集成式喷丝机设计与分析

集成式喷丝机设计与分析

梁令帅

中节能铁汉生态环境股份有限公司     广东  深圳     518040

【摘要】：近年来，随着纤维丝补强土植生技术日渐成熟和渐多推广，日益备受关注，该技术是以加丝土体抗剪切为理论基础和喷丝设备研发应用为核心，建立起一套从理论到实际工程应用的技术体系。本文将详细介绍集成式喷丝机研发设计迭代过程，并通过喷丝系统的结构优化和改进，来提高连续喷丝稳定性和环境的适应性，以期推动该技术的发展与应用，从而降低边坡治理的难度。

【关键词】：集成式喷丝机；工作原理；喷丝系统分析；

一、集成式喷丝机总述

1．集成式喷丝机的基本结构

集成式喷丝机主要由喷丝系统、支架系统、底架系统、纤维丝装置、覆盖件和动力系统及控制系统等部分组成。

喷丝系统：直接完成喷丝作业的装置。它是利用加压文丘里管与射流喷头相结合，以高压空气为动力而设计的新型射流喷射器装置，由射流管、外罩、调节阀、连接件等部件构成；

支架系统：底架系统与射流器系统连接作用，可调节高度和射流器系统的旋转；

底架系统：整个机器所有零部件连接安装的基体；

纤维丝装置：用于放置纤维丝，同时具备一定导向功能；

覆盖件：整机设备外观整流罩；

动力系统：用于提供空气动力，包括高压气泵、储气罐、稳压装置、干燥过滤装置等；

控制系统：用于控制和显示参数，包括纤维丝计量、气压调节、及相应传感器等组成。

2．工作原理

喷丝机的射流喷丝器是基于文丘里射流原理的基础上进行创新和应用，而射流喷丝器，它是射流器集吸入与工作介质混合功能于一体，在喷嘴处形成负压后，将空气介质从吸入口吸入，而同时刚好将此处附件轻质的纤维丝吸入射流器内，与进气口进行动能交换，使获得动能的纤维丝从喷射口射出，从而完成喷丝过程。

二、集成式喷丝机设计

1.第一代原理样机的研制

根据前期技术积累和现有的设计技术，对喷丝机进行研制；通过摸索制造，进行喷丝试验掌握喷丝原理，验证了理论研究的方向和设计结构正确性，并总结设备的优缺点，进而研制以射流原理为基础的射流式喷丝机。

2.第二代组装式喷丝机的研制

在第一代喷丝机喷丝研制和试验过程中，存在操作复杂、易堵塞、维护难度大、整机笨重等问题。为解决所存在的问题，从总体布局、核心功能及性能、材料和模块化方面展开设计和优化。通过改进，增强了环境适用性，极大的扩大了补强土植生技术的应用范围。

3.第三代集成式喷丝机的研制

为了满足现代施工需求，对第二代喷丝机存在整体性不强、作业环境受限、稳定性不高等问题继续优化。第三代喷丝机，即集成式喷丝机是在组装式喷丝机的基础上进行全面升级包括升级完善功能、美化设备外观和环境适用性改进等，采用带整流罩外观工业设计，如图 1，该设计注重射流式喷丝机产品外观的一体化及后续的智能化提升。

设计思路：以工业美学为设计出发点，设计灵感来自于高铁的车头，设计了整流罩式的外形包裹住了喷丝系统的内部结构。

设计特点：

（1）整体性：并联式的射流器采用了嵌入式设计，在射流器工作时，喷射罩向上打开露出喷口，不工作时向下合并，嵌入整流罩内，保持顶部流线型；

（2）全天候：在设备前段加装两个LED头灯，光线不足的情况下可以照明；

（3）适应性：轮子采用两个大轮加一个带锁万向轮增加了灵活性和对不同路面的适应性；

（4）稳定性：底板采用整体实心结构而非框架结构，降低了设备重心，增强了稳定性；纤维丝架采用了转盘结构，可以在纤维丝用尽时通过转动进行轮替；

（5）集成控制系统：增添了触摸显示屏，用于显示纤维丝用量、对射流器阀门、喷射罩、LED头灯等的控制。

总结：集成式喷丝机很好地保护了喷丝机的内部结构和纤维丝，隔离环境的污染和侵扰，对设备起到良好的防护作用，有助于设备稳定工作，有利于提高设备的使用寿命。

展望：未来我们还可能通过加装智能化系统，实现纤维丝的自动定量喷射与智能化控制（包括气压、海拔、湿度、坡度等参数融入系统，便于制定适合的喷丝系数）等。

图 1集成式喷丝机

（1触摸显示屏；2、把手；3、锁死脚踏；4、带刹车万向轮；5、定向轮胎；6、LED头灯；7、底围板；8、侧围板；9、喷射罩；10、后上罩）

三、纤维丝喷丝系统分析与优化

为了提高喷丝机的喷丝速度稳定和喷丝量可控性，实现精确控制，提高对环境的适应性，将对喷丝系统进行简要分析和优化，如图2。

图 2射流喷丝器结构示意图

（1、喷射口；2、扩散段；3、负压室；4、喷嘴；5、调节阀；6、弯头；7、射入口；8、吸入口；9、吸嘴；10、连接口；11、单支射流器；12、调压阀）

 1、射流喷丝器材料分析与优化

初代射流喷丝器使用的制作材料是45#圆钢，但南方天气潮湿，外加进入射流器的高压空气带有冷凝水，致使射流喷丝器内外表面生锈。外部生锈影响了设备的美观性，内壁生锈后内表面光滑度降低，致使管道阻力增大，部分毛刺甚至会挂住纤维丝，导致堵塞。在一定程度上影响了喷丝的效果。

根据以上问题，第二代的射流喷丝器采用不锈钢作为加工材料，很好地解决了因生锈而产生的一系列问题，同时研磨内壁，减少了阻力。提升了美观度，内部更加平滑，稳定喷丝；

2、射流喷丝器结构分析与优化

在喷丝时会遇到自然风等环境影响因素，如果丝在喷出之后动力不足，会导致纤维丝散乱，很难喷射到预定的地点，并且加大了与湿喷机基质的混合难度，影响喷丝效果，因此，如何在现有条件下增加纤维丝喷出时的动力与喷射距离成为研究重点对象。

据研究，在相同的进口压力下，相同的喉部流体速度就会有相同的喉部负压，喉部负压降到最低点后，吸入空气流量达到最大值。

由此可知，当流体流量一定时，通过截面的流体流速与截面面积成反比。经一系列试验发现，缩小纤维丝吸入口的截面积可以增加空气流速，从而使纤维丝更易被吸入，因此，在射流喷丝器的纤维丝入口、喷射出口处预留接口，进行管径系列化的优化研究，借鉴前人的技术资料和试验，可知，当缩小纤维丝吸入口的截面积可以增加空气流速，使纤维丝更易被吸入，增强了纤维丝入口的吸力，增加了纤维丝的喷射距离。因此可对纤维丝吸入口处变径来实现控制纤维喷丝的速度，从而达到准确计量纤维丝量的目的。

此外，在现场喷丝过程中还发现，喷丝机放置于地面，在喷较高边坡时，很难通过角度的调整来和湿喷机喷射的基质达到完全混合。这主要是由于坡面距离射流器较远，纤维丝质量很轻，一旦离开射流器动能损失很大，无法达到附着的理想状态。基于以上因素，在管口装上连接延长气管，可以在不改变射流器角度的情况下实现多角度的喷丝，减少了纤维丝附着于坡面前的动能损耗，极大提高对环境的适应性。

4 结论

通过设计集成式喷丝机，增加了射流式喷丝机的整体性和灵活性及环境适应性，同时进行喷丝试控制系统的分析，实现了精准控制喷丝量，增强了设备对不良环境的适应性和抗侵扰能力；且功能都已经过验证可用于边坡修复工程，推动了喷丝植生工艺技术体系的发展。

参考文献：

[1] 史文飞,彭冲,等.裸露山体缺口生态修复新技术及景观影响度评价[J].亚热带水土保持，2012，24（2）：34~37

[2] 梁令帅.射流式喷丝机结构优化和与分析[J].集成建筑，2018，21（下）：363~364

[3]张也影．流体力学[M]．北京：高等教育出版社，1992

[4] 许一飞，许炳华．喷灌机械原理、设计、应用[M]．北京：中国农业机械出版社，1989