熱射流融除冰裝置的設計與試驗研究*

朱自成, 刁 研, 楊 呈

(中國重汽集團設計研究院有限公司, 山東 濟南 250116)

0 引 言

每年冬季,我國北方大部分地區經常會遭受冰雪災害天氣的影響,從而導致路面積雪問題出現,積雪會使路面附著力下降,這不僅給交通出行帶來了許多麻煩,而且增加了道路交通事故發生的概率。為了保證交通順暢和行車安全、實現道路通行能力和運營效益的提高,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技術有化學除冰、機械除冰和熱力除冰三種方法[1-5],每種方法在實際的應用中各有優缺點。化學除冰法通常采用化學藥劑融化冰雪,此方法實施簡單方便,效果明顯,但會對路(橋)面和鋼橋面造成腐蝕,還會污染環境且除冰效果易受到環境溫度的影響。機械除冰法適用于清除路面浮雪,對緊貼路面的冰層清除效率低且易破壞路面。熱力法除冰目前發展不夠完善,且實施起來有功率消耗大、除冰效果差等缺點。

因此,從目前現有除冰方法和設備來看,想要達到除冰效率高的同時還具備效果好、成本低等優點很難。為此,筆者在現有設備的基礎上結合熱力融冰、射流切割、機械切割除冰等技術,綜合考慮除冰成本、環境保護及比熱容等多方面的因素,提出熱力-機械復合融除冰方法。該方法以定量環保型的緩凝劑的水為射流介質,可實現高效、快速和低成本的道路融除冰。筆者著重對熱力水射流融除冰裝置進行了結構原理設計與可行性試驗研究分析。

1 熱射流融除冰裝置的設計

1.1 熱射流融除冰原理

熱射流融冰系統是結合熱力融冰與射流切割原理提出的。熱射流融除路面覆冰時,通過熱水融化與射流沖擊等多方面的作用來破壞冰層。其原理是利用熱力射流融除冰裝置將冰層切割成獨立冰塊,再利用機械旋切除冰裝置將冰塊切除。待路面冰層被分割成獨立的冰塊時,機械除冰裝置清除起來會更加容易。

1.2 熱力水射流融除冰裝置設計

為達到試驗設計融冰要求,設計了射流水箱,其底部安裝有兩組除冰噴頭,每組包括20～30個左右噴嘴,噴嘴呈直線等間距排列,裝置噴嘴布置如圖1所示。進行融除冰作業時,兩組噴頭隨除冰裝置以Vy速度沿道路運動,在垂直于除冰裝置前進方向以Vx做往復運動,由此兩組射流切割的軌跡交錯成網格。切割路徑示意圖如圖2所示,其中虛線、實線、實心圓分別代表前后組噴頭,虛線曲線為前組噴頭運動軌跡,實線曲折線為后組噴頭運動軌跡。

圖1 裝置噴嘴布置

為實現預期的除冰切割運動軌跡,設計并制作了了雙軌可控式的傳動裝置,該裝置如圖3所示。每組噴頭都有獨立的傳動機構來提供動力,雙軌可控式驅動裝置可實現對每組噴頭的運動速度及兩組噴頭的間距的調節和控制。

圖3 雙軌可控式驅動裝置1.曲柄 2連桿 3.滑塊 4.“T”型曲柄 5.導向槽 6.直線導軌 7.軸套

熱力水射流融除冰裝置由單相異步電動機提供動力,單項異步電機經過減速器減速后通過曲柄連桿滑塊機構和“T”型曲柄,實現兩組噴頭分別沿著x軸方向做直線往復運動。其中導向槽5固定在機架上,動力由O1點輸入,通過曲柄連桿滑塊機構傳遞動力,滑塊3沿著y軸方向做直線往復運動,與之相配合的“T”型曲柄4隨著滑塊一端的撥動而繞著O3轉動,繼而撥動軸套7沿著各自配合的導軌6做直線往復運動。開槽的曲柄1可以通過調節驅動銷O2的位置來控制曲柄的有效長度,進而調控噴頭在x軸方向上的有效行程,以達到最優的切割軌跡。

2 試驗研究分析

為驗證融除冰裝置的可行性和有效性,并獲得準確的試驗數據,建立了室內高低溫實驗室為融除冰試驗,通過真實的試驗環境進行多次重復試驗。參照水射流的影響因素發現,試驗中對路面融除冰效果產生影響的因素有:射流靶距、噴嘴孔徑、熱射流噴射壓力、射流噴嘴入射角、射流溫度、噴嘴形狀、裝置前進速度等。文章選取射流靶距、噴嘴孔徑、熱射流噴射壓力、射流溫度等重要因素進行相關的研究與試驗分析。

2.1 射流溫度、噴嘴孔徑對融除冰效果的影響

選定靶距為110 mm、射流噴嘴入射角0°及裝置行進速度為0.15 m/s條件下進行試驗,選擇不同射流溫度、噴嘴孔徑進行試驗。記錄多次重復除冰作業試驗數據(冰層平均切槽深度,mm)并建立雙因素試驗數據表,如表1所列,其中A代表射流溫度(A1=50～55 ℃;A2=60～65 ℃;A3=70～75 ℃;A4=80～85 ℃;A5=90～95 ℃);B代表噴嘴孔徑(B1=1.25 mm;B2=1.5 mm;B3=1.75 mm;B4=2.0 mm;B5=2.5 mm)。

表1 水射流溫度與噴嘴孔徑雙因素重復試驗數據表

運用統計分析軟件對試驗數據進行分析,結果如下:

summary(qc.aov)

Df Sum Sq Mean Sq F value Pr(>F)

A 4 8.839 2.2097 186.81 3.29e-13***

B 4 3.600 0.9000 76.09 3.33e-10***

A:B 16 0.189 0.0118 3.870 1.847

---Signif. codes: 0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

通過分析結果可知:影響因素A(射流噴射溫度)與因素B(噴嘴孔徑)對裝置融除冰效果均有顯著性影響,但兩因素之間的交互作用對融除冰效果的影響不顯著。為獲得最佳因素參數對數據進行回歸分析并擬合曲線方程:

(1)

式中:y為冰層切槽深度;x1為噴嘴孔徑;x2為射流噴射溫度。

由式(1)可知:噴嘴孔徑與冰層切槽深度呈二次曲線關系,且溫度范圍在50～90 ℃內,其與冰層切槽深度近似線性關系。經過反復試驗和數據分析可以得出,當噴嘴孔徑為1.75 mm,射流溫度為90 ℃時除冰效果最佳。

2.2 射流噴射壓力對融除冰效果的影響

在噴嘴孔徑1.75 mm,射流溫度為90 ℃左右,靶距為110 mm及射流噴嘴入射角0°的條件下,選擇不同的噴射壓力進行除冰作業試驗,經過重復試驗后記錄試驗數據,結果如表2所列,噴射壓力對融冰效果的影響如圖4所示。

表2 不同的射流壓力對應的切槽深度

圖4 噴射壓力對融除冰效果的影響

通過試驗數據(表2及圖4)可以得出,當噴射壓力在0.42～0.545 MPa范圍內時,隨著射流壓力增大,除冰水射流的凝聚力及動能均增大,對路面冰層的沖擊增強,冰層切割深度隨之增大,冰層平均切槽深度隨著射流壓力的增大而增加。當射流壓力超過0.545 MPa時,隨著射流壓力的不斷增加,除冰水射流的凝聚力降低且發散范圍增加,對路面冰層的沖擊能力減弱,平均切槽深度降低。因此,綜合考慮試驗成本、設備安全性能及試驗要求,最終選擇射流噴射壓力為0.5 MPa。

2.3 靶距對融除冰效果的影響

當熱力水射流融除冰裝置進行路面除冰作業時,噴嘴出口至冰面的垂直距離稱為靶距D。不同的靶距影響著熱水射流的結構變化,進而影響著路面冰層的清除效果。當裝置對路面冰層進行切割清除時,噴嘴與冰面之間的靶距存在最佳值。當靶距較小時,熱水射流對路面冰層沖擊切割時會產生反作用力,致使能量抵消,導致冰層切槽深度減小;選擇過大靶距時,熱水射流的切割速度與集束性均下降,同時要克服空氣摩擦阻力,導致能量損失嚴重,則冰層的切槽深度也隨之變小。因此,需要選擇最佳的靶距來提高裝置的融除冰效果。在進行除冰作業試驗和研究時,可根據經驗公式選擇最佳靶距。

D=(60～150)d

(2)

式中:D為最優靶距,mm;d為噴嘴孔徑,mm。

圖5是裝置前進速度為0.2 m/s,噴嘴孔徑為1.75 mm,水射流溫度在90 ℃,入射角為0°,射流壓力為0.5 MPa條件下不同靶距路面冰層切割深度的試驗數據。

圖5 靶距與冰層切割深度關系曲線

由圖5中可知,不同的靶距對應的切槽深度不同,由此可以得到靶距與切槽深度之間的關系以及擬合曲線的方程為:

f(x)=-0.000 404 2x2+0.108x-1.135

(3)

式中:f(x)為切槽深度;x為靶距。

根據設計計算以及試驗結果分析可得出裝置的最優靶距為135 mm。

2.4 熱力水射流融除冰裝置的除冰效果

對各除冰影響因素進行相關的試驗研究分析得出,各因素對裝置融除冰作業均有影響。當噴嘴孔徑為1.75 mm、射流噴射壓力為0.5 MPa、除冰靶距為135 mm、射流溫度在90 ℃左右時融除冰作業效果最佳。為此選擇最佳的各因素參數對熱力射流融除冰裝置進行優化設計,選定除冰速度為0.15 m/s,再進行相應的融除冰作業并對試驗數據進行研究分析,試驗數據如表3所列。試驗研究表明:熱力射流融除冰裝置能很好地完成融除冰任務。融除冰效果圖如圖6所示。

表3 裝置融除冰試驗數據

圖6 熱力水射流融除冰裝置除冰效果

3 結 語

文章提出了熱力水射流-機械復合融除冰技術并設計了熱力水射流融除冰裝置。對其融除冰過程中噴嘴孔徑、射流噴射壓力、除冰靶距、射流溫度等影響因素進行相關的理論分析和試驗研究,研究發現:當噴嘴孔徑為1.75 mm、射流壓力為0.5 MPa、除冰靶距為135 mm、射流溫度為90 ℃左右時裝置的融除冰效果最好;選取最優因素對裝置進行優化設計并進行相關除冰作業試驗。試驗表明,裝置滿足設計要求并且能夠快速、高效、低成本地完成路面冰層的清除任務。