摘 要:针对CXF2500除雪机存在的设计不足,文章提出以螺旋滚刷清扫结构替代直筒滚刷结构,将单一风道改为交错梯次风道,增加传感设备等系列技术改进方案,并就其功率消耗及改进后的使用效果进行了分析。
关键词:除雪机;技术改进;螺旋式滚筒刷
中图分类号:U418.3文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)17-0031-03
扫滚式除雪机和吹雪车是目前高速公路较普遍使用的两种冬季除雪设备。扫滚式除雪机是通过动力刷滚除雪,吹雪车是通过大功率鼓风机强风吹雪,在使用中二者各具优势,但同时都有明显的作业条件局限性。CXF2500除雪机是结合扫滚式除雪机和吹雪车优点开发研制出来的专用除雪设备,其工作原理是驱动扫雪滚作旋转运动,扫雪滚上的柔性强力扫雪刷将路面积雪卷起使之脱离地面,并在高压空气的作用下吹向路边。它具有钢丝刷滚耙雪和风压吹除的联合作业工艺特点,大大拓宽了对作业条件的满足范围,提高了除雪效果,且结构简单,使用费用低。但经过长时间的使用,我们发现CXF2500仍存在一些设计缺陷,需对其进行进一步改进。
1CXF2500除雪机的结构缺陷
1.1滚刷布局不合理
为了便于路面清扫和整机结构紧凑,CXF2500除雪机的滚刷采用一个接一个的圆盘滚刷安装在车架底后部,这样的结构一方面需要大量的刷苗,刷苗的磨损很大,更换成本高;另一方面滚刷对雪只是一个垂直的切向耙抛作用,要使雪抛向公路一侧,全部需要高压风力完成,大大影响了除雪效果,滚刷耙抛起雪在向路面外侧吹抛的过程中,由于高压风力的快速消减特性以及吹抛负荷的逐渐增加,除雪的实际效果总是1/2干净,1/2不干净;而且只有滚刷的转速与吹雪速度保持一定最佳匹配状态,才能最大发挥除雪效率;另外车架高度不合适会使雪无法按照设计的轨迹抛出,这些技术掌握不好都会直接影响除雪效果。总之,单一利用高压风力作为除雪侧抛动力,给CXF2500除雪机的除雪效果的发挥带来了很大技术局限。
1.2无传感系统
CXF2500除雪机的关键部件是滚刷,由于作业路面的复杂性,滚刷时常会被诸如煤块、塑料袋等杂物缠绕阻塞,从而使滚刷转速变慢甚至停止,导致清扫效果不佳。究其原因,主要是没有安装传感系统,不能及时提醒操作人员排除滚刷故障。
1.3风道比较单一
CXF2500的除雪宽度为2 500 mm,在如此长的吹送过程中,雪的吹送阻力会因风的作用距离而加大,而且风的压力会因吹送长度的延长而逐渐消减,很明显除雪效果就下降。
2改进措施
2.1改进滚刷布局结构
将动力刷滚上滚刷的排布结构由直线式改为螺旋式,具体改进方法为在滚刷圆柱体上焊接上螺旋刷苗轨道,刷苗一个接一个地安装在螺旋轨道上,形成螺旋清扫滚刷。在工作中滚刷的螺旋式转动能够产生沿螺旋管轴线的轴向力和垂直于螺旋管的切向分力,从而旋转的滚刷本身对雪产生旋转切向的耙抛和侧向的推力两个作用,解决了除雪过程中将雪侧抛到公路外侧只单独依靠风力作用的不足,大大提高了除雪效果和效率。另外螺旋式排布可以减少苗刷用量,降低苗刷磨损,整个滚刷工作时负荷均匀,平衡性好。对于滚刷的转速与吹雪速度之间,因为多了滚刷自身对雪侧向推力的调节缓存,使得二者在匹配上要求较松。螺旋式排布结构对于一些硬物阻塞也有一定的缓解作用。
2.2安装传感器
在两个滚刷的轴端装上转动感应探头,通过联接线路,实时将滚刷转动信号传递给驾驶室内的显示器,当速度降到某一设定值时还能自动报警,以便及时提醒操作员,采取措施,确保清扫效果。
2.3单一风道改为交错梯次风道
CXF2500的除雪宽度为2 500 mm,在如此长的吹送过程中,雪的吹送阻力会因风的作用距离而加大,而且风的压力会因吹送长度的延长而逐渐减小,鉴于此,将CL2500的单一风道改进为交错布置的梯次风道,见图1。
由于压缩后的风力在出口处风压最大,一旦与风管外的大气混合后,其压力会很快减弱,并直接影响到后部分雪的吹送效果,为克服其不足,将原来单一风道送风方式改进为交错梯型多风道送风。其原理为将除雪宽度L分为A和B两个吹雪道(当然,也可以根据需要分为n个),由风机出口的风从出风口即分为Δ和δ(也可以更多)两个吹风口。这就使得第一风道和第二风道(或第n风道)的吹口处的风压近似于一致,而达到最大风压。第一风道将雪吹至第二风道处后,将由第二风道以相同的风压继续吹除,形成等同风压的接力吹除方式。实践证明这种方法的设计是比较理想的。
3技术改进理论分析
3.1螺旋式滚筒刷的结构及运动分析
滚刷排列结构由直排式改成螺旋式后,刷苗排列线形与滚筒母线均呈一定的角度α,工作时使得刷苗对雪的推力Fn成为空间力,由于螺旋滚刷的刷苗安装垂直于螺旋管,即刷苗和螺旋管之间的夹角为90°,则Fn的分力就为轴向分力F轴=Fncosα,推动雪沿螺旋管得轴线前进,沿螺旋管轴线的轴向力垂直于螺旋管切向分力F圆=Fnsinα,使雪沿圆周切线转出;及其对应的速度之间同样的关系,使雪沿圆周切线转出v圆,推动雪沿螺旋管的轴线前进轴向上前进的速度v轴,其中v轴=v圆tgα,因为滚筒为匀速转动,v圆为恒定值,当α增大时v轴随着增大。
3.2除雪阻力计算
除雪阻力不仅与车行速度、加速度及相关材料材质及几何外形有关系,也与温度及清除对象的物化状态有关。其计算不仅繁杂,而且由于某些参数的取值不一定准确而有可能产生较大的误差。鉴于此,近年来除雪机械的阻力计算推荐用较为理想的经验公式来处理。这样的结果一般能够符合实际情况。
通过对除雪阻力与除雪生产率的考察,分析整理出它们之间的关系,从而可得出关于除雪阻力计算的经验公式。已知条件,滚刷宽度B=2.5 m,浮雪厚度H=0.1 m,积雪密度ρ=250 kg/m3,行驶作业速度v=20 km/h,滚刷直径d=600 mm,工作转速n = 500 r/min,刷苗圆周线速度Vm=πdn/60=15.7 m/s。
F=9.8 NrBHρ
F:行进方向所受的雪阻力即滚筒的切线方向的力;
除雪比阻可由下式计算通过对实际测量结果进行分析,除雪比阻与除雪速度有如下的关系:
Nr=0.00942 V2-0.24 V+6.55
由于本机的最大工作速度为20 km/h,故Nr=8。
F=9.8 NrBHρ=4900 N=4.9 kN
3.3功率计算
为进一步验证其可行性,可从计算滚刷的功率消耗入手,通过分析计算,不仅可得出较为可行的螺旋角,而且可描述其运动过程并获得评价经济性指标——功耗值。
计算滚刷功率消耗。滚刷消耗功率N下主要包括:克服刷苗和路上的雪所需的功率Nm,克服空气阻力所需的功率Nb,克服刷苗与滚筒壁间的摩擦阻力所需的功率NP1,克服雪与滚筒壁的摩擦阻力所需的功率NP2,提升雪所消耗的功率NP3,传动效率η=0.9。
Nm由以下公式计算:
Nm=F (V+Vm)/η;
F轴=Ftgα
驱动滚刷除雪的功率:
Nm =F(V+Vm)+ F轴v轴)/η
见图2,从图2中看出随着α的不断增大,驱动滚刷除雪的功率显著增大,结合实际试验值比较经分析后,进行在φ600直径的刷滚前提下进行了试验。结果显示α取15°~25°效果最好,故取20°。
则:Nm=114.33/η=127.03 KW;
Nb≈0.01Nm≈1.27 KW
计算N上时,因与滚筒壁相接触的刷苗比与地面相接触的刷苗数量多,但接触压力较小,为计算方便,权将滚筒壁的总压力仍以P值计算, NP1=FμVm/η=12.82 (kW);
其中:μ:刷苗与筒壁的摩擦系数,为0.15。
其余消耗在雪上的功率:NP2,NP3因太小可忽略不计,
螺旋滚筒消耗功率:N =Nm+ Nb+NP1=141.12 (kW)
直滚筒消耗功率:N直=129.66 (kW)
(N - N直)/ N×100% =8%
在上述计算中,通过对螺旋滚刷与地面雪及滚筒壁作用情况的分析,一方面揭示了滚刷在抛掷雪过程中的运动特征,另一方面计算出滚刷的功率消耗值。螺旋角为20°的螺旋滚刷在功率消耗上只增加了8%(11.46 kW),但它能对雪产生一个1.78 KN的轴向推力,增强了除雪中最关键的对雪侧向推移能力,有效弥补了单一依靠鼓风机作为除雪侧向动力的不足,而且在不提高鼓风机功率的情况下,整机的功耗性能比得到很大提高,除雪效果明显得到改善。
4使用效果
经过一年多的研究,试制出的样车具备了扫雪车的各项功能,该车不仅在驾驶室内就可以完成清扫作业的全过程操作,而且作业中出现的故障及除雪干净程度都能及时在仪表台和电视屏幕上显示出来(设有电视摄像系统)。2008年底在太长高速公路及太原市多条市政道路上进行了实体工程考核。其效果见表1。
另外该机还可作为清扫车,用于对环保无严格要求路段的清扫作业,其清扫速度为及扫式清扫车的3倍以上。
5小结
针对CXF2500除雪机在实际使用中表现出的设计不足,经过将螺旋滚刷清扫结构替代直筒滚刷结构,将单一风道改为交错梯次风道,增加传感设备等系列技术改进,其除雪效果和工作可靠性和稳定性有了明显改善,且改造成本不高,功耗有所降低,理论计算分析和实际检测结果基本一致,改进方案具有很好的实用性与推广性。
作者简介:刘月娥,女,1976年9月出生,山西临县人,1997年毕业于山西农业大学机械专业,工程师。
