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基于粉尘含量传感器和单片机实现扫路车智能喷水控制系统的设计

  随着城市化进程的加快和“五纵七横”为主骨架的公路网的相继完成,城市道路和公路的清扫、保洁面积不断扩大,清扫保洁任务日趋繁重。以化清扫替代传统的人工清扫是必然趋势,因此,环卫清扫车具有很好的市场前景。环卫扫路车是指用于清除、收集并运送路面垃圾尘土等污物的环卫机械。目前市场上的许多清扫车大都存在着清扫率偏低、作业时间较短和二次扬尘严重等问题。要彻底解决这些相互关联的问题,就必须根据地面垃圾种类和粉尘浓度调整扫刷的接地压力、工作转速和喷水流量之间的关系以及其他相应的措施,但显而易见这比较困难。即使目前市面上的吸扫式扫路车,在粉尘多时,二次扬尘大多依然严重,难以根本上消除,特别是在北方风沙较大的地区,这种现象更为突出。针对目前国内市场上二次扬尘根除技术的空白,进行此关键技术的研究是非常迫切的。

  (1)纯扫式扫路车。纯扫式扫路车上不安装风机,其清扫作业是通过边扫将路边的垃圾扫到扫路车下,再通过滚扫或滚扫+抛料机构将垃圾扫入垃圾箱。早在20世纪80年代初期我国就开发了纯扫式扫路车,并在一些大城市的环卫部门使用,后来,随着吸扫式扫路车的开发和发展,纯扫式扫路车逐渐地被吸扫式扫路车所取代。纯扫式扫路车只是通过机械清扫将垃圾扫(抛)入垃圾箱,所以无需进行湿式除尘或干式除尘。为了使清扫作业时扫路车不扬灰,纯扫式扫路车的立扫处一般都设有喷水喷头。

  (2)吸扫式扫路车。吸扫式扫路车是世界上使用最普遍,品种最多的扫路车。吸扫式扫路车不仅有干式和湿式,而且各种结构型式都有。自二十世纪八十年代末,建设部长沙建设机械研究院开发出我国第一台吸扫式扫路车以来,吸扫式扫路车在我国发展迅速。目前我国生产和使用的扫路车大多属于吸扫式扫路车。吸扫式扫路车不仅带有立扫等清扫装置以增加清扫宽度,而且还带有风机。清扫装置将路边的垃圾扫至吸嘴下,然后风机通过风道将吸嘴下的垃圾吸入垃圾箱中。

  (1)干式扫路车。干式扫路车采用干式除尘方式,也就是扫路车在进行清扫作业时除尘过程中不喷水,因此,干式扫路车在垃圾箱或风道中必须设置过滤器。干式扫路车清扫作业时,从吸口处吸入的比重较大的垃圾在进入垃圾箱时,由于垃圾箱中风速急剧下降而引起自然沉降,而吸入的轻比重的细小灰尘在随气流一道经过过滤器时,被过滤器截留下来。根据扫路车的过滤器型式的不同,有些干式扫路车可对立扫采用喷水压尘,而有些干式扫路车为防止过滤器堵塞则不能采用喷水压尘。由于干式扫路车除尘时不使用水,不存在由于环境温度太低而引起清扫用水结冰的现象,所以干式扫路车特别适合于缺水地区或寒冷期较长的地区使用。

  (2)湿式扫路车。湿式扫路车采用湿式除尘方式,即扫路车在清扫作业过程中,除在立扫处采用喷水压尘外,在吸嘴和吸管处采用喷水除尘。立扫处喷水压尘的目的是使扫路车在清扫作业时立扫处不冒灰,在吸嘴和吸管处喷水除尘,目的是使通过吸嘴吸入的细小灰尘在水雾中湿润、聚结成更大体积的颗粒,以便在垃圾箱中沉降。由于湿式扫路车清扫的灰尘通过喷水聚结后无须采用其他措施便能在垃圾箱中自然沉降,所以其风道结构便相对简单,也无须采用灰尘过滤器。

  无论哪种类型的扫路车都存在着一个突出的缺点:二次扬尘问题很难解决。由于吸扫式湿式除尘清扫车使用最普遍,品种最多,因此,解决此类扫路车的二次扬尘问题具有更重要的意义。吸扫式道路清扫车在作业时,由于扫头接触路面,在清扫尘土的同时,将尘土扬起,污染环境。这是制约道路清扫车技术革新的世界性难题。要彻底解决这个问题,就必须明确地面垃圾种类和粉尘的浓度,了解工作转速和喷水流量之间的关系,以及采取其他相应的措施,但显而易见这比较困难。即使目前市面上的吸扫式扫路车,在粉尘多时,二次扬尘大多依然严重,难以根本上消除,特别是在北方风沙较大的地区,这种现象更为突出。

  扫路车造成二次扬尘的原因,一方面可能是工人在作业时操作不规范所致;另一方面,也存在技术上的缺陷。目前,为了解决这个问题,有些厂家在扫路车上安装了控制二次扬尘的装置。比如加装喷水器,在扫头高速转动的同时喷雾压尘,效果虽然不错,但是还没有实现喷水的自动控制,即根据所清扫地面的粉尘浓度,自动调节喷水量的多少,从而解决吸扫式清扫车的二次扬尘问题。

  湿式吸扫式扫路车由于在使用扫刷进行清扫的同时,也会使用鼓风机进行灰尘的吸入,因此,这两个部分最易产生较大的二次扬尘,因此系统设计喷水系统时,在这两个部位都安装粉尘传感器进行粉尘含量的检测,检测结果输入到计算机进行处理,计算机根据处理结果来控制喷头的喷水量。扫路车喷水系统的喷头设计采用三级细分喷水,利用三个继电器分别控制两个喷头,其喷头放置如图1(扫刷部分喷头放置示意图,圆柱体表示喷头)、图2(鼓风机部分喷头放置示意图)所示,其中1和4为第一组喷头、2和5为第二组喷头、3和6为第三组喷头。当粉尘含量较少时,只打开第一组喷头,当粉尘含量较多时,打开第一组和第二组喷头,当粉尘含量最大时,把三组喷头全部打开,实现粉尘的智能控制。

  系统的总体设计方案如图3所示,主要由粉尘含量传感器和单片机控制系统组成。其中粉尘含量传感器主要负责采集现场的粉尘信号,经信号调理后由单片机控制数据的模数转换及读取,并把读取的数据经单片机处理,计算出粉尘的实际浓度值;最后单片机根据粉尘含量值,通过继电器控制水箱阀门的开和时间来调节喷水量的多少,使粉尘和水两者混合后满足既能彻底分离灰尘又不易粘结在风道内,从而实现扫路车粉尘含量的智能检测。

  为了提高扫路车的清扫效率,减少二次扬尘的产生,扫路车必须能根据地面垃圾种类和粉尘浓度调整扫刷的接地压力、工作转速和喷水流量之间的关系,以及其他相应的措施。从而实现扫路车工作时的智能控制。鉴于大气粉尘的多样性,系统提出一种有效识别和测量各类大

  气粉尘含量的方法,设计出粉尘含量检测传感器装置,为扫路车除尘系统提供准确和有效的反馈信息。由于扫路车除尘系统空间的限制,设计传感器时,必须考虑其安装问题。为了满足粉尘含量的准确、快速检测要求,必须设计出高响应速度、体积小的新型传感器。

  为使垃圾倾卸容易并减小二次扬尘产生,系统拟开法出一套粉尘含量的智能检测系统,即扫路车能根据粉尘含量的高低自动调节喷水量,使灰尘分离时既不产生扬尘又不易粘结在风道内。提出扫路车除尘系统的控制方案,建立扫路车水量选择的数学模型,对影响除尘效果的喷水量与风量的关系和垃圾箱容积以及灰尘过滤器的结构和型式的进行研究。设计出以单片机为核心的扫路车智能检测系统,大大提高扫路车的清扫效率,减小风道堵塞,延长风机寿命,基本消除二次扬尘的产生。

  目前扫路车的除尘系统仍大量采用湿式除尘,其中又可分为喷水除尘和循环水除尘;即便是城市街道的清扫,当粉尘量较大时,过多的洒水量也会使粉尘遇水结泥,清扫和倾卸困难。扫路车粉尘含量智能检测与控制系统能根据粉尘含量的多少精确控制喷水量,而喷水量的多少直接影响到粉尘的分离成度和二次扬尘的产生。因此设计时要不断调节水与粉尘的混合比,意图找出两者的最佳混合比例,使两者混合后满足既能彻底分离灰尘又不易粘结的双重要求。

  针对湿式吸扫式扫路车存在的二次扬尘问题,系统提出了一种根据不同路段粉尘含量的多少,采用计算机控制的三级细分喷水系统来实现自动喷水的喷水系统智能控制方案,不仅能够解决以前湿式扫路车存在洒水少扬尘严重、洒水多泥土粘成块不易清扫的问题,而且能有效解决扫路车的二次扬尘问题。

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