郝志強(qiáng)，羅二娟，霍尚斌

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

0 引 言

目前，高速公路冬季除雪主要采用機(jī)械除雪和噴撒融雪劑除雪[1-3]的方法。噴撒融雪劑除雪是在原雪或殘雪表面噴撒融雪劑以降低融點(diǎn)使雪變?yōu)橐簯B(tài)水流出，可以有效并較為徹底地除雪[4-8]；但噴撒融雪劑會(huì)對(duì)高速公路及周圍環(huán)境帶來(lái)影響，減少融雪劑用量又會(huì)延長(zhǎng)雪融時(shí)間[9-11]。因此，在保證高速公路盡快通車的前提下盡量減少融雪劑的使用量是目前高速公路養(yǎng)護(hù)亟待解決的問(wèn)題。

基于對(duì)高速公路除雪工程的大量調(diào)查研究，本文提出一種新型撒布理論——非均勻撒布，并依據(jù)該理論研發(fā)一款脈沖式融雪劑撒布設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)、電器控制設(shè)計(jì)，變常用的均勻撒布為脈沖式非均勻撒布，在減少撒布量的基礎(chǔ)上提高融雪效率，實(shí)現(xiàn)冬季落雪后高速公路的快速通車。

1 撒布理論

1.1 均勻撒布理論

目前通用的融雪劑撒布方法為均勻撒布，即在單位面積上撒布固定數(shù)量的融雪劑，但這個(gè)數(shù)量有限，如碰到壓實(shí)雪或積雪較厚時(shí)融雪時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。增加融雪劑的撒布量會(huì)提高雪的消融速度，但是會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成較大影響，因此只能尋求其他辦法，以期使用最少的融雪劑實(shí)現(xiàn)快速融雪。

1.2 非均勻撒布理論

本文通過(guò)研究人工和機(jī)械撒布的不同，提出以脈沖撒布為主的融雪劑撒布工藝和專用機(jī)械撒布裝置，變?nèi)谘﹦┚鶆蛉霾紴槊}沖型非均勻撒布。這種新工藝的技術(shù)前提如下。

(1)雪的消融速度與融雪劑在雪中的含量成正比。本文使融雪劑在落雪表面形成不均勻的脈沖形撒布面，從而構(gòu)建相對(duì)快速的雪融線，雪融水還可以對(duì)路拱下段的落雪形成沖刷的趨勢(shì)，以此完成道路的快速除雪。

(2)撒布一定濃度的液化鹽水比撒布融雪劑融雪速度更快。

(3)高速公路路面呈2°～5°坡角，雪消融后可以順利流向低側(cè)。

2 撒布方式的確定

基于上述理論分析，本文提出了點(diǎn)式撒布、線性撒布和混合線性撒布3種非均勻撒布方式，同時(shí)與均勻撒布進(jìn)行對(duì)比。為了確定最佳撒布方式，進(jìn)行了高速公路實(shí)地融雪試驗(yàn)，人工模擬融雪劑的不均勻撒布，對(duì)除雪過(guò)程進(jìn)行不間斷觀察記錄，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。

(1)均勻撒布方式。使用融雪劑撒布車在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)按40 g·m-2的撒布量進(jìn)行融雪劑的均勻撒布。實(shí)際撒布面積為18 m2。

(2)點(diǎn)式撒布。通過(guò)人工手段進(jìn)行點(diǎn)式非均勻撒布，實(shí)際有效撒布面積為3.2 m2，撒布量約為225 g·m-2。

(3)線性撒布。通過(guò)人工手段進(jìn)行線性撒布，實(shí)際有效撒布面積為6.5 m2，撒布量約為110 g·m-2。

(4)混合線性撒布。通過(guò)人工手段進(jìn)行混合線性撒布，實(shí)際有效撒布面積為7.1 m2，撒布量約為101 g·m-2。

4種撒布方式融雪情況如圖1所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制不同時(shí)間段內(nèi)各種撒布方式融雪能力曲線，如圖2所示。

圖1 4種撒布方式的融雪情況

圖2 4種撒布方式融雪能力比較

從圖2可以看出：3種非均勻撒布方式下，融雪效率遠(yuǎn)高于均勻撒布，且融雪前期3種非均勻撒布的效率相當(dāng)，融雪后期混合線性撒布的融雪效率最高。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的脈沖式融雪劑撒布車擬采用混合線性撒布方式。

3 非均勻撒布設(shè)備設(shè)計(jì)

撒布設(shè)備主要由牽引車、動(dòng)力源、料斗、螺旋輸送器、撒布裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、電路控制系統(tǒng)等組成。工作原理是：將撒布設(shè)備安裝在牽引車上，料斗裝滿融雪劑，通過(guò)皮帶機(jī)輸送到過(guò)渡料斗，落料到螺旋輸送器，螺旋輸送器在電機(jī)的帶動(dòng)下將融雪劑送入撒布螺旋和搖擺撒布裝置，通過(guò)這2種撒布裝置將融雪劑以混合線性方式撒布到路面上[12-15]。

3.1 料斗設(shè)計(jì)

參照現(xiàn)有撒布車設(shè)計(jì)料斗，如圖3所示。料斗為梯形截面，長(zhǎng)邊為1 600 mm，短邊為250 mm，高為1 000 mm。料斗長(zhǎng)度為3 000 mm，體積為2.775 m3。

據(jù)此計(jì)算料斗容量為6.008 t，滿足6 t的設(shè)計(jì)要求。

3.2 撒布裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)撒布路線(圖4)設(shè)計(jì)撒布裝置，包括螺旋撒布及搖擺撒布2部分。螺旋撒布機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線撒布，搖擺撒布機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斜線撒布，其中螺旋撒布通過(guò)6個(gè)撒布螺旋實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖3 料斗

圖4 撒布路線

圖5 螺旋輸送器及撒布螺旋

3.2.1 螺旋撒布裝置

螺旋輸送主要分為水平和垂直螺旋輸送[16-19]，根據(jù)撒布螺旋的工作特點(diǎn)，確定采用水平固定式單螺旋輸送，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 撒布螺旋裝置

撒布裝置最大撒布量為2 240 kg·h-1，將其平均分配到6個(gè)撒布螺旋和2個(gè)搖擺撒布機(jī)構(gòu)，每個(gè)撒布螺旋的最大撒布量為280 kg·h-1，設(shè)撒布螺旋輸送量為1.3倍的撒布量，則以364 kg·h-1的輸送量計(jì)算撒布螺旋尺寸。

螺旋葉片直徑為

式中：K為物料綜合系數(shù)，取0.063 2；Q為螺旋輸送量，為0.364 t·h-1；φ為填充系數(shù)，取0.2；λ為物料單位容積質(zhì)量，為2.165 t·m-3；ε為輸送系數(shù)。計(jì)算得到葉片直徑D=60 mm。

根據(jù)上述所有參數(shù)，確定撒布螺旋結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 撒布螺旋結(jié)構(gòu)

根據(jù)撒布寬度，確定各撒布螺旋長(zhǎng)度分別為1 200、700、250 mm。

3.2.2 搖擺撒布機(jī)構(gòu)

搖擺撒布機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(圖8)，其擺動(dòng)角度范圍為-45°～45°；由電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)末端搖桿擺動(dòng)，完成融雪劑撒布。

圖8 搖擺撒布機(jī)構(gòu)

3.3 螺旋輸送器的設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際情況，螺旋輸送器的設(shè)計(jì)參數(shù)與撒布螺旋相同，反螺旋軸轉(zhuǎn)速不同。由于每個(gè)螺旋輸送器給3個(gè)撒布螺旋和1個(gè)搖擺撒布機(jī)構(gòu)輸送融雪劑，而撒布螺旋選定減速比為29，轉(zhuǎn)速為52 r·min-1，查閱電機(jī)參數(shù)，確定螺旋輸送器減速比為11，轉(zhuǎn)速為136 r·min-1，螺旋輸送器長(zhǎng)度為750 mm，4個(gè)落料口分別連接3個(gè)撒布螺旋和1個(gè)搖擺撒布機(jī)構(gòu)。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

3.4.1 功率計(jì)算

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在計(jì)算功率的時(shí)候，主要計(jì)算以下幾個(gè)主要部分：物料運(yùn)行所需功率P1、空載運(yùn)轉(zhuǎn)所需功率P2， 以及由于傾斜引起的附加功率P3。其中P1=QLμ/367，P2=DL/20，P3=QHsinβ/367，則

P=P1+P2+P3=QLμ/367+DL/20+

QHsinβ/367

(1)

式中：P為螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率(kW)；Q為輸送量(t·h-1)；L為輸送距離(m)；β為傾斜角；H為傾斜高度(m)，H=Lsinβ；D為螺旋外徑(m)；μ為物料運(yùn)行的阻力系數(shù)(融雪劑取6.1)。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率

(2)

式中：ξ為功率儲(chǔ)備系數(shù)，一般取1.2～1.4；η為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率，η≤0.9(本文取0.9)。

由于整個(gè)螺旋輸送設(shè)備連續(xù)作業(yè)，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)不允許任何部位發(fā)生故障，且作業(yè)自動(dòng)化程度很高，所以要求所使用的輸送設(shè)備應(yīng)有較大的功率儲(chǔ)備。

3.4.2 撒布螺旋驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取

根據(jù)上述功率計(jì)算理論，計(jì)算撒布螺旋所需功率。由于1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)3個(gè)撒布螺旋旋轉(zhuǎn)，所以需通過(guò)計(jì)算3個(gè)撒布螺旋所需功率確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率。

第1個(gè)撒布螺旋所需功率為0.01 kW，第2個(gè)撒布螺旋所需功率為0.005 8 kW，第3個(gè)撒布螺旋所需功率為0.0021 kW。3個(gè)撒布螺旋通過(guò)三級(jí)鏈輪傳動(dòng)，考慮到實(shí)際情況并結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定鏈輪的傳動(dòng)效率為0.3，撒布螺旋所需的功率通過(guò)式(2)計(jì)算得到P=0.176 kW。所以，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率N=0.493 kW。

實(shí)際運(yùn)行中，由于螺旋軸需要焊接，軸承安裝同心度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)性能影響很大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)當(dāng)選大一點(diǎn)，以確保達(dá)到所需的撒布量。

3.4.3 螺旋輸送器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取

螺旋輸送器為3個(gè)撒布螺旋和1個(gè)搖擺機(jī)構(gòu)提供融雪劑，通過(guò)二級(jí)鏈輪傳動(dòng)，其所需的功率為0.227 kW。則電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率N=0.635 6 kW。

考慮到軸承安裝同心度的影響，螺旋輸送器驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用功率為0.75 kW、轉(zhuǎn)速為136 r·min-1、減速比為11的擺線針輪減速機(jī)。

3.4.4 搖擺撒布機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取

搖擺撒布機(jī)構(gòu)是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)斜撒布，電機(jī)選型主要考慮轉(zhuǎn)速。

撒布車行車速度為10 km·h-1，撒布寬度為1.4 m，設(shè)定斜撒布與水平方向夾角為45°，每分鐘搖擺29.6次，所以在給定轉(zhuǎn)速為35 r·min-1、減速比為29的情況下，根據(jù)曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)際情況(轉(zhuǎn)動(dòng)副采用硬轉(zhuǎn)動(dòng))及經(jīng)驗(yàn)值，確定驅(qū)動(dòng)功率為0.75 kW。

3.4.5 發(fā)電機(jī)組及汽油機(jī)的選取

本融雪劑撒布設(shè)備共有4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，功率均為0.75 kW，考慮實(shí)際傳動(dòng)效率，選用6.5 kW的發(fā)電機(jī)組，以確保整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組的型號(hào)為6.5GF2-4。

3.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

非均勻撒布設(shè)備采用閉式控制系統(tǒng)控制整體撒布量。撒布量的大小取決于融雪劑的輸送量(由螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定)和汽車行駛速度。 當(dāng)撒布量大小設(shè)定后，要達(dá)到定量撒布，輸送量必須隨車速的變化而變化。當(dāng)車速加快時(shí)，輸送量需要加大，反之減少。因此必須對(duì)汽車行駛速度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的撒布寬度一起通過(guò)PLC運(yùn)算處理，得到螺旋輸送器的理想轉(zhuǎn)速；再將螺旋輸送器的實(shí)際轉(zhuǎn)速與理想值進(jìn)行比較，對(duì)變頻器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，使撒布量始終維持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

3.5.1 檢測(cè)單元

檢測(cè)單元包括車速傳感器和料位計(jì)。車速傳感器用于檢測(cè)撒布車的車速，根據(jù)車速來(lái)調(diào)節(jié)撒布螺旋的輸送量，保證單位面積的撒布量滿足設(shè)定要求。2個(gè)料位計(jì)裝在過(guò)渡料斗上，分別檢測(cè)融雪劑的高低位，在低料位時(shí)輸送帶開(kāi)啟，向過(guò)渡料斗輸送融雪劑，在高料位時(shí)輸送帶停止。

3.5.2 控制單元

控制單元采用工業(yè)級(jí)的西門子S7-200可編程邏輯控制器，選取高可靠性的接觸器、變頻器、繼電器等外圍元器件，控制電路安裝專業(yè)級(jí)的防水配電柜，保證撒布車能夠穩(wěn)定連續(xù)地工作。

由于撒布車在行駛過(guò)程中速度會(huì)改變，需要調(diào)節(jié)撒布螺旋的撒布量，來(lái)保證撒布的準(zhǔn)確性。因此，以撒布車車速和撒布量為輸入?yún)?shù)，通過(guò)自適應(yīng)控制算法計(jì)算出撒布螺旋的頻率。此外，通過(guò)檢測(cè)積料斗的高低料位，保證積料斗在工作時(shí)處于有料狀態(tài)?？刂七壿嬋鐖D9所示。

圖9 控制邏輯

3.6 非均勻撒布設(shè)備試驗(yàn)及工業(yè)考核

設(shè)計(jì)完成后，對(duì)非均勻撒布設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)裝配，并進(jìn)行除雪試驗(yàn)和工業(yè)考核。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻率與螺旋輸送量的關(guān)系、運(yùn)行速度與撒布量的同步關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的正確性。同時(shí)，在高速公路實(shí)地進(jìn)行除雪作業(yè)，證明在單位面積撒布量不變的條件下，由非均勻撒布替代均勻撒布，可以將局部的有效撒布密度增大3倍左右，大大提高了融雪效率，實(shí)現(xiàn)了高速公路落雪后快速通車。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型非均勻融雪劑撒布設(shè)備，主要用于在冬季下雪或結(jié)冰路面上撒布融雪劑，是一種道路養(yǎng)護(hù)專用設(shè)備。區(qū)別于傳統(tǒng)的均勻撒布，該設(shè)備采用非均勻撒布工藝，可以實(shí)現(xiàn)落雪快速液化。融雪劑的撒布由特殊設(shè)計(jì)的螺旋和搖擺撒布機(jī)構(gòu)完成。此融雪劑撒布設(shè)備技術(shù)成熟度高、實(shí)用性好，可直接用于公路融雪劑撒布除雪工作，減少融雪劑使用對(duì)環(huán)境造成的影響并提高撒布效率，較目前常用的融雪劑均勻撒布工藝的融雪速度提高10%～30%，實(shí)現(xiàn)了冬季落雪后道路的快速通車，具有明顯的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用價(jià)值。

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