吸扫式扫地车是我国目前在用的城市道路扫地车的主力车型之一，而吸嘴被泥土堵塞一直是困扰此类扫地车的一道难题。通过对湿扫型道路扫地车的吸嘴易被泥土堵塞的机理分析，提出降低吸嘴流道近壁的尘土的含水率，控制泥块的黏性处于临界黏性以下，使泥块不黏附于流道壁面；而将吸嘴流道中心部位的尘土的含水率适当加大，以满足有效压尘的解决思路，并根据这种思路改进设计了一种吸嘴喷水装置，按不同吸嘴的具体结构确定孔数、孔径、孔沿圆周的分布规律和喷水的初始方向等要素。通过对比试验表明，改进的喷水装置通过改变水在吸嘴流道内的空间分布和速度特性，能达到在不增加供水量、不影响吸嘴作业性能的前提下，大幅提高吸嘴抗泥土堵塞的能力。
关键词：扫路车；吸嘴；流道堵塞
路面扫地车按其工作方式分为纯吸式、吸扫式和纯扫式3种。其中吸扫式扫地车具有清扫效率高、清洁路面彻底、环境污染小等优点，是一种适合我国国情的城市道路扫地车，也是目前城市道路扫地车的主要发展方向[1]。
为了防止扬尘造成二次污染，有一部分吸扫式扫路车采用喷水降尘，即在各扫刷前面、吸嘴内部设有喷嘴。这种扫路车由于没有气流过滤设施，所以具有结构相对简单、工作可靠、寿命长、噪声相对较小等优点[2]，是我国目前在用的城市道路扫地车的主力车型之一。
但是，如果路面的尘土较多，对于喷水式(湿式)吸扫车来说，经过湿润的尘土变成具有黏性的泥块，在气流的作用下泥块运动速度非常高，一旦与吸嘴内壁碰撞，就会紧紧地黏附于吸嘴内壁上，致使扫路车清扫效果下降；由于泥块越积越多，最终将造成吸风管流道完全堵塞，扫路车不能正常工作的后果。而且这种泥块在管道内壁黏得很密实，一旦黏附上就很难清理，给扫路车操作、维护人员带来很大的不便。
由此可见，吸嘴被泥土堵塞一直是困扰湿式道路扫地车的一道难题，有必要对其堵塞机理进行研究，并寻求解决方案。
1吸嘴被泥土堵塞的机理
尘土经过喷水湿润，变成具有黏性的微小泥块，被吸入吸嘴流道后，高速运动的泥块难免会碰上流道内壁，并黏附在壁面上，如图1(a)。流道内壁面上不可避免的存在着一些凸起或凹坑，成为泥块最易积附之处。
一旦有泥块黏附在流道壁面上，后面进入吸嘴的泥块就会继续在此积聚，造成流道壁面上的泥块体积长大，如图1(b)。
黏附在流道壁面上的泥块除了受到重力作用之外，还受到气流的扰动力(取决于气流速度、流场状态)、壁面对泥块的黏着力(取决于泥块的含水率)以及来自壁面振动引起的扰动力。除了壁面对泥块的黏着力是促使泥块黏附在壁面上的因素之外，其它力都是促使泥块脱离壁面的因素。并且，随着泥块体积的增加，重力和气动干扰力也不断增大。因此，泥块在流道中积聚到一定体积之后，就不会进一步增大了，处于暂时的平衡状态，如图1(c)。但是，这种平衡状态是非稳定的，一旦受到干扰，例如车身振动、突然有大泥块碰撞等，就会有泥块脱离母体，如图1(d)。如果脱落的泥块体积大到一定程度，就会将吸嘴流道堵住，致使扫路车不能工作。
目前，扫地车所用的风机都是引风型的离心风机，升压能力不是太大，一旦流道堵住，风机在所堵部位形成的气压差根本不可能冲破堵住的泥团，于是整个流道就完全堵塞了，如图1(e)。
通过上述吸嘴流道被堵塞的过程和机理的分析可知，要防止流道被堵塞，有两种解决方法：(1)减小泥块的黏性，即减小泥块黏附于壁面的可能性；(2)增加各种扰动，即增加促使泥块脱离流道壁面的因素。由于第2种方法对泥块的扰动增加，势必增加扫路车的振动、噪声等负面特性，降低设备的操作舒适性和可靠性，所以本文不作进一步探讨。下面仅对第1种方法做进一步分析。
图1吸嘴流道被泥土堵塞的过程
由松散介质力学、流体力学可知，当泥土中不含水分时，即干灰尘，是没有黏性的，不会黏附在流道壁面上；当泥土的含水率很高，即水中的泥土成分非常小，其黏性uw接近纯水的黏性，也不会黏附在流道上。
这说明，泥块存在一个临界黏性uc，若泥块的实际黏性大于uc，泥块就会黏附在流道壁面上，否则，即使泥块碰上壁面，也不会黏附在壁面上。同时，泥土存在某个特定的含水率t，在这个含水率上，泥块有最大黏性umax。在这个特定的含水率之前，泥块的黏性随含水率的增加而增加，一旦超过这个含水率，其黏性将随含水率的增加而减小。据此，可以得出泥土的黏性与其含水率关系的大致趋势，如图2所示。
图2泥块黏性与含水率之间的关系的大致趋势
2解决泥土堵塞喷嘴问题的原理及方案
上述分析表明，为使泥块不黏附于吸嘴流道壁面上，应将流道壁面附近泥土的含水率控制在图2所示的A区或B区。此时泥块的黏性小于临界黏性uc。显然，如果流经壁面附近的泥块含水率处于B区，将存在以下弊端：
(1)需水量大，造成水资源浪费；
(2)扫路车水箱容积较大，不利于整车设计；
(3)如果遇上地面的尘土很厚，泥块的实际含水率会降低，可能离开B区，致使泥块的实际黏性大于临界黏性uc，造成流道堵塞，也就是说，这个区域的含水率是不稳定的。
因此，应该将流过流道近壁区域的泥块的含水率控制在A区。但是，实际上如果整个流道的泥土的含水率全部控制在A区，也是不行的，这样会造成扫路车扬尘大，导致对环境的二次污染，因此在吸嘴流道中心部位的泥块湿度应该以尽量满足降尘要求为准。
所以，要想有效减少促成泥块粘上壁面的因素，必须合理控制水在吸嘴内部的空间分布和速度分布：将流经流道近壁的尘土的含水率减小，使泥块的黏性处于临界黏性uc以下，从而使泥块不黏附于流道壁面，使吸嘴流道中心部位的尘土的含水率适当大一些，以满足有效压尘的目的。
目前，安装在湿扫车吸嘴流道内部的喷嘴一般都是夹缝式喷嘴(也称扇形喷嘴)，这种喷嘴的工作特征是：水离开喷嘴夹缝时呈膜状，在表面张力和气动力的作用下，水膜裂成水滴群，水滴群分布在扇形平面内。为了避免喷嘴被吸嘴吸入的沙石等硬物损坏，一般使喷嘴的出口较流道内壁面低一些，并且为了增加水雾与来流的接触面积，都使扇形水雾平面与来流方向垂直。
这样势必造成这种现象：水雾离开喷嘴后很容易受来流的影响，在气流中的穿透能力很弱；尤其是在来流速度很高的情况下，水雾离开喷嘴后很快就被带向下游，造成喷嘴下游的近壁区域内尘土含水率很高，处于图2中的B区，而流道中心部位的尘土比较干燥。在更远的下游，由于湍流脉动作用，流道中心部位的较干燥尘土进入壁面附近，使得近壁区的泥土含水率下降、黏性增加，一旦粘度超过临界黏度uc，泥块就会黏附在流道壁面上。特别是路面尘土较多时，很快就会堵塞吸嘴流道。
对此，我们设计了一款应用于吸嘴的改进的喷水装置，如图3所示。在环管上开数个孔(孔并不一定沿圆周均匀分布)，孔与气流方向有特定的夹角。孔数、孔径、孔沿圆周的分布规律和喷水的初始方向需视吸嘴的具体结构而定。
图3改进的吸嘴喷水装置
3试验验证结果
为了验证这种改进的喷水装置对吸嘴的抗堵塞效果，我们进行了对比试验。将相同的两个吸嘴，一个使用传统的扇形喷嘴，另一个使用改进的喷水装置，分别安装在同一辆扫路车上，在两者喷水量相同的条件下，在相同的路段、相同的工况下进行试验。
经过多次对比试验发现：装有改进喷水装置的吸嘴一次也没有出现泥土堵塞流道的故障；而装有传统扇形喷嘴的吸嘴曾出现过数次堵塞故障。试验结果表明，改进的喷水装置确有改善吸嘴抗泥土堵塞的能力，之所以如此，结合试验现象，我们分析其原因在于：水从改进喷水装置上的孔里喷出时呈柱状，这种柱状水雾具有很强的气流穿透能力，周向分布的数道水柱迎向气流，到达流道中心部位后，在气流的气动力以及表面张力作用下，连续的水柱碎裂成离散的细小水滴，使流道中心部位的尘土变成较湿的泥块，而流道四周近壁部分仍然是干燥的尘土。在流道较远的下游，由于湍流脉动作用，中间部位的湿泥块会碰向流道内壁，但是由于泥块要穿过壁面附近的干尘土区，干尘土会裹在泥块周围，降低泥块的黏性，使泥块不能黏附上流道内壁，达到克服流道堵塞故障的目的。
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