从解决扬尘的装备入手根治道路上方的细小颗粒化粉尘

王涤成

通过对车辆动力学、扫刷起尘过程的起尘动力学、尘流空气场、旋风分离技术以及整车结构优化等方面的研究和数字化分析设计，制造出先进的道路清扫保洁装备，提高了我国道路清扫机械的发展水平，根治道路上方的细小颗粒化粉尘，改善道路部分的环境，有效地减少和控制“霾”的产生。

Through research and digitization analysis and design of the vehicle dynamics， dust raising dynamics of sweepers dusting process， dust currents air field， cyclone separation technology and whole vehicles optimization， the advanced road sweep and clean equipment are made， which raise the road sweep and clean equipment of our country to a high level， radically solve the problem of the minor granulation dust， improve part of the road environment， and effectively reduce and control the generation of “haze”.

当前，人们是谈“霾”色变。确实，它是悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，使空气浑浊，不但会引起交通事故，而且它们在人们毫无防范的时候侵入人体呼吸道和肺叶中，从而引起呼吸、心血管、血液、生殖等系统的疾病。“霾”产生的机理非常复杂，就道路而言，主要是由于汽车尾气排放、抛洒垃圾、汽车行驶过程中轮胎与地面的强烈摩擦产生的炭黑微粒、对路面及车身周边的环境的扰动产生的扬尘，以及道路清扫保洁车辆产生的“二次扬尘”。

随着城市化进程的加快，道路上的人工清扫已经远远不能满足要求。与国外产品相比，国内产品的技术水平，尤其是控制系统和清扫效率、效果差距明显，因此研究和开发高品质的道路清扫车，有助于提高我国道路清扫机械的发展水平，有助于根治道路上方的细小颗粒化粉尘，改善道路部分的环境。

一、起尘动力及吸嘴、风道设计与分析

扫路车在工作时，设计的组合式吸嘴内部的气流流动状态一般为湍流。因此，气流在组合式吸嘴的吸盘内部对地面尘粒的作用过程，就是湍流对尘粒的作用过程。在湍流作用下，气流作用于尘粒上的力有以下四种：迎风阻力、冲击力、上升力和尘粒自身的重力。在扩展区域的边界条件设置上，可以假设离吸嘴较远的区域不受吸嘴的影响，故边界条件可设置为压力入口边界条件，入口边界上的静压值设为标准大气压。吸尘口的出口边界条件根据风机转速在2000r/min时的测试数据，设置为压力出口边界条件，相对压力大小为-1800Pa。如图1为组合式吸嘴的流场仿真模型。进气口的入口边界条件设置为速度入口边界条件，吸尘口的出口边界条件设置为压力出口边界条件，相对压力大小也为-1800Pa。两吸嘴均采用 双方程的湍流模型。

吸嘴在吸尘的过程中，吸嘴外部的空气被大量地吸入吸嘴内部，吸嘴内部的气流速度随着离吸尘口距离的增加而很快衰减。而组合式吸嘴凭借气幕射流的卷吸作用和对尘源的封闭作用，使吸尘口可以以较小的吸气量，实现对较远处灰尘的抽吸。同时，出口流量的减小意味着对风机、通风管道和气体处理设备等的要求也相应降低，既减少了设备的费用又达到了节能的目的。纯吸式吸嘴则必须加大吸气量，才能实现对较远控制点处灰尘的抽吸，而吸气量的增大直接导致对风机、通风管道和气体处理设备要求的提高，并增加了设备的费用，加大了能量的消耗。

二、旋风式水-尘、气-尘分离装置

传统的旋风分离装置的特点是，在风机的作用下，它可以将进入旋风分离装置中的粉状物（简称：粉尘）从气流中分离出来。它们不适用于含水的水粉气混合物的分离，在分离过程中，无法将水、粉尘和空气三者分别分离出来。然而，水粉气混合物的分离过程中，需要将水、粉状物和空气分别分离出来，尤其是水是具有一定的回收利用价值，若能将水、粉状物和空气分别分离出来，则水可回收，达到废水回用的目的。

三、清扫作业系统中的机电液控制

①液压控制

道路清扫保洁车辆作业系统液压控制系统主要功能：液压行走、盘刷上下、吸口升降、盘刷旋转、盘刷左右移动、风机的启动和停止、箱体举升和下降、舱门的开启和关闭。这些动作的实现都是靠阀控马达，以及阀控缸，因此，相对应的扫路车控制系统就是对这些电磁阀进行控制。

②清扫作业控制系统硬件设计

本项目采用80C51系列的单片机。在电磁阀驱动信号输出接口设计方面，驾驶员根据具体情况，通过操作開关向单片机发出命令后，命令经单片机处理转化为控制信号首先输出到8255的端口，再经过缓冲、隔离放大，驱动相应的电磁阀。

③扫路车盘刷转速控制

在实际清扫作业中，盘刷转速需要根据扫路车的速度变化而作相应的调节。本系统采用阀控方式对液压马达进行调速控制，即通过改变阀口的开度大小来调节负载流量以控制液压马达转速。为了适应单片机控制电路的要求，采用的由步进电机带动的数字节流阀来控制。

④单动程序的设计

单动程序的设计主要是控制清扫车的启动和倒车，以及盘刷的左右移动，风机的启动，作业系统的启动，盘刷的上下、避让，吸口的上下，控制垃圾箱门的开和关，垃圾箱的上升和下降。其程序设计相当简单，即在检测到相应控制开关闭合时，对应的输出控制位。

四、技术创新点

（1）机电液一体化控制系统数字化设计与建模，并采用阀控方式对液压马达进行调速控制，即通过改变阀口的开度大小来调节负载流量以控制液压马达转速，突破了清扫作业系统中的简单控制技术，实现了在实际清扫作业中，盘刷转速根据车辆行驶速度的变化而作相应的调节。

（2）基于FLUNT的扫刷起尘过程的起尘动力学分析以及尘流空气场系统设计建模；创新设计了新型风嘴及风道系统，从而有效地控制了二次扬尘。

（3）基于旋风分离的干湿两用除尘及脱水分离装置的设计建模；设计了一种旋风式水—尘、气—尘分离装置，该装置结构中的锥形内套筒的直径较大，则气流流速较小。实现水、尘、气三项分离，达到了新鲜气流排放的目的。

通过对干湿两用道路清扫保洁车辆的技术研究，符合全液压驱动吸扫式清扫车的技术发展方向，科技含量高，广泛适用于城市道路、公路、桥梁、广场、机场、码头等水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的机械化清扫保洁作业。制造出的先进道路清扫保洁装备，提高了我国道路清扫机械的发展水平，根治道路上方的细小颗粒化粉尘，改善道路部分的环境，有效地减少和控制“霾”的产生，为推动环卫产品的技术革新具有特别重要的意义。

（作者单位：江苏悦达专用车有限公司）