熱射流融除冰裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

朱自成, 刁 研, 楊 呈

(中國(guó)重汽集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 山東 濟(jì)南 250116)

0 引 言

每年冬季,我國(guó)北方大部分地區(qū)經(jīng)常會(huì)遭受冰雪災(zāi)害天氣的影響,從而導(dǎo)致路面積雪問題出現(xiàn),積雪會(huì)使路面附著力下降,這不僅給交通出行帶來了許多麻煩,而且增加了道路交通事故發(fā)生的概率。為了保證交通順暢和行車安全、實(shí)現(xiàn)道路通行能力和運(yùn)營(yíng)效益的提高,必須采取有效措施及時(shí)清除路面冰雪。目前,國(guó)內(nèi)外常用的道路除冰技術(shù)有化學(xué)除冰、機(jī)械除冰和熱力除冰三種方法[1-5],每種方法在實(shí)際的應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。化學(xué)除冰法通常采用化學(xué)藥劑融化冰雪,此方法實(shí)施簡(jiǎn)單方便,效果明顯,但會(huì)對(duì)路(橋)面和鋼橋面造成腐蝕,還會(huì)污染環(huán)境且除冰效果易受到環(huán)境溫度的影響。機(jī)械除冰法適用于清除路面浮雪,對(duì)緊貼路面的冰層清除效率低且易破壞路面。熱力法除冰目前發(fā)展不夠完善,且實(shí)施起來有功率消耗大、除冰效果差等缺點(diǎn)。

因此,從目前現(xiàn)有除冰方法和設(shè)備來看,想要達(dá)到除冰效率高的同時(shí)還具備效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)很難。為此,筆者在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上結(jié)合熱力融冰、射流切割、機(jī)械切割除冰等技術(shù),綜合考慮除冰成本、環(huán)境保護(hù)及比熱容等多方面的因素,提出熱力-機(jī)械復(fù)合融除冰方法。該方法以定量環(huán)保型的緩凝劑的水為射流介質(zhì),可實(shí)現(xiàn)高效、快速和低成本的道路融除冰。筆者著重對(duì)熱力水射流融除冰裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)與可行性試驗(yàn)研究分析。

1 熱射流融除冰裝置的設(shè)計(jì)

1.1 熱射流融除冰原理

熱射流融冰系統(tǒng)是結(jié)合熱力融冰與射流切割原理提出的。熱射流融除路面覆冰時(shí),通過熱水融化與射流沖擊等多方面的作用來破壞冰層。其原理是利用熱力射流融除冰裝置將冰層切割成獨(dú)立冰塊,再利用機(jī)械旋切除冰裝置將冰塊切除。待路面冰層被分割成獨(dú)立的冰塊時(shí),機(jī)械除冰裝置清除起來會(huì)更加容易。

1.2 熱力水射流融除冰裝置設(shè)計(jì)

為達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)融冰要求,設(shè)計(jì)了射流水箱,其底部安裝有兩組除冰噴頭,每組包括20～30個(gè)左右噴嘴,噴嘴呈直線等間距排列,裝置噴嘴布置如圖1所示。進(jìn)行融除冰作業(yè)時(shí),兩組噴頭隨除冰裝置以Vy速度沿道路運(yùn)動(dòng),在垂直于除冰裝置前進(jìn)方向以Vx做往復(fù)運(yùn)動(dòng),由此兩組射流切割的軌跡交錯(cuò)成網(wǎng)格。切割路徑示意圖如圖2所示,其中虛線、實(shí)線、實(shí)心圓分別代表前后組噴頭,虛線曲線為前組噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)線曲折線為后組噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 裝置噴嘴布置

為實(shí)現(xiàn)預(yù)期的除冰切割運(yùn)動(dòng)軌跡,設(shè)計(jì)并制作了了雙軌可控式的傳動(dòng)裝置,該裝置如圖3所示。每組噴頭都有獨(dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來提供動(dòng)力,雙軌可控式驅(qū)動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)每組噴頭的運(yùn)動(dòng)速度及兩組噴頭的間距的調(diào)節(jié)和控制。

圖3 雙軌可控式驅(qū)動(dòng)裝置1.曲柄 2連桿 3.滑塊 4.“T”型曲柄 5.導(dǎo)向槽 6.直線導(dǎo)軌 7.軸套

熱力水射流融除冰裝置由單相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,單項(xiàng)異步電機(jī)經(jīng)過減速器減速后通過曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)和“T”型曲柄,實(shí)現(xiàn)兩組噴頭分別沿著x軸方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中導(dǎo)向槽5固定在機(jī)架上,動(dòng)力由O1點(diǎn)輸入,通過曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力,滑塊3沿著y軸方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),與之相配合的“T”型曲柄4隨著滑塊一端的撥動(dòng)而繞著O3轉(zhuǎn)動(dòng),繼而撥動(dòng)軸套7沿著各自配合的導(dǎo)軌6做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。開槽的曲柄1可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)銷O2的位置來控制曲柄的有效長(zhǎng)度,進(jìn)而調(diào)控噴頭在x軸方向上的有效行程,以達(dá)到最優(yōu)的切割軌跡。

2 試驗(yàn)研究分析

為驗(yàn)證融除冰裝置的可行性和有效性,并獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了室內(nèi)高低溫實(shí)驗(yàn)室為融除冰試驗(yàn),通過真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)。參照水射流的影響因素發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)中對(duì)路面融除冰效果產(chǎn)生影響的因素有:射流靶距、噴嘴孔徑、熱射流噴射壓力、射流噴嘴入射角、射流溫度、噴嘴形狀、裝置前進(jìn)速度等。文章選取射流靶距、噴嘴孔徑、熱射流噴射壓力、射流溫度等重要因素進(jìn)行相關(guān)的研究與試驗(yàn)分析。

2.1 射流溫度、噴嘴孔徑對(duì)融除冰效果的影響

選定靶距為110 mm、射流噴嘴入射角0°及裝置行進(jìn)速度為0.15 m/s條件下進(jìn)行試驗(yàn),選擇不同射流溫度、噴嘴孔徑進(jìn)行試驗(yàn)。記錄多次重復(fù)除冰作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(冰層平均切槽深度,mm)并建立雙因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)表,如表1所列,其中A代表射流溫度(A1=50～55 ℃;A2=60～65 ℃;A3=70～75 ℃;A4=80～85 ℃;A5=90～95 ℃);B代表噴嘴孔徑(B1=1.25 mm;B2=1.5 mm;B3=1.75 mm;B4=2.0 mm;B5=2.5 mm)。

表1 水射流溫度與噴嘴孔徑雙因素重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如下:

summary(qc.aov)

Df Sum Sq Mean Sq F value Pr(>F)

A 4 8.839 2.2097 186.81 3.29e-13***

B 4 3.600 0.9000 76.09 3.33e-10***

A:B 16 0.189 0.0118 3.870 1.847

---Signif. codes: 0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

通過分析結(jié)果可知:影響因素A(射流噴射溫度)與因素B(噴嘴孔徑)對(duì)裝置融除冰效果均有顯著性影響,但兩因素之間的交互作用對(duì)融除冰效果的影響不顯著。為獲得最佳因素參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并擬合曲線方程:

(1)

式中:y為冰層切槽深度;x1為噴嘴孔徑;x2為射流噴射溫度。

由式(1)可知:噴嘴孔徑與冰層切槽深度呈二次曲線關(guān)系,且溫度范圍在50～90 ℃內(nèi),其與冰層切槽深度近似線性關(guān)系。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析可以得出,當(dāng)噴嘴孔徑為1.75 mm,射流溫度為90 ℃時(shí)除冰效果最佳。

2.2 射流噴射壓力對(duì)融除冰效果的影響

在噴嘴孔徑1.75 mm,射流溫度為90 ℃左右,靶距為110 mm及射流噴嘴入射角0°的條件下,選擇不同的噴射壓力進(jìn)行除冰作業(yè)試驗(yàn),經(jīng)過重復(fù)試驗(yàn)后記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果如表2所列,噴射壓力對(duì)融冰效果的影響如圖4所示。

表2 不同的射流壓力對(duì)應(yīng)的切槽深度

圖4 噴射壓力對(duì)融除冰效果的影響

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2及圖4)可以得出,當(dāng)噴射壓力在0.42～0.545 MPa范圍內(nèi)時(shí),隨著射流壓力增大,除冰水射流的凝聚力及動(dòng)能均增大,對(duì)路面冰層的沖擊增強(qiáng),冰層切割深度隨之增大,冰層平均切槽深度隨著射流壓力的增大而增加。當(dāng)射流壓力超過0.545 MPa時(shí),隨著射流壓力的不斷增加,除冰水射流的凝聚力降低且發(fā)散范圍增加,對(duì)路面冰層的沖擊能力減弱,平均切槽深度降低。因此,綜合考慮試驗(yàn)成本、設(shè)備安全性能及試驗(yàn)要求,最終選擇射流噴射壓力為0.5 MPa。

2.3 靶距對(duì)融除冰效果的影響

當(dāng)熱力水射流融除冰裝置進(jìn)行路面除冰作業(yè)時(shí),噴嘴出口至冰面的垂直距離稱為靶距D。不同的靶距影響著熱水射流的結(jié)構(gòu)變化,進(jìn)而影響著路面冰層的清除效果。當(dāng)裝置對(duì)路面冰層進(jìn)行切割清除時(shí),噴嘴與冰面之間的靶距存在最佳值。當(dāng)靶距較小時(shí),熱水射流對(duì)路面冰層沖擊切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生反作用力,致使能量抵消,導(dǎo)致冰層切槽深度減小;選擇過大靶距時(shí),熱水射流的切割速度與集束性均下降,同時(shí)要克服空氣摩擦阻力,導(dǎo)致能量損失嚴(yán)重,則冰層的切槽深度也隨之變小。因此,需要選擇最佳的靶距來提高裝置的融除冰效果。在進(jìn)行除冰作業(yè)試驗(yàn)和研究時(shí),可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選擇最佳靶距。

D=(60～150)d

(2)

式中:D為最優(yōu)靶距,mm;d為噴嘴孔徑,mm。

圖5是裝置前進(jìn)速度為0.2 m/s,噴嘴孔徑為1.75 mm,水射流溫度在90 ℃,入射角為0°,射流壓力為0.5 MPa條件下不同靶距路面冰層切割深度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5 靶距與冰層切割深度關(guān)系曲線

由圖5中可知,不同的靶距對(duì)應(yīng)的切槽深度不同,由此可以得到靶距與切槽深度之間的關(guān)系以及擬合曲線的方程為:

f(x)=-0.000 404 2x2+0.108x-1.135

(3)

式中:f(x)為切槽深度;x為靶距。

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算以及試驗(yàn)結(jié)果分析可得出裝置的最優(yōu)靶距為135 mm。

2.4 熱力水射流融除冰裝置的除冰效果

對(duì)各除冰影響因素進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究分析得出,各因素對(duì)裝置融除冰作業(yè)均有影響。當(dāng)噴嘴孔徑為1.75 mm、射流噴射壓力為0.5 MPa、除冰靶距為135 mm、射流溫度在90 ℃左右時(shí)融除冰作業(yè)效果最佳。為此選擇最佳的各因素參數(shù)對(duì)熱力射流融除冰裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),選定除冰速度為0.15 m/s,再進(jìn)行相應(yīng)的融除冰作業(yè)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所列。試驗(yàn)研究表明:熱力射流融除冰裝置能很好地完成融除冰任務(wù)。融除冰效果圖如圖6所示。

表3 裝置融除冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 熱力水射流融除冰裝置除冰效果

3 結(jié) 語(yǔ)

文章提出了熱力水射流-機(jī)械復(fù)合融除冰技術(shù)并設(shè)計(jì)了熱力水射流融除冰裝置。對(duì)其融除冰過程中噴嘴孔徑、射流噴射壓力、除冰靶距、射流溫度等影響因素進(jìn)行相關(guān)的理論分析和試驗(yàn)研究,研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)噴嘴孔徑為1.75 mm、射流壓力為0.5 MPa、除冰靶距為135 mm、射流溫度為90 ℃左右時(shí)裝置的融除冰效果最好;選取最優(yōu)因素對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行相關(guān)除冰作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,裝置滿足設(shè)計(jì)要求并且能夠快速、高效、低成本地完成路面冰層的清除任務(wù)。