朱自成，張學(xué)軍，2，徐肖攀，儲(chǔ)偉俊，李超新

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052; 2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)室重點(diǎn)試驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830052; 3.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

快速?gòu)?fù)合融除冰裝置的研究

朱自成1，張學(xué)軍1，2，徐肖攀3，儲(chǔ)偉俊3，李超新1

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052; 2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)室重點(diǎn)試驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830052; 3.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

如何保證冰雪天氣條件下交通順暢、行車(chē)安全，提高道路通行能力和運(yùn)營(yíng)效益、減少和避免交通事故發(fā)生是當(dāng)今面臨的一大難題。為此，在分析現(xiàn)有不同除冰方法的基礎(chǔ)上，提出一種融合熱力－水射流切割融除冰與機(jī)械銑削除冰的復(fù)合除冰方法。介紹了熱力快速?gòu)?fù)合融除冰裝置和機(jī)械銑削除冰裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，設(shè)計(jì)了復(fù)合融除冰裝置，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果表明:該裝置可以很好地完成融除冰任務(wù)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

機(jī)械銑削除冰;熱力－水射流融冰;試驗(yàn)分析

每年冬季我國(guó)大部分地區(qū)都會(huì)遭受冰雪天氣的影響，路面積雪不僅給人們出行帶來(lái)了許多麻煩，而且加大了發(fā)生交通事故的頻率。為了保證交通順暢和行車(chē)安全，提高道路通行能力和運(yùn)營(yíng)效益，必須采取有效措施及時(shí)清除路面冰雪。目前，國(guó)內(nèi)外常用的道路除冰方有化學(xué)法、機(jī)械法和熱力法等3種方法［1－2］，每種方法在實(shí)際的應(yīng)用中各有利弊?；瘜W(xué)除冰法通常采用融冰劑融化冰雪，實(shí)施簡(jiǎn)單方便，效果明顯，但對(duì)混泥土路 (橋)面和鋼橋面有腐蝕作用并且污染環(huán)境。機(jī)械法對(duì)于清除浮雪有顯著的效果，但是對(duì)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(fā)展不夠完善，達(dá)不到預(yù)定的效果。

從目前的除冰方法和設(shè)備來(lái)看，很難達(dá)到除冰效率高、效果好、成本低。為此，文中提出一種快速?gòu)?fù)合融除冰的新方法。在現(xiàn)有的設(shè)備上結(jié)合熱力融冰、射流切割、機(jī)械銑削除冰技術(shù)，考慮道成本、環(huán)境和比熱容等多方面的因素試驗(yàn)，選取水為介質(zhì)，提出復(fù)合融除冰方法，實(shí)現(xiàn)高效、快速和低成本的道路融除冰。

1 復(fù)合融除冰裝置的設(shè)計(jì)

熱力射流融冰是結(jié)合熱力除冰與射流切割原理提出的。熱水射流融冰時(shí)，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(dú)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(dú)立的冰塊，很容易被除冰裝置清除。

1.1 熱力融冰裝置設(shè)計(jì)

為達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)融冰要求，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了水箱，其底部安裝有兩組噴頭，每組包括30～40個(gè)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(yùn)動(dòng)軌跡圖

工作時(shí)兩組噴頭隨除冰裝置以vy沿道路運(yùn)動(dòng)，在垂直于除冰裝置前進(jìn)方向以vx往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由此兩組射流切割的軌跡交錯(cuò)成網(wǎng)格。圖2為切割路徑示意圖，其中紅色、藍(lán)色實(shí)心圓分別代表前后組噴頭，紅色曲線為前組噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡，藍(lán)色曲折線為后組噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2 銑削除冰裝置設(shè)計(jì)

綜合不同機(jī)械除冰方法的試驗(yàn)結(jié)果，考慮減小裝置進(jìn)給量以及參考機(jī)械銑削加工工藝，文中提出并設(shè)計(jì)了一種機(jī)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(jī)構(gòu) (導(dǎo)桿、滾輪)、除冰機(jī)構(gòu) (銑刀、電機(jī))以及兩者的連接機(jī)構(gòu)組成。

與常用的機(jī)械除冰方法相比，機(jī)械銑削除冰裝置銑削冰層進(jìn)給量同冰層厚度無(wú)關(guān)，只與刀具轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度相關(guān)，故切削阻力小;刀具可隨路面起伏，不影響其除冰效果。同時(shí)冰槽可實(shí)時(shí)反饋路面信息，進(jìn)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(yù)定的范圍內(nèi)，提高了路面的適應(yīng)性?？紤]到銑刀磨損、路面損傷等因素，試驗(yàn)設(shè)計(jì)銑刀與路面不接觸，在機(jī)械除冰階段殘留1～2 mm的薄冰層，再通過(guò)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(hù)了路面。

2 復(fù)合融除冰裝置試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)可行性，獲得準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了低溫試驗(yàn)室提供真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境。在該試驗(yàn)中對(duì)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(jìn)速度、噴嘴往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度、噴嘴形狀等。文中主要對(duì)射流壓力、噴嘴孔徑、射流與冰面的夾角、射流溫度等因素進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)分析。

2.1 射流壓力、噴嘴孔徑對(duì)除冰效果的影響

試驗(yàn)在同一溫度區(qū)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(jìn)速度為0.20 m/s條件下，選擇不同射流壓力、噴嘴孔徑進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù) (切槽深度mm)建立雙因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

運(yùn)用R統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輸出結(jié) 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(yàn);Signif.codes:為顯著性系數(shù);Residuals為殘差)

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

為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理求其平均值，建立新雙因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

運(yùn)用R統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輸出結(jié)果如下:

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

由分析結(jié)果可得除冰切槽深度與射水壓力、噴嘴孔徑之間的關(guān)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(guān)系，在0.320～0.460 MPa范圍內(nèi)射水壓力與切槽深度呈線性關(guān)系;則由數(shù)據(jù)分析以及試驗(yàn)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(duì)除冰效果影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，如圖4所示。

圖4 射水壓力對(duì)切槽融冰深度的影響圖

可知切槽深度與射水壓力關(guān)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(duì)除冰效果的影響

在融冰切割過(guò)程中，射流噴嘴與冰面的夾角α、射流溫度均會(huì)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(jìn)行角度變化試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù) (表3)。射流噴嘴與冰面的夾角是通過(guò)噴嘴偏向與裝置的前進(jìn)方向來(lái)確定的，若噴嘴偏向與前進(jìn)的方向相同，則角度為正;反之，角度為負(fù)。

表3 不同噴射角度對(duì)應(yīng)的切槽深度

由表3可知:在相同條件下，射流與冰面夾角對(duì)切槽深度沒(méi)有顯著性影響。切槽深度誤差是由于試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量產(chǎn)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(jìn)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(dāng)溫度T一定時(shí)，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(yàn)

為驗(yàn)證裝置的可行性，進(jìn)行了簡(jiǎn)易試驗(yàn)。利用鋸片、角磨機(jī)制作簡(jiǎn)易的銑削除冰裝置。使用市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)提供動(dòng)力。進(jìn)行相應(yīng)的除冰試驗(yàn)，表4為對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果。

表4 銑削除冰速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在角磨機(jī)功率為720 W條件下銑削除冰速度可達(dá)到400 m/h。適當(dāng)?shù)靥岣唠姍C(jī)功率則可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求且在系統(tǒng)可承受范圍內(nèi)。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(jié)論

對(duì)熱力快速?gòu)?fù)合融除道路覆冰裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制造，并對(duì)融除冰過(guò)程中的影響因素進(jìn)行相應(yīng)了試驗(yàn)研究分析。通過(guò)試驗(yàn)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(jìn)一步優(yōu)化提供了有效的數(shù)據(jù)參考。試驗(yàn)結(jié)果證明:裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，對(duì)路面損傷小，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

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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(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目 (2010Y18)

朱自成 (1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通信作者:張學(xué)軍，E－mail:zhxjau @sina.com。