振吸式透水路面養護車的研究

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堵塞物清理的課題。提供了透水路面養護車的實驗模型車的結構框架及初試情景，為透水路面清理機械的開發提供了思路。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0207-02

0? 引言

為了改善城市空氣環境，我國近幾年海綿道路鋪設量大幅度增加，但是隨著時間的增加，灰塵顆粒物堵塞海綿路面毛細孔使透水效果降低。據國外統計數據，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，但是細小的泥沙更容易隨水流進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，設備成本低，耗能少應用價值較高。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，本課題根據其報道原理進行了實驗，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（負壓）壓力很難匹配，特別是當吹氣能量（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，呈懸浮狀態而后被負壓氣流帶走，經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，是空氣進入的通道，電磁吸盤內部呈負壓區。在電磁吸盤內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二極管整流供電。當線路接通后，正半周脈動直流電壓加在電磁線圈上，由于電磁鐵的作用，在振動體和機座之間產生脈沖電磁力，振動體被吸引，此時彈性系統貯存勢能，使振動體向相反的方向振動。這樣周而復始，振動體便以交流電的頻率往復振動。交流電有由車載發動機驅動的交流發電機提供，交流電通過控制器調節頻率，實現振動頻率的變化。激振總能量與振動電磁鐵銜鐵質量、震動頻率、震動輪系統的結構、質量等因素有關，是一個復雜的振動系統。實驗證明通過改變震動頻率，獲得系統的共振點，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生跳動，然后被負壓氣流吸起送入輸送管道，對應的除塵效果最好。

2? 除塵器的結構與原理設計

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、導流板、沉降器（垃圾箱）、袋式過濾器、吸塵風機等組成。吸塵風機進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），由于吸塵風機進口接口大于輸送管道下端吸盤與地面的間隙面積，所以箱體內部呈負壓狀態，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。導流板與箱體下部空間是一個變截面空間，從氣流進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入箱體后其流速降低壓力升高，流動呈層流狀態水平方向運動。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，根據質量的不同一次降落在沉降室（垃圾箱體）內，粉塵類物質隨氣流運動到導流板右端急轉彎，質量較大的物質在離心力的作用下拋到壁面滑落下來，更輕質的粉塵隨氣流的流動堆積到袋式過濾器的外壁，氣體通過過濾后進入吸塵風機進口。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。

透水路面養護車的最后一級除塵采用負壓外濾袋式除塵器，過濾袋采用氯綸纖維濾布制成，凈化后的氣體進入風機后排出，減少了風機的磨損，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）引發的火災隱患。

3? 透水路面養護車動力系統設計

透水路面養護車動力系統采用單缸水冷四沖程汽油機作為動力源，汽油發動機驅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構分別將動力傳給吸塵風機及發電機，發電機給振動電磁鐵系統供電。

3.1 吸塵風機功率的確定

透水路面養護車動力系統總功率采用反推法確定，即先確定風機和發電機功率再確定發動機功率。本課題研究的振吸式透水路面養護車主要用于城市海綿路面清理作業，其抽吸物多為粉塵狀泥土及較小的石質顆粒物以及樹葉等物質，其真密度一般不大于5g/cm3，設計吸塵口尺寸600×4cm，空氣流速不小于3m3/min。考慮到空氣流道的延程阻力損失和袋式除塵過濾器的阻力，經過計算和試驗確定采用9-19型離心式風機，流量1174～2504m3/n。轉速2900r/min，全壓4602～4112pa，內效率71%，電機功率4kW。

3.2 發動機功率的確定

透水路面養護車的動力根據其使用特點，采用了單缸四沖程汽油發動機作為動力源，發動機的功率Ne如下式所示Ne=■

式中：Nf—風機功率，kW;Nd—發電機功率，kW;？濁l—離合器效率;？濁b—變速器效率;？濁p—皮帶傳動效率。

根據上式發動機計算輸出功率Ne為6.6kW。根據汽油發動機的速度特性曲線，發動機油耗曲線的最低點附近為經濟油耗區，所對應的功率一般為發動機最大功率的60%到70%，將該區域作為常用工況，有利于經濟性和排放性的提高。因此根據發動機計算功率6.6kW及功率曲線最低油耗點的功率位置（60%）計算發動機的額定功率為11kW。

3.3 動力傳動系的轉速匹配

發動機的常用功率點所對應的轉速是動力輸出源轉速，目前小型四沖程汽油機額定最高轉速通常為9600r/min，根據發動機外特性曲線經濟工況下的轉速應為6000r/min，該轉速即為是動力輸出源基準計算轉速，風機工作轉速2900r/min，交流發電機工作轉速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，發動機啟動狀態轉速低時，無級自動變速器i=3.2，由于i最大所以發動機處于最小扭矩狀態便于啟動，隨著發動機供油量的增加，發動機轉速增高，無級自動變速器i逐漸變小直至等于2，此時發動機的輸出轉速為3000r/min，該轉速與交流發電機轉速相同，因此采用同尺寸皮帶輪傳動。主傳動皮帶輪與發電機皮帶輪傳動比為1：1.035，轉速降低100r/min。

4? 透水路面養護車結構與測試結果

透水路面養護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。整體結構布置除塵器安裝在車的前部，向后依次是風機傳動系統及汽油機發電機，下部設置電磁振動輪及吸塵口，吸塵口采用長方形結構，吸塵口下部安裝了塑料柔性圍擋，作業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構調節，以適應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效果。透水路面養護車初期實驗，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毫米的深度內無灰塵及松動顆粒物，除塵器及動力裝置達到設計要求。但存在車身質量過重，行走阻力較大等缺陷。總之該研究為透水路面養護車產品開發提供了參考。

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