脉冲式融雪剂撒布装置的研发

霍尚斌

摘要：针对目前高速公路上的除雪方法效率和效果不尽理想的问题，对融雪剂撒布规律及其撒布量与融雪速度的关系进行研究，提出融雪剂撒布的优化线型及最佳撒布量，并研发了以非均匀线性撒布工艺为主要技术特征的脉冲式融雪剂撒布车。试验证明，使用新型除雪车撒布融雪剂的融雪效果较目前常用的均匀撒布工艺能提高融雪速度10%～30%。

关键词：道路除雪，融雪剂，非均匀撒布，新型除雪车

中图分类号：U418.32文献标志码：B

Abstract： Aimed at the disappointing efficiency and effect of snow removing methods applied to expressways nowadays， the relationship between the distribution law and amount and snowmelting speed was studied. An optimized curve for the snowmelting agent spraying and optimum amount were proposed， and a pulsed snowmelting agent spraying device featuring nonuniform spraying technology was developed. Test result shows the new device improves the snowmelting speed by 10%30%.

Key words： road snow removal； snowmelting agent； nonuniform spraying； new snow sweeper

0引言

高速公路冬季除雪的方法，主要是在原雪表面或经机械除雪后的残留雪表面上撒布大量的融雪剂，以降低雪的溶点使其由固态变为液态水流出主道而达到除雪的目的。但高速公路大量使用的融雪剂会对道路环境（包括植物和道路本身）带来不良影响[1]。虽然用融雪剂除雪并非理想的作业方式，而且有不少问题需要解决，但作为一种有效且较为彻底的除雪方式，它仍为国内外高速公路上常用的除雪工艺。

融雪剂撒布车是一种自动化除雪设备，广泛应用于高速公路、城市道路、机场、广场、景区道路的除雪作业。目前国内外普遍使用的融雪剂撒布车均以“撒布均匀”为最主要的技术特点[2]。但是实践证明，均匀撒布和融雪效率并没有关系，融雪剂撒布密度才是影响融雪效率最主要的因素。

1研究内容

（1） 研究融雪剂撒布规律及其数量与融雪速度的关系。通过大量试验找出其基本规律，并进行必要的优化，从而提出融雪剂撒布的优化线型及最佳撒布量。

（2） 根据试验分析的结论完成专用设备的设计和制作，包括载车驱动功率的合理分配及其传动系统设计；

脉冲撒布控制程序编制及信号输出系统研发；工作执行装置设计，特别是非均匀撒布系统的设计、配套和选择；整车结构设计和制作等。

2工艺研究

脉冲型非均匀撒布工艺实现落雪快速液化的技术前提主要在于下述几点。

（1） 雪的消融速度与融雪剂在雪中的含量成正比[3]。因此让撒布的融雪剂在落雪表面形成不均匀的脉冲形撒布面，并在路拱上段形成脉冲形的多道较浓（融雪剂含量较周围多和集中）的撒布线，从而形成相对快速的雪融线，并利用雪融水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[4]。

（2） 在自然状态下，撒布融雪剂融雪的速度比使用具有一定浓度的液化盐水冲击自然雪要慢。

（3） 高等级道路路面有2° ～5° 的坡角，这为雪消融后流向道路外侧提供了必要条件。

课题组通过实地融雪试验，找到并验证了最佳脉冲撒布方式及其对应的撒布量，为施工工艺及专用设备的设计提供参考。

以高速公路的典型路段为试验对象，由人工模拟融雪剂在雪地上的脉冲式不均匀撒布，对整个融、除雪过程中不间断观察并记录其除雪效果。

用试验记录的数据绘制出4种撒布形式在不同时间段内融雪效果的对比，见图1。

通过图1可以看出，非均匀撒布方式的融雪效果优于均匀撒布方式，课题组根据此结论研发出以脉冲撒布为主要技术特征的融雪剂撒布车，以线性撒布方式和混合线性撒布方式作为撒布工艺，并通过车速同步撒布量控制方法，解决了融雪剂撒布车难以控制撒布量的问题，实现精确控制撒布量的目的。

3设备的研发与测试

在前期调研和研究的基础上，课题组经过模拟试验对非均匀撒布线型进行了优化，确定了非均匀撒布的工艺和基本参数（表1），由此确定了非均匀撒布装置的研制方案[45]。

3.1总体方案

非均匀撒布设备整体方案的设计是根据作业要求、作业环境、道路情况及现实情况，参照现有撒布车的整体方案提出。研制出脉冲式融雪剂撒布车主要由动力系统、输送系统、计量检测系统和控制系统组成，整体系统框图如图2所示，设备结构如图3所示。

3.2动力系统

撒布器的动力来源有单独配置的撒布器发动机、从汽车底盘发动机取力和驱动轮驱动3种方式。其中驱动轮驱动是利用汽车驱动轮或另外增加的轮胎驱动液压泵提供动力。根据实际情况，本撒布车采用汽油机直连皮带输送机和配置发电机（组）2种动力来源。选取的发电机（组）主动力为10.5 hp，用于皮带输送机；辅助动力为6.5 kW，用于撒布装置及整机的控制。

3.3输送撒布系统

综合各种输送系统的优缺点及适用范围，本撒布设备输送系统（见图4）采用螺旋输送形式。融雪剂通过皮带输送落入积料斗，通过积料斗落入2个布料螺旋，再由布料螺旋输送到撒布螺旋和摇摆撒布机构，完成融雪剂的撒布。

撒布螺旋与摇摆撒布机构主要参数的确定过程如下。

3.3.1输送量确定

根据设计参数设定撒布密度的步长为4，撒布速度步长为2，得出单位宽度撒布量与撒布速度、撒布密度间的数值关系为

将上述矩阵乘以撒布宽度可以得出单位时间的撒布量与撒布密度、撒布速度间的数值关系，如图5所示。

从图5可以看出，单位时间内的撒布量范围为560～2 240 kg·h-1，将撒布量平均分配到6个撒布螺旋和2个摇摆撒布机构，可以得出每个撒布螺旋的撒布量范围为70～280 kg·h-1，为了保证撒布量，输送量Q要大于撒布量，设输送量为撒布量的1.3倍，则输送量范围为91～364 kg·h-1，以最大输送量计算撒布螺旋尺寸。

3.3.2螺旋叶片直径确定

螺旋直径的计算公式如下

式中：D为螺旋外径（mm）；K为物料综合系数，为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，取1。

代入数据计算后得螺旋外径为60 mm。

3.3.3螺距确定

螺距根据计算公式

S=K1D（3）

式中：K1为螺旋距与直径的比例系数，取值范围为08～1。

代入数据可得螺距为0048～006 m。本文取较大值，故螺距S为0.06 m。

3.3.4螺旋轴直径确定

螺旋轴直径根据计算公式

d=K2D（4）

式中：K2为填充系数，取值范围为0.2～035。

可得螺旋轴径为0.012～0.021 m。本文螺旋轴直径取值为002 m。

3.3.5螺旋轴转速确定

螺旋轴的转速

代入数据计算后得转速n为47.3 r·min-1。

考虑到电机实际转速和减速比，确定转速n=52 r·min-1，减速比为29。

3.3.6摇摆撒布机构设计

根据撒布宽度，设计出的摇摆撒布机构如图6所示。此机构为曲柄摇杆机构，将转盘转动转换为摆杆摇摆，摆动角度范围为-425°～425° 。设计完成后对摇摆机构进行ADAMS仿真，仿真结果如图7。仿真结果表明此摇摆机构可以实现-425°～425° 范围内的摇摆，达到所需的撒布宽度。

主要参数确定后，对撒布装置进行加工，撒布装置实物如图8所示。

3.4控制系统

脉冲式融雪撒布车控制系统包括检测单元、逻辑控制单元、人机交互界面、执行机构4个部分。检测单元包括车速传感器和积料斗高低料位，执行机构包括撒布螺旋、布料螺旋、摆动机构和输送带。控制系统原理如图9所示。

撒布车运转时分为自动和手动2种模式。在设备调试或者检修时，可以通过手动控制各个电机的启停，手动模式界面如图10所示。手动模式的界面可以显示车速、设置撒布密度、手动操作各个执行机构。

自动模式界面可以显示各个执行机构的运行状态，设置运行撒布密度，显示设备运行过程中的报警状态，自动模式界面如图11所示。

自动运行界面包括撒布车的整体模型，在运行过程中能够显示各个部位的运行状态以及积料斗高低料位的状态。右侧故障报警窗口可以显示出在运行过程中设备的故障情况以及故障发生时间。在自动运行模式下，可以显示撒布车速，可以对撒布密度进行设置。

3.5整机测试

非均匀融雪剂撒布装置作为道路融冰化雪施工设备，其各个子系统的性能是评价设计优劣及能否投入使用的关键指标。

3.5.1驱动电机频率与螺旋输送量关系测试

经过实际测量，螺旋输送融雪剂时，输送量同驱动电机的频率成线性关系。这个关系的成立验证了在设备设计和系统设计上通过变频控制螺旋撒布量的设计思想是正确的。

3.5.2运行速度与撒布量同步测试

通过计算测量的数据可以得出，比率基本相同，证明速度变化引会起频率的变化，进而使输送量发生变化，且这些数据均表现出线性关系，进一步验证了设计的正确性，也证明了自动控制程序中由变量引起的数学匹配的正确性。

图12为根据试验数据绘制的均匀撒布与非均匀线性撒布对比图。由图可知，在实地试验中，非均匀线性撒布的融雪效率高于均匀撒布；在60 min左右时，融雪效果区别最大。

4结语

本项目针对当前融雪剂均匀撒布融雪效率低的问题，研究开发了非均匀撒布融雪车，该设备在一定条件下较目前均匀撒布工艺的雪融速度快10%～30%，从而可有效缩短道路因落雪出现的封路现象，使道路尽快实现开放通行。

经实际应用和第三方测试，该非均匀撒布装置的整机性能指标、功能均达到预期设计要求，系统运行稳定、可靠。

参考文献：

[1]王竹萍，焦建民.SYJ1型撒盐机[J].筑路机械与施工机械化，1997，14（1）：1819.

[2]郭贵平.SCHMIDT撒盐机技术性能研究[J].东北公路，2000，23（4）：98100，53.

[3]张衡，赵玉静，张玉双.智能融雪剂洒布车洒布量控制方案研究[J].山东交通学院学报，2014，22（4）：6771.

[4]王俊，靳长征.试论我国西北地区公路的快速除雪[J].山西交通科技，2008（1）：7779.

[5]靳炜.自行式沥青路面养护车工程配置的量化分析[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（3）：6567.

[责任编辑：杜卫华]