吸掃式掃地車是我國(guó)目前在用的城市道路掃地車的主力車型之一，而吸嘴被泥土堵塞一直是困擾此類掃地車的一道難題。通過對(duì)濕掃型道路掃地車的吸嘴易被泥土堵塞的機(jī)理分析，提出降低吸嘴流道近壁的塵土的含水率，控制泥塊的黏性處于臨界黏性以下，使泥塊不黏附于流道壁面；而將吸嘴流道中心部位的塵土的含水率適當(dāng)加大，以滿足有效壓塵的解決思路，并根據(jù)這種思路改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種吸嘴噴水裝置，按不同吸嘴的具體結(jié)構(gòu)確定孔數(shù)、孔徑、孔沿圓周的分布規(guī)律和噴水的初始方向等要素。通過對(duì)比試驗(yàn)表明，改進(jìn)的噴水裝置通過改變水在吸嘴流道內(nèi)的空間分布和速度特性，能達(dá)到在不增加供水量、不影響吸嘴作業(yè)性能的前提下，大幅提高吸嘴抗泥土堵塞的能力。
關(guān)鍵詞：掃路車；吸嘴；流道堵塞
路面掃地車按其工作方式分為純吸式、吸掃式和純掃式3種。其中吸掃式掃地車具有清掃效率高、清潔路面徹底、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合我國(guó)國(guó)情的城市道路掃地車，也是目前城市道路掃地車的主要發(fā)展方向[1]。
為了防止揚(yáng)塵造成二次污染，有一部分吸掃式掃路車采用噴水降塵，即在各掃刷前面、吸嘴內(nèi)部設(shè)有噴嘴。這種掃路車由于沒有氣流過濾設(shè)施，所以具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、工作可靠、壽命長(zhǎng)、噪聲相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)[2]，是我國(guó)目前在用的城市道路掃地車的主力車型之一。
但是，如果路面的塵土較多，對(duì)于噴水式(濕式)吸掃車來(lái)說，經(jīng)過濕潤(rùn)的塵土變成具有黏性的泥塊，在氣流的作用下泥塊運(yùn)動(dòng)速度非常高，一旦與吸嘴內(nèi)壁碰撞，就會(huì)緊緊地黏附于吸嘴內(nèi)壁上，致使掃路車清掃效果下降；由于泥塊越積越多，最終將造成吸風(fēng)管流道完全堵塞，掃路車不能正常工作的后果。而且這種泥塊在管道內(nèi)壁黏得很密實(shí)，一旦黏附上就很難清理，給掃路車操作、維護(hù)人員帶來(lái)很大的不便。
由此可見，吸嘴被泥土堵塞一直是困擾濕式道路掃地車的一道難題，有必要對(duì)其堵塞機(jī)理進(jìn)行研究，并尋求解決方案。
1吸嘴被泥土堵塞的機(jī)理
塵土經(jīng)過噴水濕潤(rùn)，變成具有黏性的微小泥塊，被吸入吸嘴流道后，高速運(yùn)動(dòng)的泥塊難免會(huì)碰上流道內(nèi)壁，并黏附在壁面上，如圖1(a)。流道內(nèi)壁面上不可避免的存在著一些凸起或凹坑，成為泥塊最易積附之處。
一旦有泥塊黏附在流道壁面上，后面進(jìn)入吸嘴的泥塊就會(huì)繼續(xù)在此積聚，造成流道壁面上的泥塊體積長(zhǎng)大，如圖1(b)。
黏附在流道壁面上的泥塊除了受到重力作用之外，還受到氣流的擾動(dòng)力(取決于氣流速度、流場(chǎng)狀態(tài))、壁面對(duì)泥塊的黏著力(取決于泥塊的含水率)以及來(lái)自壁面振動(dòng)引起的擾動(dòng)力。除了壁面對(duì)泥塊的黏著力是促使泥塊黏附在壁面上的因素之外，其它力都是促使泥塊脫離壁面的因素。并且，隨著泥塊體積的增加，重力和氣動(dòng)干擾力也不斷增大。因此，泥塊在流道中積聚到一定體積之后，就不會(huì)進(jìn)一步增大了，處于暫時(shí)的平衡狀態(tài)，如圖1(c)。但是，這種平衡狀態(tài)是非穩(wěn)定的，一旦受到干擾，例如車身振動(dòng)、突然有大泥塊碰撞等，就會(huì)有泥塊脫離母體，如圖1(d)。如果脫落的泥塊體積大到一定程度，就會(huì)將吸嘴流道堵住，致使掃路車不能工作。
目前，掃地車所用的風(fēng)機(jī)都是引風(fēng)型的離心風(fēng)機(jī)，升壓能力不是太大，一旦流道堵住，風(fēng)機(jī)在所堵部位形成的氣壓差根本不可能沖破堵住的泥團(tuán)，于是整個(gè)流道就完全堵塞了，如圖1(e)。
通過上述吸嘴流道被堵塞的過程和機(jī)理的分析可知，要防止流道被堵塞，有兩種解決方法：(1)減小泥塊的黏性，即減小泥塊黏附于壁面的可能性；(2)增加各種擾動(dòng)，即增加促使泥塊脫離流道壁面的因素。由于第2種方法對(duì)泥塊的擾動(dòng)增加，勢(shì)必增加掃路車的振動(dòng)、噪聲等負(fù)面特性，降低設(shè)備的操作舒適性和可靠性，所以本文不作進(jìn)一步探討。下面僅對(duì)第1種方法做進(jìn)一步分析。
圖1吸嘴流道被泥土堵塞的過程
由松散介質(zhì)力學(xué)、流體力學(xué)可知，當(dāng)泥土中不含水分時(shí)，即干灰塵，是沒有黏性的，不會(huì)黏附在流道壁面上；當(dāng)泥土的含水率很高，即水中的泥土成分非常小，其黏性u(píng)w接近純水的黏性，也不會(huì)黏附在流道上。
這說明，泥塊存在一個(gè)臨界黏性u(píng)c，若泥塊的實(shí)際黏性大于uc，泥塊就會(huì)黏附在流道壁面上，否則，即使泥塊碰上壁面，也不會(huì)黏附在壁面上。同時(shí)，泥土存在某個(gè)特定的含水率t，在這個(gè)含水率上，泥塊有最大黏性u(píng)max。在這個(gè)特定的含水率之前，泥塊的黏性隨含水率的增加而增加，一旦超過這個(gè)含水率，其黏性將隨含水率的增加而減小。據(jù)此，可以得出泥土的黏性與其含水率關(guān)系的大致趨勢(shì)，如圖2所示。
圖2泥塊黏性與含水率之間的關(guān)系的大致趨勢(shì)
2解決泥土堵塞噴嘴問題的原理及方案
上述分析表明，為使泥塊不黏附于吸嘴流道壁面上，應(yīng)將流道壁面附近泥土的含水率控制在圖2所示的A區(qū)或B區(qū)。此時(shí)泥塊的黏性小于臨界黏性u(píng)c。顯然，如果流經(jīng)壁面附近的泥塊含水率處于B區(qū)，將存在以下弊端：
(1)需水量大，造成水資源浪費(fèi)；
(2)掃路車水箱容積較大，不利于整車設(shè)計(jì)；
(3)如果遇上地面的塵土很厚，泥塊的實(shí)際含水率會(huì)降低，可能離開B區(qū)，致使泥塊的實(shí)際黏性大于臨界黏性u(píng)c，造成流道堵塞，也就是說，這個(gè)區(qū)域的含水率是不穩(wěn)定的。
因此，應(yīng)該將流過流道近壁區(qū)域的泥塊的含水率控制在A區(qū)。但是，實(shí)際上如果整個(gè)流道的泥土的含水率全部控制在A區(qū)，也是不行的，這樣會(huì)造成掃路車揚(yáng)塵大，導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的二次污染，因此在吸嘴流道中心部位的泥塊濕度應(yīng)該以盡量滿足降塵要求為準(zhǔn)。
所以，要想有效減少促成泥塊粘上壁面的因素，必須合理控制水在吸嘴內(nèi)部的空間分布和速度分布：將流經(jīng)流道近壁的塵土的含水率減小，使泥塊的黏性處于臨界黏性u(píng)c以下，從而使泥塊不黏附于流道壁面，使吸嘴流道中心部位的塵土的含水率適當(dāng)大一些，以滿足有效壓塵的目的。
目前，安裝在濕掃車吸嘴流道內(nèi)部的噴嘴一般都是夾縫式噴嘴(也稱扇形噴嘴)，這種噴嘴的工作特征是：水離開噴嘴夾縫時(shí)呈膜狀，在表面張力和氣動(dòng)力的作用下，水膜裂成水滴群，水滴群分布在扇形平面內(nèi)。為了避免噴嘴被吸嘴吸入的沙石等硬物損壞，一般使噴嘴的出口較流道內(nèi)壁面低一些，并且為了增加水霧與來(lái)流的接觸面積，都使扇形水霧平面與來(lái)流方向垂直。
這樣勢(shì)必造成這種現(xiàn)象：水霧離開噴嘴后很容易受來(lái)流的影響，在氣流中的穿透能力很弱；尤其是在來(lái)流速度很高的情況下，水霧離開噴嘴后很快就被帶向下游，造成噴嘴下游的近壁區(qū)域內(nèi)塵土含水率很高，處于圖2中的B區(qū)，而流道中心部位的塵土比較干燥。在更遠(yuǎn)的下游，由于湍流脈動(dòng)作用，流道中心部位的較干燥塵土進(jìn)入壁面附近，使得近壁區(qū)的泥土含水率下降、黏性增加，一旦粘度超過臨界黏度uc，泥塊就會(huì)黏附在流道壁面上。特別是路面塵土較多時(shí)，很快就會(huì)堵塞吸嘴流道。
對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于吸嘴的改進(jìn)的噴水裝置，如圖3所示。在環(huán)管上開數(shù)個(gè)孔(孔并不一定沿圓周均勻分布)，孔與氣流方向有特定的夾角?？讛?shù)、孔徑、孔沿圓周的分布規(guī)律和噴水的初始方向需視吸嘴的具體結(jié)構(gòu)而定。
圖3改進(jìn)的吸嘴噴水裝置
3試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果
為了驗(yàn)證這種改進(jìn)的噴水裝置對(duì)吸嘴的抗堵塞效果，我們進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。將相同的兩個(gè)吸嘴，一個(gè)使用傳統(tǒng)的扇形噴嘴，另一個(gè)使用改進(jìn)的噴水裝置，分別安裝在同一輛掃路車上，在兩者噴水量相同的條件下，在相同的路段、相同的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。
經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：裝有改進(jìn)噴水裝置的吸嘴一次也沒有出現(xiàn)泥土堵塞流道的故障；而裝有傳統(tǒng)扇形噴嘴的吸嘴曾出現(xiàn)過數(shù)次堵塞故障。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的噴水裝置確有改善吸嘴抗泥土堵塞的能力，之所以如此，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，我們分析其原因在于：水從改進(jìn)噴水裝置上的孔里噴出時(shí)呈柱狀，這種柱狀水霧具有很強(qiáng)的氣流穿透能力，周向分布的數(shù)道水柱迎向氣流，到達(dá)流道中心部位后，在氣流的氣動(dòng)力以及表面張力作用下，連續(xù)的水柱碎裂成離散的細(xì)小水滴，使流道中心部位的塵土變成較濕的泥塊，而流道四周近壁部分仍然是干燥的塵土。在流道較遠(yuǎn)的下游，由于湍流脈動(dòng)作用，中間部位的濕泥塊會(huì)碰向流道內(nèi)壁，但是由于泥塊要穿過壁面附近的干塵土區(qū)，干塵土?xí)谀鄩K周圍，降低泥塊的黏性，使泥塊不能黏附上流道內(nèi)壁，達(dá)到克服流道堵塞故障的目的。
關(guān)鍵詞：掃地車 掃路車 吸盤 技術(shù) |
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