweeper

0引言

高速公路冬季除雪的方法，主要是在原雪表面或經機械除雪后的殘留雪表面上撒布大量的融雪劑，以降低雪的溶點使其由固態變為液態水流出主道而達到除雪的目的。但高速公路大量使用的融雪劑會對道路環境（包括植物和道路本身）帶來不良影響[1]。雖然用融雪劑除雪并非理想的作業方式，而且有不少問題需要解決，但作為一種有效且較為徹底的除雪方式，它仍為國內外高速公路上常用的除雪工藝。

融雪劑撒布車是一種自動化除雪設備，廣泛應用于高速公路、城市道路、機場、廣場、景區道路的除雪作業。目前國內外普遍使用的融雪劑撒布車均以“撒布均勻”為最主要的技術特點[2]。但是實踐證明，均勻撒布和融雪效率并沒有關系，融雪劑撒布密度才是影響融雪效率最主要的因素。

1研究內容

（1） 研究融雪劑撒布規律及其數量與融雪速度的關系。通過大量試驗找出其基本規律，并進行必要的優化，從而提出融雪劑撒布的優化線型及最佳撒布量。

（2） 根據試驗分析的結論完成專用設備的設計和制作，包括載車驅動功率的合理分配及其傳動系統設計；

脈沖撒布控制程序編制及信號輸出系統研發；工作執行裝置設計，特別是非均勻撒布系統的設計、配套和選擇；整車結構設計和制作等。

2工藝研究

脈沖型非均勻撒布工藝實現落雪快速液化的技術前提主要在于下述幾點。

（1） 雪的消融速度與融雪劑在雪中的含量成正比[3]。因此讓撒布的融雪劑在落雪表面形成不均勻的脈沖形撒布面，并在路拱上段形成脈沖形的多道較濃（融雪劑含量較周圍多和集中）的撒布線，從而形成相對快速的雪融線，并利用雪融水對路拱下段的落雪形成沖刷的趨勢，以此完成道路的快速除雪[4]。

（2） 在自然狀態下，撒布融雪劑融雪的速度比使用具有一定濃度的液化鹽水沖擊自然雪要慢。

（3） 高等級道路路面有2° ～5° 的坡角，這為雪消融后流向道路外側提供了必要條件。

課題組通過實地融雪試驗，找到并驗證了最佳脈沖撒布方式及其對應的撒布量，為施工工藝及專用設備的設計提供參考。

以高速公路的典型路段為試驗對象，由人工模擬融雪劑在雪地上的脈沖式不均勻撒布，對整個融、除雪過程中不間斷觀察并記錄其除雪效果。

用試驗記錄的數據繪制出4種撒布形式在不同時間段內融雪效果的對比，見圖1。

通過圖1可以看出，非均勻撒布方式的融雪效果優于均勻撒布方式，課題組根據此結論研發出以脈沖撒布為主要技術特征的融雪劑撒布車，以線性撒布方式和混合線性撒布方式作為撒布工藝，并通過車速同步撒布量控制方法，解決了融雪劑撒布車難以控制撒布量的問題，實現精確控制撒布量的目的。

3設備的研發與測試

在前期調研和研究的基礎上，課題組經過模擬試驗對非均勻撒布線型進行了優化，確定了非均勻撒布的工藝和基本參數（表1），由此確定了非均勻撒布裝置的研制方案[45]。

3.1總體方案

非均勻撒布設備整體方案的設計是根據作業要求、作業環境、道路情況及現實情況，參照現有撒布車的整體方案提出。研制出脈沖式融雪劑撒布車主要由動力系統、輸送系統、計量檢測系統和控制系統組成，整體系統框圖如圖2所示，設備結構如圖3所示。

3.2動力系統

撒布器的動力來源有單獨配置的撒布器發動機、從汽車底盤發動機取力和驅動輪驅動3種方式。其中驅動輪驅動是利用汽車驅動輪或另外增加的輪胎驅動液壓泵提供動力。根據實際情況，本撒布車采用汽油機直連皮帶輸送機和配置發電機（組）2種動力來源。選取的發電機（組）主動力為10.5 hp，用于皮帶輸送機；輔助動力為6.5 kW，用于撒布裝置及整機的控制。

3.3輸送撒布系統

綜合各種輸送系統的優缺點及適用范圍，本撒布設備輸送系統（見圖4）采用螺旋輸送形式。融雪劑通過皮帶輸送落入積料斗，通過積料斗落入2個布料螺旋，再由布料螺旋輸送到撒布螺旋和搖擺撒布機構，完成融雪劑的撒布。

撒布螺旋與搖擺撒布機構主要參數的確定過程如下。

3.3.1輸送量確定

根據設計參數設定撒布密度的步長為4，撒布速度步長為2，得出單位寬度撒布量與撒布速度、撒布密度間的數值關系為

將上述矩陣乘以撒布寬度可以得出單位時間的撒布量與撒布密度、撒布速度間的數值關系，如圖5所示。

從圖5可以看出，單位時間內的撒布量范圍為560～2 240 kg·h-1，將撒布量平均分配到6個撒布螺旋和2個搖擺撒布機構，可以得出每個撒布螺旋的撒布量范圍為70～280 kg·h-1，為了保證撒布量，輸送量Q要大于撒布量，設輸送量為撒布量的1.3倍，則輸送量范圍為91～364 kg·h-1，以最大輸送量計算撒布螺旋尺寸。

3.3.2螺旋葉片直徑確定

螺旋直徑的計算公式如下

式中：D為螺旋外徑（mm）；K為物料綜合系數，為0.063 2；Q為螺旋輸送量，為0.364 t·h-1；φ為填充系數，取0.2；λ為物料單位容積質量，為2.165 t·m-3；ε為輸送系數，取1。

代入數據計算后得螺旋外徑為60 mm。

3.3.3螺距確定

螺距根據計算公式

S=K1D（3）

式中：K1為螺旋距與直徑的比例系數，取值范圍為08～1。

代入數據可得螺距為0048～006 m。本文取較大值，故螺距S為0.06 m。

3.3.4螺旋軸直徑確定

螺旋軸直徑根據計算公式

d=K2D（4）

式中：K2為填充系數，取值范圍為0.2～035。

可得螺旋軸徑為0.012～0.021 m。本文螺旋軸直徑取值為002 m。

3.3.5螺旋軸轉速確定

螺旋軸的轉速

代入數據計算后得轉速n為47.3 r·min-1。

考慮到電機實際轉速和減速比，確定轉速n=52 r·min-1，減速比為29。

3.3.6搖擺撒布機構設計

根據撒布寬度，設計出的搖擺撒布機構如圖6所示。此機構為曲柄搖桿機構，將轉盤轉動轉換為擺桿搖擺，擺動角度范圍為-425°～425° 。設計完成后對搖擺機構進行ADAMS仿真，仿真結果如圖7。仿真結果表明此搖擺機構可以實現-425°～425° 范圍內的搖擺，達到所需的撒布寬度。

主要參數確定后，對撒布裝置進行加工，撒布裝置實物如圖8所示。

3.4控制系統

脈沖式融雪撒布車控制系統包括檢測單元、邏輯控制單元、人機交互界面、執行機構4個部分。檢測單元包括車速傳感器和積料斗高低料位，執行機構包括撒布螺旋、布料螺旋、擺動機構和輸送帶。控制系統原理如圖9所示。

撒布車運轉時分為自動和手動2種模式。在設備調試或者檢修時，可以通過手動控制各個電機的啟停，手動模式界面如圖10所示。手動模式的界面可以顯示車速、設置撒布密度、手動操作各個執行機構。

自動模式界面可以顯示各個執行機構的運行狀態，設置運行撒布密度，顯示設備運行過程中的報警狀態，自動模式界面如圖11所示。

自動運行界面包括撒布車的整體模型，在運行過程中能夠顯示各個部位的運行狀態以及積料斗高低料位的狀態。右側故障報警窗口可以顯示出在運行過程中設備的故障情況以及故障發生時間。在自動運行模式下，可以顯示撒布車速，可以對撒布密度進行設置。

3.5整機測試

非均勻融雪劑撒布裝置作為道路融冰化雪施工設備，其各個子系統的性能是評價設計優劣及能否投入使用的關鍵指標。

3.5.1驅動電機頻率與螺旋輸送量關系測試

經過實際測量，螺旋輸送融雪劑時，輸送量同驅動電機的頻率成線性關系。這個關系的成立驗證了在設備設計和系統設計上通過變頻控制螺旋撒布量的設計思想是正確的。

3.5.2運行速度與撒布量同步測試

通過計算測量的數據可以得出，比率基本相同，證明速度變化引會起頻率的變化，進而使輸送量發生變化，且這些數據均表現出線性關系，進一步驗證了設計的正確性，也證明了自動控制程序中由變量引起的數學匹配的正確性。

圖12為根據試驗數據繪制的均勻撒布與非均勻線性撒布對比圖。由圖可知，在實地試驗中，非均勻線性撒布的融雪效率高于均勻撒布；在60 min左右時，融雪效果區別最大。

4結語

本項目針對當前融雪劑均勻撒布融雪效率低的問題，研究開發了非均勻撒布融雪車，該設備在一定條件下較目前均勻撒布工藝的雪融速度快10%～30%，從而可有效縮短道路因落雪出現的封路現象，使道路盡快實現開放通行。

經實際應用和第三方測試，該非均勻撒布裝置的整機性能指標、功能均達到預期設計要求，系統運行穩定、可靠。

參考文獻：

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[責任編輯：杜衛華]