射流式喷丝机结构优化与分析

射流式喷丝机结构优化与分析

梁令帅

深圳市铁汉生态环境股份有限公司广东深圳518040

摘要：近年来发展起来的纤维丝补强土植生技术日益受到关注和尝试推广，但因受限于设备结构复杂、纤维丝可控性以及施工环境等因数，导致操作复杂和成本较高，仍停留在中试或小规模示范阶段。本文将通过对射流式喷丝机原理、结构系统优化与设备性能分析，提高设备的操作性和适应性，以期推动该技术在国内的应用普及，从而为降低高陡边坡治理的难度。

关键词：射流式喷丝机；结构优化；性能分析；

1.射流式喷丝机总述

1.1射流式喷丝机基本结构

射流式喷丝机主要由射流器系统、支架系统、底架系统、纤维丝装置、控制系统等部分组成。

射流器系统是直接完成喷丝作业任务的装置。它是利用文丘里管与原有射流喷头相结合而设计的新型射流喷射器装置，由射流管、外罩、调节阀等组装而成。

支架系统是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。

底架系统是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

控制系统包括纤维丝计量、气压调节、植生材料控制、各类传感器等

1.2射流式喷丝机工作原理

连续喷丝机基于射流原理：具有一定压力的工作流体经过喷嘴变径后，速度急剧增大，从喷嘴高速喷出，使压力能转化为动能，喷嘴周围气室形成负压把大量空气从吸入口抽入，两股流体在喉管中混合并进行动量交换，后经过扩压段使速度能还原为压力能，从喷射口射出。

如图1为射流喷丝器，它是射流器集吸入与混合功能于一体，负压形成后将空气介质吸入的同时，刚好可以将轻质的连续纤维丝吸入射流器内，与进气口的空气进行动能交换后从喷射口射出，从而完成整个喷丝过程。

图1射流喷丝器

2.喷丝机研制与优化

2.1第一代原型喷丝机的研制

为了深入学习了解连续纤维丝喷丝技术，内化喷丝机设计知识，找准技术关键点，根据前期技术积累和现有的设计技术，对喷丝机进行研制,图2为连续喷丝机。

经多次试喷等试验验证，总结出该设备具有如下优点：

（1）喷丝量大：一次同时喷射6条纤维丝；

（2）射程远：罐体为密封结构，仅喷口开启，相当于一个稳压装置，可维持较高压力，为纤维丝喷射提供足够的动力。

同时，在喷丝试验过程中，也发现存在如下问题：

（1）装丝操作复杂：装卸纤维丝必须打开罐体与头部的法兰，然后从顶部将纤维丝安装于定位柱，整个过程费时费力；

（2）维护难度大：由于纤维丝在罐体内通过多处导向装置，其中还有传动轮存在，这就导致纤维丝摩擦阻力较大，一旦稍有不平滑的地方就会发生挂丝，使维护难度大；

（3）易堵塞：喷丝机距喷丝处距离远，在喷丝口处外接软管，长度稍长就会堵塞。

（4）无法控制喷丝量：当关闭空压机时，因罐内有残余压力，纤维丝还会持续喷射，导致无法立即停止，而整套设备缺少一种有效途径来对喷丝量进行精准控制和计量。

2.2喷丝机结构改进

为解决第一代喷丝机所存在的问题，从以下方面展开设计和优化：

2.2.1总体布局方面

整机在布局上进行各部件重组优化，主要由射流器系统、支架系统、底架系统、纤维丝装置、控制系统等五部分组成，便于后续迭代版本的模块化设计和安装。

图2原型连续喷丝机

（01、脚轮；02、槽钢；03、空气入口；04、喷丝机壳体；05、纤维丝轴定位柱；06、导丝环固定点；07、下法兰；08、上法兰；09、导丝板；10、可调速电机；11、电机安装板；12、连接套筒；13、主轴；14、传动轮；15、机头；16、轴承；17-20、固定螺栓；21、空气出口）

2.2.2核心功能及性能方面

（1）射流器：用封闭式三联射流器替换裸露的射流器，在增强了设备整体美观性的同时，封闭式结构还可以增强并联式结构的稳定性和对射流器本体的保护性；

（2）引入纤维丝计量器：原型机主要使用减重法配合电子天平来完成喷丝过程中纤维丝的计量，加装纤维丝计量器可以准确记录纤维丝的喷射量，从而实现对工艺标准的精准控制；

（3）液压升降杆替换固定支架：固定支架不能调节高度，局限性较大，升级后可以通过板车手柄下方的踏板控制液压杆的升降，进而控制射流器的高度；

（4）轴承式导向支架替换纤维丝导向环，添加纤维丝张紧装置：原型机纤维丝导向环用光滑金属环制成，位于纤维丝轴保护罩盖子上，虽然具有纤维丝导向作用，但对纤维丝具有较强的阻力，升级后可减小纤维丝阻力，同时给予纤维丝一定的张力，使纤维丝稳定在导向轮中，利于纤维丝计量器工作；

2.2.3材料方面

采用整体式透明纤维丝保护罩：解决原型喷丝机可视性差、无法及时判断纤维丝余量及操作空间狭小等问题；

2.2.4轻量化方面

带刹车式框架底架：采用空心方钢进行拼接，不仅增强了底架刚度和强度，同时减轻整机重量，提升了对环境的适应能力。

通过以上改进，如图3所示，不仅优化射流式喷丝机整体性能，而且采用便携式设计理念，可以根据工况随时拆装系统以适应不同工况，而且增强了环境适用性，喷丝量也更加精准控制，极大的扩大了补强土植生技术的应用范围。

2.3喷丝机性能分析

通过在结构方面的改进及结合实验证明，其优势主要在表1中几个方面，不仅保留了射流式喷丝机整体轻便性，可以根据工况随时拆装系统以适应不同工况，而且增强了环境适用性，喷丝量也更加精准，极大的扩大了补强土植生技术的应用范围。

图3组装式喷丝机结构图

（1、显示支架；2、手柄；3、支撑管；4、气缸踏板；5、锁死脚踏；6、带刹车万向轮；7、轮胎；8、底座；9、安装座；

10、气缸筒；11、支架B；12、支架A；13、液压杆）

表1喷丝机功能及优势

4结论

通过研制第一台射流式喷丝机为切入点，通过摸索改进和优化核心功能部件，不仅结构简单，造价低，而且其可行性强。同时进行喷丝试验掌握喷丝原理，改进具备精准控制喷丝量、快速安装、运输便携性和整体一体化的特性，增强了设备适应性，且各项基础功能都已经过验证可用于边坡修复工程，有力的补充喷丝植生工艺技术体系

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]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