苏东涛
上海神舟汽车节能环保股份有限公司
摘要：对铣刨路面吸尘车除尘系统进行设计计算，并结合铣刨路面吸尘车结构特性进行除尘系统优化，降低功耗，提升性能。
关键词：铣刨路面；除尘系统；气流；压力损伤
1. 研究背景
随着我国公路里程的稳步增长，至2019年12月止，我国公路里程已突破500万公里。随着道路使用年限的增长，道路会出现各种损坏。修补时一般先用铣刨机对基层进行铣刨作业，清扫干净后再进行路面面层的铺设。铣刨后的路面粉尘颗粒浓度高、坑洼严重，如果清扫不干净，一般透层油或者稀浆封层等根本就起不到该起的作用，容易使沥青路面与基层产生分离，影响沥青路面的压实度，其次基层中的水汽容易侵蚀到沥青路面里，容易引起沥青路面翻浆龟裂等，引起早期的损坏。现阶段铣刨后清扫主要方式是人工清扫或滑移装载机加装滚刷清扫，清扫效果差且易扬尘造成二次污染。因此开发一种铣刨路面吸尘车尤为重要，为提升铣刨路面吸尘车性能，下面对铣刨路面吸尘车除尘系统进行设计研究。
2. 铣刨路面除尘系统工作原理
铣刨路面吸尘车除尘系统主要包括风机、过滤仓、沉降垃圾仓、管网风道、吸嘴。吸尘车作业时，风机运转在除尘系统中形成气流和压差，将吸嘴外部的垃圾和空气通过管网风道吸入沉降垃圾仓，大型颗粒和密度较高的粉尘落入沉降垃圾仓，部分粉尘伴随着气流进入过滤仓经过过滤后变成干净的空气排放到大气中去。
3. 铣刨路面吸尘车除尘系统设计
根据铣刨路面吸尘车结构、法律法规和相关标准确定沉降垃圾仓和吸嘴的外形结构尺寸。
3.1吸嘴设计
吸嘴作为除尘系统的最前端部件，合理的吸嘴有利于提升吸尘车的清扫效果，铣刨路面的大颗粒直径常大于1mm，根据参考文献[1]，滚刷吸嘴入口风速初选7 m/s，基于尘粒起动机理的初步研究，冲击力是尘粒起跳的主作用力。因铣刨路面坑洼多、粉尘颗粒浓度高，所以在吸嘴内部增加旋转刷辊用于搅动铣刨后的粉尘来提升粉尘颗粒的冲击，更利于吸嘴对粉尘颗粒的清扫。
吸嘴其结构和工作原理类似于密闭集气吸尘罩，根据吸嘴的结构参数计算吸嘴总排气量参照公式：Q3=3600Kv∑A+Q （1）
式中K—安全系数，一般取1.05～1.1；V—通过缝隙或孔口的速度（这里等于入风口风速m/s）；∑A—密闭罩开启孔及缝隙的总面积，m2（吸嘴入风口面积）；Q3—吸嘴总排气量，m3/h；Q2—污染源气量，m3/h（此系统近视等于0）。
3.2沉降垃圾仓设计
铣刨路面吸尘车沉降垃圾仓设置在底盘的中后部，基本外形为方形或圆弧形箱体。
3.3过滤装置的过滤面积计算
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3.4.4沉降垃圾仓的压力损失
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3.4.5除尘系统总压力损伤
△ P=△P1+△PL+△P2 +△P3 （6）
式中△P—除尘系统总压力损伤，pa。
3.5除尘系统风量风压计算
3.5.1除尘系统风压
因除尘系统管网复杂,在计算除尘系统总风压时应留有充分余地,除尘系统风压计算:P=ψ△P （7）
式中P—除尘系统风压，pa；ψ—除尘系统余量系数。
3.5.2除尘系统风量
具体到铣刨路面吸尘车除尘系统时，系统设计总风量计算：
Q= Q 3 （8）
式中：Q—系统设计的总风量，（m 3 /h）；Q3—吸嘴总排气量，m3/h。
3.6根据除尘系统风量风压完成风机选型
风机选型计算公式：Qf=（1+k1 ）（1+k 2）Q （9）
式中：Q—系统设计的总风量，（m 3 /h）；k1 —管网漏风附加系数，取0.1～0.15；k2 —设备漏风附加系数，可按设备样本选取，或取0.05～0.1；
4.除尘系统结构优化
铣刨路面吸尘车除尘系统管网复杂，理论上只要提高风机转速就可以获得更高的风量，但这也会同时提高除尘系统能耗，造成设备使用成本的增高，因此我们改进的主要方向是合理优化除尘系统各部件结构布置来提升设备清洁能力。
4.1优化吸嘴结构，改善吸嘴内部气流速度分布
传统吸嘴结构为长方形箱体上部设置一个细小的吸尘管，吸嘴内部气流可以近似的看成是空气在吸嘴内部做定常流动，参考理想微细气流定常流动柏努利微分方程：
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由式（10）、式（11）、式（12）可知传统吸嘴气流高速区主要集中在吸尘管附近，吸嘴四周主要是低速区；根据参考文献[1]，除极细微的尘粒之外，气流高速更有利于粉尘颗粒起跳离开地面进入吸嘴。
因传统吸尘车吸嘴长度较长，一个吸尘管造成吸嘴四周及边缘气流速度低，所以铣刨路面吸尘车吸嘴设置两个吸尘管用于改善吸嘴整体气流速度分布情况；根据式式（10）、式（11）、式（12）在吸嘴内部设置隔板来提升吸嘴底部风速；传统吸嘴箱体和吸尘管直接相连，气流进入吸尘管时气流方向急剧变化，根据式（11）可知这种结构会加剧压力的损伤，因此在吸嘴箱体和吸尘管之间设置漏斗型的过渡围板来减少压力损伤和改善吸嘴的气流分布。
4.2提升沉降垃圾仓沉降效果
传统沉降装置一般只能沉降密度或体积较大的颗粒，大量的粉尘进入过滤装置易造成过滤装置过早堵塞和增加除尘系统的压力损伤，因此沉降垃圾仓出风口和入风口附近分别设置多重挡板和二级沉降室，气流遭遇挡板时被迫转向，粉尘颗粒更易在沉降垃圾仓沉降从而降低过滤装置的负担
4.3过滤装置优化
吸尘车不同于传统工业除尘设备，传统的布袋占据面积大、阻力大，因此选用折叠布圆筒滤筒，单个折叠布圆筒滤筒过滤面积大、阻力小、透气性好。过滤装置直接与风机和沉降垃圾仓连接，不设置管道，减少管网阻力
为保证过滤装置的性能，采用脉冲阀喷射清灰方式，脉冲时间可根据工况主动调节。
4.5整体管网优化
由式（9）可知，除尘系统的漏风会导致风机的功耗提高，在除尘系统各管网连接处设置密封垫来减少设备漏风；过滤装置设置在沉降垃圾仓上方，过滤装置和沉降垃圾仓的气流通道内设置筛网，过滤掉的粉尘可直接落入沉降垃圾仓方便卸料。
5结语
通过对铣刨路面吸尘车除尘系统的研究和设计计算，结合铣刨路面吸尘车结构特性进行优化，指导了铣刨路面吸尘车除尘系统各部件的选型和改善，提高了铣刨路面吸尘车的清扫效率和经济性。
参考文献
[1] 李战军,郑炳旭. 尘粒起动机理的初步研究[J]. 爆破,2003(4):17-19
[2] 张殿印,王纯,主编. 除尘工程设计手册[M]. 北京:化学工业出版社,2003.6
[3] 华南工学院，上海化工学院编. 流体力学风机及泵[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1980.12
[4]李惠霞，王建,主编.路基路面工程[M]. 机械工业出版社，2018.7
[5]张宜洛,主编.沥青路面施工工艺及质量控制[M]. 人民交通出版社，2011.8