热射流融除冰装置的设计与试验研究*

朱自成, 刁 研, 杨 呈

(中国重汽集团设计研究院有限公司, 山东 济南 250116)

0 引 言

每年冬季,我国北方大部分地区经常会遭受冰雪灾害天气的影响,从而导致路面积雪问题出现,积雪会使路面附着力下降,这不仅给交通出行带来了许多麻烦,而且增加了道路交通事故发生的概率。为了保证交通顺畅和行车安全、实现道路通行能力和运营效益的提高,必须采取有效措施及时清除路面冰雪。目前,国内外常用的道路除冰技术有化学除冰、机械除冰和热力除冰三种方法[1-5],每种方法在实际的应用中各有优缺点。化学除冰法通常采用化学药剂融化冰雪,此方法实施简单方便,效果明显,但会对路(桥)面和钢桥面造成腐蚀,还会污染环境且除冰效果易受到环境温度的影响。机械除冰法适用于清除路面浮雪,对紧贴路面的冰层清除效率低且易破坏路面。热力法除冰目前发展不够完善,且实施起来有功率消耗大、除冰效果差等缺点。

因此,从目前现有除冰方法和设备来看,想要达到除冰效率高的同时还具备效果好、成本低等优点很难。为此,笔者在现有设备的基础上结合热力融冰、射流切割、机械切割除冰等技术,综合考虑除冰成本、环境保护及比热容等多方面的因素,提出热力-机械复合融除冰方法。该方法以定量环保型的缓凝剂的水为射流介质,可实现高效、快速和低成本的道路融除冰。笔者着重对热力水射流融除冰装置进行了结构原理设计与可行性试验研究分析。

1 热射流融除冰装置的设计

1.1 热射流融除冰原理

热射流融冰系统是结合热力融冰与射流切割原理提出的。热射流融除路面覆冰时,通过热水融化与射流冲击等多方面的作用来破坏冰层。其原理是利用热力射流融除冰装置将冰层切割成独立冰块,再利用机械旋切除冰装置将冰块切除。待路面冰层被分割成独立的冰块时,机械除冰装置清除起来会更加容易。

1.2 热力水射流融除冰装置设计

为达到试验设计融冰要求,设计了射流水箱,其底部安装有两组除冰喷头,每组包括20～30个左右喷嘴,喷嘴呈直线等间距排列,装置喷嘴布置如图1所示。进行融除冰作业时,两组喷头随除冰装置以Vy速度沿道路运动,在垂直于除冰装置前进方向以Vx做往复运动,由此两组射流切割的轨迹交错成网格。切割路径示意图如图2所示,其中虚线、实线、实心圆分别代表前后组喷头,虚线曲线为前组喷头运动轨迹,实线曲折线为后组喷头运动轨迹。

图1 装置喷嘴布置

为实现预期的除冰切割运动轨迹,设计并制作了了双轨可控式的传动装置,该装置如图3所示。每组喷头都有独立的传动机构来提供动力,双轨可控式驱动装置可实现对每组喷头的运动速度及两组喷头的间距的调节和控制。

图3 双轨可控式驱动装置1.曲柄 2连杆 3.滑块 4.“T”型曲柄 5.导向槽 6.直线导轨 7.轴套

热力水射流融除冰装置由单相异步电动机提供动力,单项异步电机经过减速器减速后通过曲柄连杆滑块机构和“T”型曲柄,实现两组喷头分别沿着x轴方向做直线往复运动。其中导向槽5固定在机架上,动力由O1点输入,通过曲柄连杆滑块机构传递动力,滑块3沿着y轴方向做直线往复运动,与之相配合的“T”型曲柄4随着滑块一端的拨动而绕着O3转动,继而拨动轴套7沿着各自配合的导轨6做直线往复运动。开槽的曲柄1可以通过调节驱动销O2的位置来控制曲柄的有效长度,进而调控喷头在x轴方向上的有效行程,以达到最优的切割轨迹。

2 试验研究分析

为验证融除冰装置的可行性和有效性,并获得准确的试验数据,建立了室内高低温实验室为融除冰试验,通过真实的试验环境进行多次重复试验。参照水射流的影响因素发现,试验中对路面融除冰效果产生影响的因素有:射流靶距、喷嘴孔径、热射流喷射压力、射流喷嘴入射角、射流温度、喷嘴形状、装置前进速度等。文章选取射流靶距、喷嘴孔径、热射流喷射压力、射流温度等重要因素进行相关的研究与试验分析。

2.1 射流温度、喷嘴孔径对融除冰效果的影响

选定靶距为110 mm、射流喷嘴入射角0°及装置行进速度为0.15 m/s条件下进行试验,选择不同射流温度、喷嘴孔径进行试验。记录多次重复除冰作业试验数据(冰层平均切槽深度,mm)并建立双因素试验数据表,如表1所列,其中A代表射流温度(A1=50～55 ℃;A2=60～65 ℃;A3=70～75 ℃;A4=80～85 ℃;A5=90～95 ℃);B代表喷嘴孔径(B1=1.25 mm;B2=1.5 mm;B3=1.75 mm;B4=2.0 mm;B5=2.5 mm)。

表1 水射流温度与喷嘴孔径双因素重复试验数据表

运用统计分析软件对试验数据进行分析,结果如下:

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

通过分析结果可知:影响因素A(射流喷射温度)与因素B(喷嘴孔径)对装置融除冰效果均有显著性影响,但两因素之间的交互作用对融除冰效果的影响不显著。为获得最佳因素参数对数据进行回归分析并拟合曲线方程:

(1)

式中:y为冰层切槽深度;x1为喷嘴孔径;x2为射流喷射温度。

由式(1)可知:喷嘴孔径与冰层切槽深度呈二次曲线关系,且温度范围在50～90 ℃内,其与冰层切槽深度近似线性关系。经过反复试验和数据分析可以得出,当喷嘴孔径为1.75 mm,射流温度为90 ℃时除冰效果最佳。

2.2 射流喷射压力对融除冰效果的影响

在喷嘴孔径1.75 mm,射流温度为90 ℃左右,靶距为110 mm及射流喷嘴入射角0°的条件下,选择不同的喷射压力进行除冰作业试验,经过重复试验后记录试验数据,结果如表2所列,喷射压力对融冰效果的影响如图4所示。

表2 不同的射流压力对应的切槽深度

图4 喷射压力对融除冰效果的影响

通过试验数据(表2及图4)可以得出,当喷射压力在0.42～0.545 MPa范围内时,随着射流压力增大,除冰水射流的凝聚力及动能均增大,对路面冰层的冲击增强,冰层切割深度随之增大,冰层平均切槽深度随着射流压力的增大而增加。当射流压力超过0.545 MPa时,随着射流压力的不断增加,除冰水射流的凝聚力降低且发散范围增加,对路面冰层的冲击能力减弱,平均切槽深度降低。因此,综合考虑试验成本、设备安全性能及试验要求,最终选择射流喷射压力为0.5 MPa。

2.3 靶距对融除冰效果的影响

当热力水射流融除冰装置进行路面除冰作业时,喷嘴出口至冰面的垂直距离称为靶距D。不同的靶距影响着热水射流的结构变化,进而影响着路面冰层的清除效果。当装置对路面冰层进行切割清除时,喷嘴与冰面之间的靶距存在最佳值。当靶距较小时,热水射流对路面冰层冲击切割时会产生反作用力,致使能量抵消,导致冰层切槽深度减小;选择过大靶距时,热水射流的切割速度与集束性均下降,同时要克服空气摩擦阻力,导致能量损失严重,则冰层的切槽深度也随之变小。因此,需要选择最佳的靶距来提高装置的融除冰效果。在进行除冰作业试验和研究时,可根据经验公式选择最佳靶距。

D=(60～150)d

(2)

式中:D为最优靶距,mm;d为喷嘴孔径,mm。

图5是装置前进速度为0.2 m/s,喷嘴孔径为1.75 mm,水射流温度在90 ℃,入射角为0°,射流压力为0.5 MPa条件下不同靶距路面冰层切割深度的试验数据。

图5 靶距与冰层切割深度关系曲线

由图5中可知,不同的靶距对应的切槽深度不同,由此可以得到靶距与切槽深度之间的关系以及拟合曲线的方程为:

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

(3)

式中:f(x)为切槽深度;x为靶距。

根据设计计算以及试验结果分析可得出装置的最优靶距为135 mm。

2.4 热力水射流融除冰装置的除冰效果

对各除冰影响因素进行相关的试验研究分析得出,各因素对装置融除冰作业均有影响。当喷嘴孔径为1.75 mm、射流喷射压力为0.5 MPa、除冰靶距为135 mm、射流温度在90 ℃左右时融除冰作业效果最佳。为此选择最佳的各因素参数对热力射流融除冰装置进行优化设计,选定除冰速度为0.15 m/s,再进行相应的融除冰作业并对试验数据进行研究分析,试验数据如表3所列。试验研究表明:热力射流融除冰装置能很好地完成融除冰任务。融除冰效果图如图6所示。

表3 装置融除冰试验数据

图6 热力水射流融除冰装置除冰效果

3 结 语

文章提出了热力水射流-机械复合融除冰技术并设计了热力水射流融除冰装置。对其融除冰过程中喷嘴孔径、射流喷射压力、除冰靶距、射流温度等影响因素进行相关的理论分析和试验研究,研究发现:当喷嘴孔径为1.75 mm、射流压力为0.5 MPa、除冰靶距为135 mm、射流温度为90 ℃左右时装置的融除冰效果最好;选取最优因素对装置进行优化设计并进行相关除冰作业试验。试验表明,装置满足设计要求并且能够快速、高效、低成本地完成路面冰层的清除任务。