快速复合融除冰装置的研究

朱自成，张学军，2，徐肖攀，储伟俊，李超新

(1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业工程装备创新设计试验室重点试验室，新疆乌鲁木齐 830052; 3.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京 210007)

快速复合融除冰装置的研究

朱自成1，张学军1，2，徐肖攀3，储伟俊3，李超新1

(1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业工程装备创新设计试验室重点试验室，新疆乌鲁木齐 830052; 3.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京 210007)

如何保证冰雪天气条件下交通顺畅、行车安全，提高道路通行能力和运营效益、减少和避免交通事故发生是当今面临的一大难题。为此，在分析现有不同除冰方法的基础上，提出一种融合热力－水射流切割融除冰与机械铣削除冰的复合除冰方法。介绍了热力快速复合融除冰装置和机械铣削除冰装置的结构组成、工作原理，设计了复合融除冰装置，并进行了相关试验。结果表明:该装置可以很好地完成融除冰任务，满足设计需求。

机械铣削除冰;热力－水射流融冰;试验分析

每年冬季我国大部分地区都会遭受冰雪天气的影响，路面积雪不仅给人们出行带来了许多麻烦，而且加大了发生交通事故的频率。为了保证交通顺畅和行车安全，提高道路通行能力和运营效益，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方有化学法、机械法和热力法等3种方法［1－2］，每种方法在实际的应用中各有利弊。化学除冰法通常采用融冰剂融化冰雪，实施简单方便，效果明显，但对混泥土路 (桥)面和钢桥面有腐蚀作用并且污染环境。机械法对于清除浮雪有显著的效果，但是对于清除紧贴路面的冰层效率很低并且容易破坏路面。热力法融除冰目前发展不够完善，达不到预定的效果。

从目前的除冰方法和设备来看，很难达到除冰效率高、效果好、成本低。为此，文中提出一种快速复合融除冰的新方法。在现有的设备上结合热力融冰、射流切割、机械铣削除冰技术，考虑道成本、环境和比热容等多方面的因素试验，选取水为介质，提出复合融除冰方法，实现高效、快速和低成本的道路融除冰。

1 复合融除冰装置的设计

热力射流融冰是结合热力除冰与射流切割原理提出的。热水射流融冰时，冰面的破坏是由热力融化与射流冲击等多方面的作用引起的。其原理是用热力融冰装置将冰层切割成独立菱形冰块，再利用铣削除冰装置将冰块切除。路面冰层已被切割成独立的冰块，很容易被除冰装置清除。

1.1 热力融冰装置设计

为达到试验设计融冰要求，试验设计了水箱，其底部安装有两组喷头，每组包括30～40个喷嘴，直线等间距排列，如图1所示。

图1 装置喷嘴布置

图2 射流喷嘴理论运动轨迹图

工作时两组喷头随除冰装置以vy沿道路运动，在垂直于除冰装置前进方向以vx往复运动，由此两组射流切割的轨迹交错成网格。图2为切割路径示意图，其中红色、蓝色实心圆分别代表前后组喷头，红色曲线为前组喷头运动轨迹，蓝色曲折线为后组喷头运动轨迹。

1.2 铣削除冰装置设计

综合不同机械除冰方法的试验结果，考虑减小装置进给量以及参考机械铣削加工工艺，文中提出并设计了一种机械铣削除冰装置，铣削除冰方案如图3所示。

图3 铣削除冰方案

铣削除冰装置是由定位机构 (导杆、滚轮)、除冰机构 (铣刀、电机)以及两者的连接机构组成。

与常用的机械除冰方法相比，机械铣削除冰装置铣削冰层进给量同冰层厚度无关，只与刀具转速和前进速度相关，故切削阻力小;刀具可随路面起伏，不影响其除冰效果。同时冰槽可实时反馈路面信息，进而控制铣刀组与路面距离，这样保证了铣刀与路面间的距离始终控制在预定的范围内，提高了路面的适应性。考虑到铣刀磨损、路面损伤等因素，试验设计铣刀与路面不接触，在机械除冰阶段残留1～2 mm的薄冰层，再通过喷洒融冰剂或热水的方法融除残留冰层，由此既保证了路面覆冰的除净率又保护了路面。

2 复合融除冰装置试验

为验证试验可行性，获得准确试验数据，建立了低温试验室提供真实的试验环境。在该试验中对热水射流融冰效果有影响的因素:射流压力、喷嘴孔径、射流温度、喷嘴距离冰面的高度、射流与冰面的夹角、除冰装置前进速度、喷嘴往复运动速度、喷嘴形状等。文中主要对射流压力、喷嘴孔径、射流与冰面的夹角、射流温度等因素进行了相关试验分析。

2.1 射流压力、喷嘴孔径对除冰效果的影响

试验在同一温度区间 (89～93℃)、喷嘴距离冰面距离为45 mm、射流与冰面夹角为90°、装置行进速度为0.20 m/s条件下，选择不同射流压力、喷嘴孔径进行试验。经过重复试验记录试验数据 (切槽深度mm)建立双因素试验数据表(表1)，A代表喷嘴孔径 (A1=1.5 mm;A2=1.75 mm;A3=2.00 mm);B代表射水压力 (B1=0.320 MPa;B2= 0.345 MPa;B3=0.370 MPa;B4=0.400 MPa;B5= 0.460 MPa)。

表1 喷嘴孔径与射水压力双因素重复试验数据表

运用R统计软件对试验数据进行分析，输出结 果如下:

(注:Df为自由度;Sum Sq为平方和;Mean Sq为均方;F value为F值;Pr(＞F)为F检验;Signif.codes:为显著性系数;Residuals为残差)

由输出结果可知因素A(喷嘴孔径)与因素B(射水压力)对除冰效果有高度的显著性影响，但是两者交互效应作用对除冰效果影响不明显。

为提高试验数据分析的准确性，对试验数据进行处理求其平均值，建立新双因素试验数据表 (表2)，然后做回归分析并拟合曲线方程。

表2 取平均值后的双因素重复试验数据表

运用R统计软件对试验数据进行分析，输出结果如下:

(注:Estimate Std为估计值;tvalue为t值;Pr (＞|t|)为t检验)

由分析结果可得除冰切槽深度与射水压力、喷嘴孔径之间的关系并拟合曲线的方程:

式中:y为切槽深度;x1为喷嘴孔径;x2为射水压力。

由方程可知喷嘴孔径与切槽深度是二次曲线关系，在0.320～0.460 MPa范围内射水压力与切槽深度呈线性关系;则由数据分析以及试验可得喷嘴孔径选择为1.75 mm除冰效果最佳，选取不同射水压力对除冰效果影响的试验数据进行一元线性回归分析，如图4所示。

图4 射水压力对切槽融冰深度的影响图

可知切槽深度与射水压力关系以及拟合曲线的方程为:

式中:y为切槽深度;x为射水压力。

2.2 射流与冰面夹角、射流温度对除冰效果的影响

在融冰切割过程中，射流喷嘴与冰面的夹角α、射流温度均会影响融冰的切槽深度。因此，在选定1.75 mm孔径喷嘴、0.20 m/s行驶速度、射流温度范围为89～93℃、喷嘴距离冰面高度为45 mm、射流压力为0.460 MPa等条件下进行角度变化试验并记录试验数据 (表3)。射流喷嘴与冰面的夹角是通过喷嘴偏向与装置的前进方向来确定的，若喷嘴偏向与前进的方向相同，则角度为正;反之，角度为负。

表3 不同喷射角度对应的切槽深度

由表3可知:在相同条件下，射流与冰面夹角对切槽深度没有显著性影响。切槽深度误差是由于试验设备和测量产生的。

图5为1.9 mm孔径喷嘴、喷嘴距冰面距离60 mm、射流与冰面间夹角90°、装置行进速度为0.167 m/s的条件下，不同射流压力p、射流温度T下得到的切槽深度变化曲线。从图中可以看出:当温度T一定时，切槽深度随着射流压力p的增大而增大;在相同的射流压力p下，射流温度T越高，切槽深度越深。

图5 不同射流温度下的除冰切槽深度曲线

2.3 铣削除冰装置除冰试验

为验证装置的可行性，进行了简易试验。利用锯片、角磨机制作简易的铣削除冰装置。使用市场标准直径为20 cm木锯锯片代替铣刀，选用功率为720 W小型角磨机提供动力。进行相应的除冰试验，表4为对应的试验数据及结果。

表4 铣削除冰速度试验数据

试验结果说明在角磨机功率为720 W条件下铣削除冰速度可达到400 m/h。适当地提高电机功率则可满足设计要求且在系统可承受范围内。图6为利用锯片大面积铣削路面覆冰效果图。

图6 锯片铣削除冰效果图

3 结论

对热力快速复合融除道路覆冰装置进行了设计与制造，并对融除冰过程中的影响因素进行相应了试验研究分析。通过试验得出在不同射流压力、温度、喷嘴孔径下，热水射流融冰效果的变化情况，为装置的进一步优化提供了有效的数据参考。试验结果证明:装置结构简单，工作可靠，对路面损伤小，经济环保。

【1】张洪伟，韩森，刘洪辉，等.沥青路面除冰雪技术综述［J］.黑龙江交通科技，2008，31(3):8－9.

【2】邓洪超，马文星，荆宝德，等.道路冰雪清除技术及发展趋势［J］.工程机械，2005(12):41－44.

【3】周建钊，黎聪，储伟俊，等.热力－水射流快速融除道路覆冰车的研制［J］.机械设计与制造，2012(8):113－115.

【4】张炳臣，刘淑敏，贾庆怀，等.道路冰雪融化多用车研制［J］.山东交通科技，2004(4):72－75.

【5】李文峰.多功能清雪车碾压磙工作机理及参数优化研究［D］.长春:吉林大学，2009.

【6】刘洋.一种高压清洗车的喷水架设计方案［J］.工程机械，2009(5):10－13.

【7】SILVER Pamela，RUPPRECHT Shannon M，STAUFFER Mark F.Temperature-dependent Effects of Road Deicing Salt on Chironomid Larvae［J］.Wetlands，2009，29(3):942－951.

【8】宋琳，索双富，黄伟峰，等.高压喷嘴几何参数对流场影响的数值模拟分析［J］.新工艺新技术，2010(10):22－24.

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

江苏省交通科学研究计划项目 (2010Y18)

朱自成 (1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为机械装备创新设计。通信作者:张学军，E－mail:zhxjau @sina.com。