新型非均匀融雪剂撒布设备的设计

郝志强，罗二娟，霍尚斌

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

0 引 言

目前，高速公路冬季除雪主要采用机械除雪和喷撒融雪剂除雪[1-3]的方法。喷撒融雪剂除雪是在原雪或残雪表面喷撒融雪剂以降低融点使雪变为液态水流出，可以有效并较为彻底地除雪[4-8]；但喷撒融雪剂会对高速公路及周围环境带来影响，减少融雪剂用量又会延长雪融时间[9-11]。因此，在保证高速公路尽快通车的前提下尽量减少融雪剂的使用量是目前高速公路养护亟待解决的问题。

基于对高速公路除雪工程的大量调查研究，本文提出一种新型撒布理论——非均匀撒布，并依据该理论研发一款脉冲式融雪剂撒布设备，并对其进行机械结构、电器控制设计，变常用的均匀撒布为脉冲式非均匀撒布，在减少撒布量的基础上提高融雪效率，实现冬季落雪后高速公路的快速通车。

1 撒布理论

1.1 均匀撒布理论

目前通用的融雪剂撒布方法为均匀撒布，即在单位面积上撒布固定数量的融雪剂，但这个数量有限，如碰到压实雪或积雪较厚时融雪时间会更长。增加融雪剂的撒布量会提高雪的消融速度，但是会对周围环境造成较大影响，因此只能寻求其他办法，以期使用最少的融雪剂实现快速融雪。

1.2 非均匀撒布理论

本文通过研究人工和机械撒布的不同，提出以脉冲撒布为主的融雪剂撒布工艺和专用机械撒布装置，变融雪剂均匀撒布为脉冲型非均匀撒布。这种新工艺的技术前提如下。

(1)雪的消融速度与融雪剂在雪中的含量成正比。本文使融雪剂在落雪表面形成不均匀的脉冲形撒布面，从而构建相对快速的雪融线，雪融水还可以对路拱下段的落雪形成冲刷的趋势，以此完成道路的快速除雪。

(2)撒布一定浓度的液化盐水比撒布融雪剂融雪速度更快。

(3)高速公路路面呈2°～5°坡角，雪消融后可以顺利流向低侧。

2 撒布方式的确定

基于上述理论分析，本文提出了点式撒布、线性撒布和混合线性撒布3种非均匀撒布方式，同时与均匀撒布进行对比。为了确定最佳撒布方式，进行了高速公路实地融雪试验，人工模拟融雪剂的不均匀撒布，对除雪过程进行不间断观察记录，并对数据进行深入分析。

(1)均匀撒布方式。使用融雪剂撒布车在试验区域内按40 g·m-2的撒布量进行融雪剂的均匀撒布。实际撒布面积为18 m2。

(2)点式撒布。通过人工手段进行点式非均匀撒布，实际有效撒布面积为3.2 m2，撒布量约为225 g·m-2。

(3)线性撒布。通过人工手段进行线性撒布，实际有效撒布面积为6.5 m2，撒布量约为110 g·m-2。

(4)混合线性撒布。通过人工手段进行混合线性撒布，实际有效撒布面积为7.1 m2，撒布量约为101 g·m-2。

4种撒布方式融雪情况如图1所示。根据试验数据绘制不同时间段内各种撒布方式融雪能力曲线，如图2所示。

图1 4种撒布方式的融雪情况

图2 4种撒布方式融雪能力比较

从图2可以看出：3种非均匀撒布方式下，融雪效率远高于均匀撒布，且融雪前期3种非均匀撒布的效率相当，融雪后期混合线性撒布的融雪效率最高。综上所述，本文设计的脉冲式融雪剂撒布车拟采用混合线性撒布方式。

3 非均匀撒布设备设计

撒布设备主要由牵引车、动力源、料斗、螺旋输送器、撒布装置、电机驱动装置、电路控制系统等组成。工作原理是：将撒布设备安装在牵引车上，料斗装满融雪剂，通过皮带机输送到过渡料斗，落料到螺旋输送器，螺旋输送器在电机的带动下将融雪剂送入撒布螺旋和摇摆撒布装置，通过这2种撒布装置将融雪剂以混合线性方式撒布到路面上[12-15]。

3.1 料斗设计

参照现有撒布车设计料斗，如图3所示。料斗为梯形截面，长边为1 600 mm，短边为250 mm，高为1 000 mm。料斗长度为3 000 mm，体积为2.775 m3。

据此计算料斗容量为6.008 t，满足6 t的设计要求。

3.2 撒布装置的设计

根据撒布路线(图4)设计撒布装置，包括螺旋撒布及摇摆撒布2部分。螺旋撒布机构实现直线撒布，摇摆撒布机构实现斜线撒布，其中螺旋撒布通过6个撒布螺旋实现，如图5所示。

图3 料斗

图4 撒布路线

图5 螺旋输送器及撒布螺旋

3.2.1 螺旋撒布装置

螺旋输送主要分为水平和垂直螺旋输送[16-19]，根据撒布螺旋的工作特点，确定采用水平固定式单螺旋输送，其结构如图6所示。

图6 撒布螺旋装置

撒布装置最大撒布量为2 240 kg·h-1，将其平均分配到6个撒布螺旋和2个摇摆撒布机构，每个撒布螺旋的最大撒布量为280 kg·h-1，设撒布螺旋输送量为1.3倍的撒布量，则以364 kg·h-1的输送量计算撒布螺旋尺寸。

螺旋叶片直径为

式中：K为物料综合系数，取0.063 2；Q为螺旋输送量，为0.364 t·h-1；φ为填充系数，取0.2；λ为物料单位容积质量，为2.165 t·m-3；ε为输送系数。计算得到叶片直径D=60 mm。

根据上述所有参数，确定撒布螺旋结构如图7所示。

图7 撒布螺旋结构

根据撒布宽度，确定各撒布螺旋长度分别为1 200、700、250 mm。

3.2.2 摇摆撒布机构

摇摆撒布机构为曲柄摇杆机构(图8)，其摆动角度范围为-45°～45°；由电机驱动圆盘旋转，从而带动末端摇杆摆动，完成融雪剂撒布。

图8 摇摆撒布机构

3.3 螺旋输送器的设计

考虑到实际情况，螺旋输送器的设计参数与撒布螺旋相同，反螺旋轴转速不同。由于每个螺旋输送器给3个撒布螺旋和1个摇摆撒布机构输送融雪剂，而撒布螺旋选定减速比为29，转速为52 r·min-1，查阅电机参数，确定螺旋输送器减速比为11，转速为136 r·min-1，螺旋输送器长度为750 mm，4个落料口分别连接3个撒布螺旋和1个摇摆撒布机构。

3.4 电机驱动装置的设计

3.4.1 功率计算

为简便起见，在计算功率的时候，主要计算以下几个主要部分：物料运行所需功率P1、空载运转所需功率P2， 以及由于倾斜引起的附加功率P3。其中P1=QLμ/367，P2=DL/20，P3=QHsinβ/367，则

P=P1+P2+P3=QLμ/367+DL/20+

QHsinβ/367

(1)

式中：P为螺旋输送机的驱动功率(kW)；Q为输送量(t·h-1)；L为输送距离(m)；β为倾斜角；H为倾斜高度(m)，H=Lsinβ；D为螺旋外径(m)；μ为物料运行的阻力系数(融雪剂取6.1)。

电动机驱动功率

(2)

式中：ξ为功率储备系数，一般取1.2～1.4；η为电动机传动效率，η≤0.9(本文取0.9)。

由于整个螺旋输送设备连续作业，其正常运转不允许任何部位发生故障，且作业自动化程度很高，所以要求所使用的输送设备应有较大的功率储备。

3.4.2 撒布螺旋驱动电机的选取

根据上述功率计算理论，计算撒布螺旋所需功率。由于1个电机驱动带动3个撒布螺旋旋转，所以需通过计算3个撒布螺旋所需功率确定电机驱动功率。

第1个撒布螺旋所需功率为0.01 kW，第2个撒布螺旋所需功率为0.005 8 kW，第3个撒布螺旋所需功率为0.0021 kW。3个撒布螺旋通过三级链轮传动，考虑到实际情况并结合已有经验，设定链轮的传动效率为0.3，撒布螺旋所需的功率通过式(2)计算得到P=0.176 kW。所以，电机驱动功率N=0.493 kW。

实际运行中，由于螺旋轴需要焊接，轴承安装同心度对转动性能影响很大，电机驱动功率应当选大一点，以确保达到所需的撒布量。

3.4.3 螺旋输送器驱动电机的选取

螺旋输送器为3个撒布螺旋和1个摇摆机构提供融雪剂，通过二级链轮传动，其所需的功率为0.227 kW。则电机驱动功率N=0.635 6 kW。

考虑到轴承安装同心度的影响，螺旋输送器驱动电机选用功率为0.75 kW、转速为136 r·min-1、减速比为11的摆线针轮减速机。

3.4.4 摇摆撒布机构驱动电机的选取

摇摆撒布机构是曲柄摇杆机构，电机用来驱动圆盘转动实现斜撒布，电机选型主要考虑转速。

撒布车行车速度为10 km·h-1，撒布宽度为1.4 m，设定斜撒布与水平方向夹角为45°，每分钟摇摆29.6次，所以在给定转速为35 r·min-1、减速比为29的情况下，根据曲柄机构实际情况(转动副采用硬转动)及经验值，确定驱动功率为0.75 kW。

3.4.5 发电机组及汽油机的选取

本融雪剂撒布设备共有4个驱动电机，功率均为0.75 kW，考虑实际传动效率，选用6.5 kW的发电机组，以确保整个系统的正常运行。发电机组的型号为6.5GF2-4。

3.5 控制系统设计

非均匀撒布设备采用闭式控制系统控制整体撒布量。撒布量的大小取决于融雪剂的输送量(由螺旋输送器的转速决定)和汽车行驶速度。 当撒布量大小设定后，要达到定量撒布，输送量必须随车速的变化而变化。当车速加快时，输送量需要加大，反之减少。因此必须对汽车行驶速度进行检测，根据检测到的数据并与设定的撒布宽度一起通过PLC运算处理，得到螺旋输送器的理想转速；再将螺旋输送器的实际转速与理想值进行比较，对变频器进行频率调节，使撒布量始终维持在设定的范围内。

3.5.1 检测单元

检测单元包括车速传感器和料位计。车速传感器用于检测撒布车的车速，根据车速来调节撒布螺旋的输送量，保证单位面积的撒布量满足设定要求。2个料位计装在过渡料斗上，分别检测融雪剂的高低位，在低料位时输送带开启，向过渡料斗输送融雪剂，在高料位时输送带停止。

3.5.2 控制单元

控制单元采用工业级的西门子S7-200可编程逻辑控制器，选取高可靠性的接触器、变频器、继电器等外围元器件，控制电路安装专业级的防水配电柜，保证撒布车能够稳定连续地工作。

由于撒布车在行驶过程中速度会改变，需要调节撒布螺旋的撒布量，来保证撒布的准确性。因此，以撒布车车速和撒布量为输入参数，通过自适应控制算法计算出撒布螺旋的频率。此外，通过检测积料斗的高低料位，保证积料斗在工作时处于有料状态。控制逻辑如图9所示。

图9 控制逻辑

3.6 非均匀撒布设备试验及工业考核

设计完成后，对非均匀撒布设备进行生产装配，并进行除雪试验和工业考核。对驱动电机频率与螺旋输送量的关系、运行速度与撒布量的同步关系进行测试，结果验证了设计数学模型的正确性。同时，在高速公路实地进行除雪作业，证明在单位面积撒布量不变的条件下，由非均匀撒布替代均匀撒布，可以将局部的有效撒布密度增大3倍左右，大大提高了融雪效率，实现了高速公路落雪后快速通车。

4 结 语

本文设计的新型非均匀融雪剂撒布设备，主要用于在冬季下雪或结冰路面上撒布融雪剂，是一种道路养护专用设备。区别于传统的均匀撒布，该设备采用非均匀撒布工艺，可以实现落雪快速液化。融雪剂的撒布由特殊设计的螺旋和摇摆撒布机构完成。此融雪剂撒布设备技术成熟度高、实用性好，可直接用于公路融雪剂撒布除雪工作，减少融雪剂使用对环境造成的影响并提高撒布效率，较目前常用的融雪剂均匀撒布工艺的融雪速度提高10%～30%，实现了冬季落雪后道路的快速通车，具有明显的市场竞争力和应用价值。

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