快速復合融除冰裝置的研究

朱自成，張學軍，2，徐肖攀，儲偉俊，李超新

(1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊 830052; 2.新疆農業工程裝備創新設計試驗室重點試驗室，新疆烏魯木齊 830052; 3.解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京 210007)

快速復合融除冰裝置的研究

朱自成1，張學軍1，2，徐肖攀3，儲偉俊3，李超新1

(1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊 830052; 2.新疆農業工程裝備創新設計試驗室重點試驗室，新疆烏魯木齊 830052; 3.解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京 210007)

如何保證冰雪天氣條件下交通順暢、行車安全，提高道路通行能力和運營效益、減少和避免交通事故發生是當今面臨的一大難題。為此，在分析現有不同除冰方法的基礎上，提出一種融合熱力－水射流切割融除冰與機械銑削除冰的復合除冰方法。介紹了熱力快速復合融除冰裝置和機械銑削除冰裝置的結構組成、工作原理，設計了復合融除冰裝置，并進行了相關試驗。結果表明:該裝置可以很好地完成融除冰任務，滿足設計需求。

機械銑削除冰;熱力－水射流融冰;試驗分析

每年冬季我國大部分地區都會遭受冰雪天氣的影響，路面積雪不僅給人們出行帶來了許多麻煩，而且加大了發生交通事故的頻率。為了保證交通順暢和行車安全，提高道路通行能力和運營效益，必須采取有效措施及時清除路面冰雪。目前，國內外常用的道路除冰方有化學法、機械法和熱力法等3種方法［1－2］，每種方法在實際的應用中各有利弊。化學除冰法通常采用融冰劑融化冰雪，實施簡單方便，效果明顯，但對混泥土路 (橋)面和鋼橋面有腐蝕作用并且污染環境。機械法對于清除浮雪有顯著的效果，但是對于清除緊貼路面的冰層效率很低并且容易破壞路面。熱力法融除冰目前發展不夠完善，達不到預定的效果。

從目前的除冰方法和設備來看，很難達到除冰效率高、效果好、成本低。為此，文中提出一種快速復合融除冰的新方法。在現有的設備上結合熱力融冰、射流切割、機械銑削除冰技術，考慮道成本、環境和比熱容等多方面的因素試驗，選取水為介質，提出復合融除冰方法，實現高效、快速和低成本的道路融除冰。

1 復合融除冰裝置的設計

熱力射流融冰是結合熱力除冰與射流切割原理提出的。熱水射流融冰時，冰面的破壞是由熱力融化與射流沖擊等多方面的作用引起的。其原理是用熱力融冰裝置將冰層切割成獨立菱形冰塊，再利用銑削除冰裝置將冰塊切除。路面冰層已被切割成獨立的冰塊，很容易被除冰裝置清除。

1.1 熱力融冰裝置設計

為達到試驗設計融冰要求，試驗設計了水箱，其底部安裝有兩組噴頭，每組包括30～40個噴嘴，直線等間距排列，如圖1所示。

圖1 裝置噴嘴布置

圖2 射流噴嘴理論運動軌跡圖

工作時兩組噴頭隨除冰裝置以vy沿道路運動，在垂直于除冰裝置前進方向以vx往復運動，由此兩組射流切割的軌跡交錯成網格。圖2為切割路徑示意圖，其中紅色、藍色實心圓分別代表前后組噴頭，紅色曲線為前組噴頭運動軌跡，藍色曲折線為后組噴頭運動軌跡。

1.2 銑削除冰裝置設計

綜合不同機械除冰方法的試驗結果，考慮減小裝置進給量以及參考機械銑削加工工藝，文中提出并設計了一種機械銑削除冰裝置，銑削除冰方案如圖3所示。

圖3 銑削除冰方案

銑削除冰裝置是由定位機構 (導桿、滾輪)、除冰機構 (銑刀、電機)以及兩者的連接機構組成。

與常用的機械除冰方法相比，機械銑削除冰裝置銑削冰層進給量同冰層厚度無關，只與刀具轉速和前進速度相關，故切削阻力小;刀具可隨路面起伏，不影響其除冰效果。同時冰槽可實時反饋路面信息，進而控制銑刀組與路面距離，這樣保證了銑刀與路面間的距離始終控制在預定的范圍內，提高了路面的適應性。考慮到銑刀磨損、路面損傷等因素，試驗設計銑刀與路面不接觸，在機械除冰階段殘留1～2 mm的薄冰層，再通過噴灑融冰劑或熱水的方法融除殘留冰層，由此既保證了路面覆冰的除凈率又保護了路面。

2 復合融除冰裝置試驗

為驗證試驗可行性，獲得準確試驗數據，建立了低溫試驗室提供真實的試驗環境。在該試驗中對熱水射流融冰效果有影響的因素:射流壓力、噴嘴孔徑、射流溫度、噴嘴距離冰面的高度、射流與冰面的夾角、除冰裝置前進速度、噴嘴往復運動速度、噴嘴形狀等。文中主要對射流壓力、噴嘴孔徑、射流與冰面的夾角、射流溫度等因素進行了相關試驗分析。

2.1 射流壓力、噴嘴孔徑對除冰效果的影響

試驗在同一溫度區間 (89～93℃)、噴嘴距離冰面距離為45 mm、射流與冰面夾角為90°、裝置行進速度為0.20 m/s條件下，選擇不同射流壓力、噴嘴孔徑進行試驗。經過重復試驗記錄試驗數據 (切槽深度mm)建立雙因素試驗數據表(表1)，A代表噴嘴孔徑 (A1=1.5 mm;A2=1.75 mm;A3=2.00 mm);B代表射水壓力 (B1=0.320 MPa;B2= 0.345 MPa;B3=0.370 MPa;B4=0.400 MPa;B5= 0.460 MPa)。

表1 噴嘴孔徑與射水壓力雙因素重復試驗數據表

運用R統計軟件對試驗數據進行分析，輸出結 果如下:

(注:Df為自由度;Sum Sq為平方和;Mean Sq為均方;F value為F值;Pr(＞F)為F檢驗;Signif.codes:為顯著性系數;Residuals為殘差)

由輸出結果可知因素A(噴嘴孔徑)與因素B(射水壓力)對除冰效果有高度的顯著性影響，但是兩者交互效應作用對除冰效果影響不明顯。

為提高試驗數據分析的準確性，對試驗數據進行處理求其平均值，建立新雙因素試驗數據表 (表2)，然后做回歸分析并擬合曲線方程。

表2 取平均值后的雙因素重復試驗數據表

運用R統計軟件對試驗數據進行分析，輸出結果如下:

(注:Estimate Std為估計值;tvalue為t值;Pr (＞|t|)為t檢驗)

由分析結果可得除冰切槽深度與射水壓力、噴嘴孔徑之間的關系并擬合曲線的方程:

式中:y為切槽深度;x1為噴嘴孔徑;x2為射水壓力。

由方程可知噴嘴孔徑與切槽深度是二次曲線關系，在0.320～0.460 MPa范圍內射水壓力與切槽深度呈線性關系;則由數據分析以及試驗可得噴嘴孔徑選擇為1.75 mm除冰效果最佳，選取不同射水壓力對除冰效果影響的試驗數據進行一元線性回歸分析，如圖4所示。

圖4 射水壓力對切槽融冰深度的影響圖

可知切槽深度與射水壓力關系以及擬合曲線的方程為:

式中:y為切槽深度;x為射水壓力。

2.2 射流與冰面夾角、射流溫度對除冰效果的影響

在融冰切割過程中，射流噴嘴與冰面的夾角α、射流溫度均會影響融冰的切槽深度。因此，在選定1.75 mm孔徑噴嘴、0.20 m/s行駛速度、射流溫度范圍為89～93℃、噴嘴距離冰面高度為45 mm、射流壓力為0.460 MPa等條件下進行角度變化試驗并記錄試驗數據 (表3)。射流噴嘴與冰面的夾角是通過噴嘴偏向與裝置的前進方向來確定的，若噴嘴偏向與前進的方向相同，則角度為正;反之，角度為負。

表3 不同噴射角度對應的切槽深度

由表3可知:在相同條件下，射流與冰面夾角對切槽深度沒有顯著性影響。切槽深度誤差是由于試驗設備和測量產生的。

圖5為1.9 mm孔徑噴嘴、噴嘴距冰面距離60 mm、射流與冰面間夾角90°、裝置行進速度為0.167 m/s的條件下，不同射流壓力p、射流溫度T下得到的切槽深度變化曲線。從圖中可以看出:當溫度T一定時，切槽深度隨著射流壓力p的增大而增大;在相同的射流壓力p下，射流溫度T越高，切槽深度越深。

圖5 不同射流溫度下的除冰切槽深度曲線

2.3 銑削除冰裝置除冰試驗

為驗證裝置的可行性，進行了簡易試驗。利用鋸片、角磨機制作簡易的銑削除冰裝置。使用市場標準直徑為20 cm木鋸鋸片代替銑刀，選用功率為720 W小型角磨機提供動力。進行相應的除冰試驗，表4為對應的試驗數據及結果。

表4 銑削除冰速度試驗數據

試驗結果說明在角磨機功率為720 W條件下銑削除冰速度可達到400 m/h。適當地提高電機功率則可滿足設計要求且在系統可承受范圍內。圖6為利用鋸片大面積銑削路面覆冰效果圖。

圖6 鋸片銑削除冰效果圖

3 結論

對熱力快速復合融除道路覆冰裝置進行了設計與制造，并對融除冰過程中的影響因素進行相應了試驗研究分析。通過試驗得出在不同射流壓力、溫度、噴嘴孔徑下，熱水射流融冰效果的變化情況，為裝置的進一步優化提供了有效的數據參考。試驗結果證明:裝置結構簡單，工作可靠，對路面損傷小，經濟環保。

【1】張洪偉，韓森，劉洪輝，等.瀝青路面除冰雪技術綜述［J］.黑龍江交通科技，2008，31(3):8－9.

【2】鄧洪超，馬文星，荊寶德，等.道路冰雪清除技術及發展趨勢［J］.工程機械，2005(12):41－44.

【3】周建釗，黎聰，儲偉俊，等.熱力－水射流快速融除道路覆冰車的研制［J］.機械設計與制造，2012(8):113－115.

【4】張炳臣，劉淑敏，賈慶懷，等.道路冰雪融化多用車研制［J］.山東交通科技，2004(4):72－75.

【5】李文峰.多功能清雪車碾壓磙工作機理及參數優化研究［D］.長春:吉林大學，2009.

【6】劉洋.一種高壓清洗車的噴水架設計方案［J］.工程機械，2009(5):10－13.

【7】SILVER Pamela，RUPPRECHT Shannon M，STAUFFER Mark F.Temperature-dependent Effects of Road Deicing Salt on Chironomid Larvae［J］.Wetlands，2009，29(3):942－951.

【8】宋琳，索雙富，黃偉峰，等.高壓噴嘴幾何參數對流場影響的數值模擬分析［J］.新工藝新技術，2010(10):22－24.

Research of Rapid Compound Deicing Equipment

ZHU Zicheng1，ZHANG Xuejun1，2，XU Xiaopan3，CHU Weijun3，LI Chaoxin1
(1.College of Mechanical Engineering＆Communication，Xinjiang Agricultural University，Urumqi Xinjiang 830052，China; 2.Key Laboratory of Engineering Equipment Innovation Design Laboratory，Urumqi Xinjiang 830052，China; 3.College of Field Engineering，PLA University of Science＆Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China)

Determining how to strikingly reduce the accident rate on roads，ensure traffic flow and safety in the icy weather，and improve the capacity and efficiency of transportation in snow weather has become a tough issue nowadays.A new method was presented in which thermal water-jet cutting was combined with mechanical-milling deicing technology，basing on current different deicing methods.Then the structure and working principle of this device were introduced，together with the practicality design.The experimental results indicate that this device can perform well in deicing work，and satisfy the design requirements.

Mechanical milling deicing;Thermal water-jet deicing;Experimental analysis

TH16;U418.3+26

A

1001－3881(2014)8－016－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.006

2013－03－22

江蘇省交通科學研究計劃項目 (2010Y18)

朱自成 (1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為機械裝備創新設計。通信作者:張學軍，E－mail:zhxjau @sina.com。