喷射式坑槽修补机集料喷射效率研究

王朋辉,胡永彪,李 清

(长安大学道路养护装备国家工程实验室,西安710064)



喷射式坑槽修补机集料喷射效率研究

王朋辉,胡永彪,李 清

(长安大学道路养护装备国家工程实验室,西安710064)

摘 要:为提高喷射式坑槽修补机集料喷射效率,利用龙格库塔法求解了集料颗粒群的运动微分方程,分析了气流速度、管道内径、管道倾斜角、管道材料和集料空气体积比率对集料输送特性的影响.提出了适用于喷射式坑槽修补机气力输送系统工作效率的评价指标,在多变量条件下分析输送系统压降、功率消耗和工作效率的变化规律.得出了集料空气质量混合比、管道内径和气流速度等参数的设计匹配原则.实验对比结果表明:压降最小时的气流速度误差在10%以内,管道内径只需满足所输送的集料粒径和质量流率即可,高效的集料输送区间可选择集料空气质量混合比8～10,相应气流速度大小为20～25 m/s.

关键词:集料喷射效率;参数匹配;评价指标;龙格库塔法;运动微分方程

喷射式坑槽修补机主要用于修补沥青路面上出现的坑槽病害,也可用于裂缝、凹陷、封层、罩面等多种路面预防性养护作业中.与传统修补方式的不同之处在于,喷射式修补不需要开挖坑槽、加热路面,是一种绿色新型的路面养护方式.该机利用空气的动能和压力能将集料输送到喷嘴处,与压送来的乳化沥青临时混合,然后经喷嘴喷射至坑槽中.

国内外有关喷射式坑槽修补机的研究较少,为研究其工作机理,对其喷射集料的输送特性进行研究十分必要.本文主要从集料的加速过程和喷射效率对集料输送特性进行分析研究.利用运动微分方程分析集料颗粒群的加速过程,其求解方法包括Runge-Kutta、Adams、Hammings、Euler-Cauchy 等[1-2].在气力输送能量消耗的研究方面,Li和Tomita在1996年提出了适用于以搬运物料为目的的气力输送系统能量消耗率的评价指标,并通过研究发现将漩涡流应用于垂直管道[3]或带弯管的水平管道[4],可提高系统的工作效率.基于Li和Tomita给出的评价指标,Rinoshika通过实验研究发现在管底设置沙丘模型[5]或者在空气入口设置软片[6]有利于减小压降和能量消耗.然而,Li和Tomita提出的能量消耗率的评价指标是针对以搬运物料为目的的气力输送系统,对于喷射集料的坑槽修补机并不适用.

本文作者采用龙格库塔法分析了气流速度、管道内径、倾斜角、管道颗粒阻力系数和集料-空气体积比率对输送特性的影响,提出了适用于喷射式坑槽修补集料输送效率的评价指标.为克服单变量分析不易得出最佳参数匹配的缺点,在多变量条件下分析相关参数对压降、功率消耗和工作效率的影响,以得出管道内径、管道材料、集料-空气质量混合比(即集料入口下料质量和空气入口提供的空气质量之比)和气流速度等参数的设计匹配原则.其中,管道内径、管道材料的研究有助于管道的设计,集料-空气质量混合比的研究可以为集料下料量的控制提供依据,而气流速度的研究对于风机的选型和应用具有指导意义.

1 集料喷射系统运动参数求解

喷射式坑槽修补机的集料喷射系统要求集料在管道出口处获得一定的出口速度,其工作装置简图如图1所示,可以看出,集料喷射系统实质是一条气力输送系统,可应用气力输送的相关理论进行研究.为研究方便,本文取直管输送部分进行分析,对于整个集料喷射系统同样具有指导意义.直管道集料输送系统简图见图2.

按照气力输送理论[7],集料颗粒群的悬浮速度可表示为

式中:ds为集料颗粒直径,m;ρs为集料颗粒密度,kg·m-3;ρa为空气密度,kg·m-3;C为单颗粒阻力系数;g为重力加速度,9.81 m2·s-1;Ks为集料颗粒形状修正系数;φ0为集料-空气体积比率,即管道中集料和空气的体积比值;β为与颗粒绕流相关的实验指数.

集料输送属于牛顿区,倾斜管内颗粒群的运动微分方程可表示为

式中:D为管道内径,m;θ为管道倾斜角;va为气流速度,m·s-1;vs为集料速度;L为输送距离,即管道长度,m;λs为与管道材料相关的颗粒阻力系数.

从式(2)可以看出,影响集料速度与管道长度关系曲线的因素有va、φ0、D、θ和管道材料.对这些因素,利用Matlab嵌入的龙格库塔法计算分析.

以ROSCO公司RA-400型坑槽修补机春季作业为例,施工中选择石灰岩作为修补集料,平均粒径为8 mm,密度为2.66×103kg/m3;空气密度(20℃时标准大气压下)为1.205 kg/m3.对于块状物料,在气力输送中,只考虑压差阻力,不考虑摩擦阻力,由表1知β=2.3,Re=v0dsρ/μ(Re为颗粒绕流雷诺数;μ为流体运动黏性系数;v0为球体的自由悬浮速度).

表1 实验指数与颗粒绕流雷诺数的关系Tab.1 Relationship of test index and Re

修补用集料颗粒的形状介于不规则块体和棱形体间,参考文献[7],不规则块体和棱形体的修正系数分别为2.27、1.76,由此得集料的修正系数为

以va=30 m/s,φ0=10%,D=0.09 m,λs= 0.008,θ=30°为基本条件,改变式(2)中1项因素的取值,进行求解分析,结果如图3～图7所示.由图3可知,管道内径D、管道倾斜角θ、管道阻力系数λs、集料-空气体积比率φ0不变的情况下,气流速度va越大,集料的最终速度vs越大,集料达到相同速度所需的输送距离L越短.由图4可知,va、θ、λs、φ0不变时,D越大,vs越大,L越短.由图5可知,va、D、λs、φ0不变时,θ越小,vs越大,L越短.由图6可知,va、D、θ、φ0不变时,λs越小,vs越大,L越短.由图7可知,va、D、θ、λs不变时,φ0越大,vs越大,L越短.

2 集料喷射效率研究

本文在文献[5]的基础上,提出了适用于集料喷射效率的评价指标,将喷射式气力输送系统工作效率定义为出口集料所获得的功率与气力输送系统消耗的功率之比,即

式中:Qa为空气体积流量,m3·s-1;Δp为空气压降,Pa;ms为集料入口质量流量.

集料-空气的质量混合比为km=ms/ma(ma为空气入口提供的空气质量)时

功率消耗为

在管道设计中,按照全加速段设计,其压力损失包括加速压损Δpma、摩擦压损Δpmf和颗粒群的提升压损Δpst,用公式表示为

式中,λa为空气阻力系数.

集料-空气的最终速度比[8]为

气力输送物料加速段后期的加速过程十分缓慢,认为达到最终速度的90%即为最终集料速度[8]

可以列出方程组影响因子之间的关系如图8所示,其中pi为管道入口压强.

从图8及式(5)和式(6)可看出,压降、功率消耗、工作效率的影响因子可以归结为集料-空气质量混合比km、管道内径D、气流速度va和管道入口压强pi的影响.分2种情况研究这些参数对喷射式集料输送特性的影响:①假定管道空气入口压强和气流速度不变.根据RA-400型喷补机实际工作状态,空气入口表压为20 k Pa,气流速度为50 m/s 时,分析集料-空气质量混合比和管道内径对集料输送特性的影响.②假定管道内径和空气入口压强不变.依据RA-400型喷补机规格,管道内径为0.09 m,管道入口表压为20 k Pa时,分析集料-空气质量混合比和气流速度对集料输送特性的影响.结合式(5)～式(14),用Matlab计算上述情况下的加速段总压降、功率消耗和工作效率,其结果分别如图9～图14所示.

图9～图11为空气入口压强和气流速度不变时的结果,可以看出:①压降随集料-空气质量混合比的增大而增大;与管道内径的变化几乎无关.②功率消耗随集料-空气质量混合比和管道内径的增加而增大.③工作效率随集料-空气质量混合比的增大而增大,与管道内径的变化几乎无关.

图12～图14为空气入口压强和管道内径不变时的结果,可以看出:①压降随气流速度的变化呈抛物线形,气流速度为15 m/s时压降最小.该气流速度大小附近,压降随集料-空气质量混合比的变化不明显,该气流速度范围之外,压降随集料-空气质量混合比的的增加而增大.②功率消耗随气流速度升高而增大;气流速度小于15 m/s时,功率消耗随集料-空气质量混合比的变化趋势不明显,气流速度大于15 m/s时,功率消耗随集料-空气质量混合比的增加而增大.③工作效率随气流速度的变化呈抛物线形,在15～25 m/s之间出现峰值,并且随集料-空气质量混合比的增加,峰值出现的位置沿着气流速度增加的方向移动.气流速度小于15 m/s时,工作效率随集料-空气质量混合比的变化趋势不明显,气流速度大于15 m/s时,工作效率随集料-空气质量混合比的增加而增大.

3 仿真结果验证

分析过程中,首先对集料群的运动微分方程进行了数值求解;其次提出了新的适用于喷射式坑槽修补机集料输送效率的评价指标,分析包括压力损失、功率消耗、工作效率3个部分,其中功率消耗属于压力损失的派生项目,为了判断本文结果的适用性和正确性,只需对压力损失和工作效率进行验证即可.为此,通过分析气流速度和混合比变化下压力损失及工作效率的仿真结果,来达到可信性判断.

3.1 气流速度变化下压力损失仿真

本文仿真分析中的直管道与文献[5]在管道底部没有设置沙丘模型时的实验类似.图15结果表明,压降随气流速度的变化呈抛物线形,物料质量流率分别为0.33 kg/s和0.43 kg/s时,压降的波谷值分别出现在气流速度14.2 m/s和13.5 m/s处.压降在气流速度为15 m/s时最小,与实验结果吻合,偏差在10%以内.

3.2 气流速度变化下工作效率仿真

文献[9]的实验中气流速度大于23.5 m/s,对于低气流速度的影响没有研究,如图16所示.结果表明,随气流速度的增加,单位物料输送能耗增大.工作效率在15～25 m/s之间出现峰值,气流速度大于25 m/s时,工作效率随气流速度增加而减小,与实验结果吻合.

3.3 混合比变化下工作效率仿真

文献[9]所用气流速度在23.5 m/s以上,图17结果表明,随小麦浓度比的增加,单位物料的输送能耗下降.气流速度大于23.5 m/s时,工作效率随集料-空气混合比的增加而增大,仿真分析与实验结果吻合.

4 结论

1)分析了气流速度、管道内径、倾斜角、管道颗粒阻力系数和集料-空气体积比率对输送特性的影响.发现单一参数变化的情况下,集料的最终速度与气流速度、集料-空气体积比率和管道内径成正比,与倾斜角度和管道材料阻力系数成反比.设计中管道倾斜角度和管道材料阻力系数越小越好,而气流速度、集料-空气体积比率和管道内径的选择还需结合输送系统工作效率.

2)提出了适合喷射式坑槽修补机气力输送系统工作效率的评价指标,将工作效率定义为出口集料所获得的功率与气力输送系统消耗的功率之比.同时综合相关气力输送方程进行了仿真计算,仿真结果与已有的实验结果达到很好的吻合,压降最小时的气流速度误差在10%以内,说明了该方法对于气力输送研究的适用性.

3)管道内径的增大对压降、工作效率没有影响,只是加大了功率消耗,而集料-空气质量混合比的增大对提高工作效率很有意义,但为保证集料连续输送,集料-空气质量混合比不易大于10;气流速度对工作效率的影响呈抛物线形.并在15～25 m/s之间出现峰值,随集料-空气质量混合比的增加,峰值出现的位置沿气流速度增加的方向移动.

4)本文的研究对喷射式坑槽修补机的设计和使用有一定的指导意义,有利于提高工作效率,降低能耗.而管道内径只需满足输送集料的粒径和质量流率的要求即可;对于集料入口下料量的选择,应控制集料-空气质量混合比在8～10之间;风机应能提供20～25 m/s的气流速度.

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Study on the aggregates spraying efficiency of pothole spray patcher

WANG Penghui,HU Yongbiao,LI Qing
(Road Maintenance Equipment National Engineering Laboratory,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

Abstract:In order to discuss the method of increasing aggregates spraying efficiency of pothole spray patcher,this paper analyzes the movement differential equation of aggregates using Runge-Kutta method.Five factors,air velocity,pipe diameter,pipe angle,pipe material and aggregatesgas volume ratio,that impact pneumatic conveying are discussed.The evaluation index of conveying efficiency suitable for pneumatic conveying system of pothole spray patcher is put forward.The changing characteristics of pressure drop,power consumption and aggregates conveying efficiency are analyzed with multi-variable method.The design principle of internal diameter of the pipeline,aggregates-gas mass ratio and air velocity etc.are concluded.The results show that the error of air velocity of minimum pressure drop is within 10%.The pipe inner diameter could be designed simply to meet the capacity of aggregate size and mass flow rate.The high conveying efficiency of aggregates-gas mass ratio is 8-10,and the relevant air velocity is 20-25 m/s.

Key words:aggregates spraying efficiency;parameter matching;evaluation index;Runge-Kutta method;movement differential equations

通信作者:胡永彪(1964—),男,山东枣庄人,教授,博士,博士生导师.email:chdhybiao@126.com.

作者简介:王朋辉(1988—),男,河南许昌人,博士生.研究方向为养护机械自动化及智能化.email:chdwanghui@126.com.

基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(310825153313)

收稿日期:2015-05-27

DOI:10.11860/j.issn.1673-0291.2016.01.014

文章编号:1673-0291(2016)01-0086-06

中图分类号:U418.62

文献标志码:A