振吸式透水路面养护车的研究

张耀

摘要：本文揭示了震动加吸尘双作用清理透水路面灰尘及颗粒物的原理，解决了海绵道路透水缝隙内堵塞物清理的课题。提供了透水路面养护车的实验模型车的结构框架及初试情景，为透水路面清理机械的开发提供了思路。

Abstract： In this paper， the principle of cleaning up dust and particles on the permeable road surface with dual action of vibration and dust suction is revealed， and the problem of cleaning up the blockage in the permeable gap of the sponge road is solved. The structure frame and preliminary test scenario of the experimental model of permeable pavement main tenance vehicle are provided， which provides ideas for the development of permeable pavement cleaning machinery.

关键词：电磁振动轮;吸尘装置;灰尘收集

Key words： electromagnetic vibration wheel;dust suction equipment;dust collection

中图分类号：U414;U416.2                              文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）21-0207-02

0  引言

为了改善城市空气环境，我國近几年海绵道路铺设量大幅度增加，但是随着时间的增加，灰尘颗粒物堵塞海绵路面毛细孔使透水效果降低。据国外统计数据，5年以上的海绵道路如不清理，透水率将减少90%。所以清理海绵路面凹坑及缝隙内的灰尘颗粒物是一项亟待解决的课题。目前我国广泛采用以高压水冲洗及吸尘方式清理海绵道路，上述两种方式各有利弊。高压水冲洗能彻底清理海绵道路的凹坑及表面颗粒物给人一个良好的视角效果，但是细小的泥沙更容易随水流进入渗水缝隙中而造成堵塞，并且成本较高。采用吸尘方式清理海绵道路，可有效地将浮游在海绵路面凹坑及缝隙中浅层的灰尘颗粒物吸出，设备成本低，耗能少应用价值较高。但是有些镶嵌在凹坑及缝隙中的颗粒物，由于气体只在地表面流动，单靠负压气流很难将其吸出。目前也有研究报到采用吹吸两种方式清理海绵道路的原理，本课题根据其报道原理进行了实验，采用吹吸双作用对单一吸尘方式清理效果取得了较大的提高，但对卡在凹槽（或缝隙）中的颗粒物还是不能吸出，并且吹气（正压）和吸气（负压）压力很难匹配，特别是当吹气能量（正压）较大时将部分灰尘吹出工作面造成污染，吹起压力较小时作用于地面的气流能量减少，除尘效果降低。本文根据上述分析提出了振动吸尘的清理原理，即先对地面施加激振，使镶嵌的颗粒松动，呈悬浮状态而后被负压气流带走，经过实验证实具有较大的可行性。

1  振动吸尘装置的工作原理

振动吸尘装置有电磁振动器、电磁振动轮、柔性围挡、吸口等组成如图1所示。振动吸尘装置又称振动吸盘，在吸盘的周围固定有柔性挡板，挡板离地面有10毫米左右的间隙，是空气进入的通道，电磁吸盘内部呈负压区。在电磁吸盘内部装有电磁振动器将震动能量作用在振动轮轮，振动轮的后方是负压吸气口。

振动源由振动电磁铁提供，其原理为电磁线圈由交流电经二极管整流供电。当线路接通后，正半周脉动直流电压加在电磁线圈上，由于电磁铁的作用，在振动体和机座之间产生脉冲电磁力，振动体被吸引，此时弹性系统贮存势能，使振动体向相反的方向振动。这样周而复始，振动体便以交流电的频率往复振动。交流电有由车载发动机驱动的交流发电机提供，交流电通过控制器调节频率，实现振动频率的变化。激振总能量与振动电磁铁衔铁质量、震动频率、震动轮系统的结构、质量等因素有关，是一个复杂的振动系统。实验证明通过改变震动频率，获得系统的共振点，这时激振总能量最大，振动能量通过振动轮作用于地面，使镶嵌在凹坑或缝隙中的颗粒物松动并产生跳动，然后被负压气流吸起送入输送管道，对应的除尘效果最好。

2  除尘器的结构与原理设计

除尘器采用沉降除尘，惯性除尘及袋式过滤除尘三种原理如图2。除尘器装置由吸尘管道、导流板、沉降器（垃圾箱）、袋式过滤器、吸尘风机等组成。吸尘风机进气口与密闭的箱体上口连接，箱体的另一端连接吸尘管道（即吸口），由于吸尘风机进口接口大于输送管道下端吸盘与地面的间隙面积，所以箱体内部呈负压状态，高速气流在流动过程中将地面灰尘及颗粒物随空气分子通过管道流入箱体下部。导流板与箱体下部空间是一个变截面空间，从气流进口处到出口处空间逐渐增大，含有灰尘及颗粒物的高速气流在进入箱体后其流速降低压力升高，流动呈层流状态水平方向运动。在这个过程中空气中的灰尘及颗粒物在重力的作用下，在流动过程中与空气分离，根据质量的不同一次降落在沉降室（垃圾箱体）内，粉尘类物质随气流运动到导流板右端急转弯，质量较大的物质在离心力的作用下抛到壁面滑落下来，更轻质的粉尘随气流的流动堆积到袋式过滤器的外壁，气体通过过滤后进入吸尘风机进口。上述过程揭示了灰尘及颗粒物在除尘器中气固两相的分离原理，即沉降（重力）除尘.惯性除尘，袋式过滤除尘三个过程。

透水路面养护车的最后一级除尘采用负压外滤袋式除尘器，过滤袋采用氯纶纤维滤布制成，净化后的气体进入风机后排出，减少了风机的磨损，灰尘堆积在过滤器的外壁。过滤器采用快速装卸方式清理方便。氯纶纤维滤布具有良好的阻燃效果，可防止吸入物中因残留火种（例如未熄灭的烟疤等）引发的火灾隐患。

3  透水路面养护车动力系统设计

透水路面养护车动力系统采用单缸水冷四冲程汽油机作为动力源，汽油发动机驱动离心式自动变速器，离心式自动变速器的输出端通过皮带传动机构分别将动力传给吸尘风机及发电机，发电机给振动电磁铁系统供电。

3.1 吸尘风机功率的确定

透水路面养护车动力系统总功率采用反推法确定，即先确定风机和发电机功率再确定发动机功率。本课题研究的振吸式透水路面养护车主要用于城市海绵路面清理作业，其抽吸物多为粉尘状泥土及较小的石质颗粒物以及树叶等物质，其真密度一般不大于5g/cm3，设计吸尘口尺寸600×4cm，空气流速不小于3m3/min。考虑到空气流道的延程阻力损失和袋式除尘过滤器的阻力，经过计算和试验确定采用9-19型离心式风机，流量1174～2504m3/n。转速2900r/min，全压4602～4112pa，内效率71%，电机功率4kW。

3.2 发动机功率的确定

透水路面养护车的动力根据其使用特点，采用了单缸四冲程汽油发动机作为动力源，发动机的功率Ne如下式所示Ne=■

式中：Nf—风机功率，kW;Nd—发电机功率，kW;？浊l—离合器效率;？浊b—变速器效率;？浊p—皮带传动效率。

根据上式发动機计算输出功率Ne为6.6kW。根据汽油发动机的速度特性曲线，发动机油耗曲线的最低点附近为经济油耗区，所对应的功率一般为发动机最大功率的60%到70%，将该区域作为常用工况，有利于经济性和排放性的提高。因此根据发动机计算功率6.6kW及功率曲线最低油耗点的功率位置（60%）计算发动机的额定功率为11kW。

3.3 动力传动系的转速匹配

发动机的常用功率点所对应的转速是动力输出源转速，目前小型四冲程汽油机额定最高转速通常为9600r/min，根据发动机外特性曲线经济工况下的转速应为6000r/min，该转速即为是动力输出源基准计算转速，风机工作转速2900r/min，交流发电机工作转速3000r/min，无级自动变速器传动比为i=2～3.2，无级自动变速器采用离心式自动变速，发动机启动状态转速低时，无级自动变速器i=3.2，由于i最大所以发动机处于最小扭矩状态便于启动，随着发动机供油量的增加，发动机转速增高，无级自动变速器i逐渐变小直至等于2，此时发动机的输出转速为3000r/min，该转速与交流发电机转速相同，因此采用同尺寸皮带轮传动。主传动皮带轮与发电机皮带轮传动比为1：1.035，转速降低100r/min。

4  透水路面养护车结构与测试结果

透水路面养护车采用人力手推式行走方式，便于人行道及曲折道路的作业。整体结构布置除尘器安装在车的前部，向后依次是风机传动系统及汽油机发电机，下部设置电磁振动轮及吸尘口，吸尘口采用长方形结构，吸尘口下部安装了塑料柔性围挡，作业时可避免与地面凸出物体碰撞受损。车身高度通过手动丝杠机构调节，以适应路面与吸尘口高度要求，满足不同道路条件下的吸尘气流压力及作业效果。透水路面养护车初期实验，获得了较好的效果，图3和图4分别是清理前后的路面照片，如照片所示清理后距表面20毫米的深度内无灰尘及松动颗粒物，除尘器及动力装置达到设计要求。但存在车身质量过重，行走阻力较大等缺陷。总之该研究为透水路面养护车产品开发提供了参考。

参考文献：

[1]冯晋祥.专用汽车设计[M].北京：人民交通出版社，2017.

[2]扬诗成，等.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，2016.

[3]唐昌松，等.机械设计[M].北京：机械工业出版社，2019.

[4]胡传鼎.风机除尘设备设计手册[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5]杨万福.发动机原理与汽车性能[M].北京：高等教育出版社，2002.