CN108118571A - 适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，属于多年冻土路基维护领域，包括通风管、吸气扇、空心柱、追风装置和风能转换装置；空心柱固定于路基旁，通风管埋设于路基中，其出气口与空心柱的进气端连通；风能转换装置和追风装置设于空心柱顶部。本发明解决传统通风管路基通风效率低、容易受堵塞失效、安装模式单一、适应面窄，无法运用于多年冻土场地宽幅路基的问题。

Description

适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置

技术领域

本发明属于多年冻土路基维护领域，特别涉及多年冻土场地宽幅路基的维护。

背景技术

尽管世界上在多年冻土区修筑铁路已有近百年历史，但目前运营线路的病害率仍在30%左右。如：俄罗斯，20世纪70年代建成的第二条西伯利亚铁路1994年调查的线路病害率达27.5%，运营近百年的第一条西伯利亚铁路1996年调查的线路病害率为40.5%；我国东北多年冻土区铁路病害率达40%。因事物本身的复杂性，不少长期困扰多年冻土区路基工程的棘手技术问题迄今尚未解决，其中路基的沉降变形是公路、铁路工程的主要病害。如大兴安岭北某段公路年沉陷量达51cm～61cm，某段铁路一般年沉降量为27cm～40cm、降水量较大年份可达50cm～100cm，哈尔滨牙林线K74处年沉降量86cm、日最大沉陷量高达3cm；青藏公路80%病害由路基沉陷引起。

青藏铁路是世界上海拔最高与线路最长的高原铁路，由青海西宁至西藏拉萨，全长1956km。长期工程实践表明，青藏铁路成败的关键在路基，路基的关键在冻土，冻土的关键在高温（年平均地温高于-1.0℃）高含冰量（体积含冰量大于20%）冻土。青藏铁路格尔木－拉萨段全长1142km，海拔4000m以上路段965km，穿越高原多年冻土区长达632km。在632km高原多年冻土区沿线中，高温多年冻土区路段275km，高含冰量多年冻土区路段221km，高温高含冰量重叠路段134km。与高纬度地区多年冻土相比，青藏高原多年冻土具有温度高、含冰量高、厚度薄、稳定性差和局地差异强烈、力学稳定性极差等特点，加之工程扰动造成冻土环境的重大改变和全球气候变暖的影响，导致青藏铁路通车不到两个月多年冻土区部分路段便出现路基下沉与开裂现象；通车一年高温高含冰量冻土路段多处工后累计沉降量加大且无收敛趋势；青藏铁路通车十年不断补碴、抬道使道床厚度甚至达到1.7m以上，部分处理措施效果有限，高温高含冰量冻土造成路基稳定性、行车安全问题日渐凸显。

青藏高速公路全长约1100公里，是国家“71118”高速公路网京藏高速公路尚未建设的最后一段，也是西藏自治区唯一一条纳入国家高速公路网的公路项目。该高速公路项目由于多年冻土地区高速公路修筑技术的支撑保障体系不够至今没有开工建设。青藏高速的主要核心问题是多年冻土，还需要控制作为整体结构的公路路面的变形。与青藏铁路相比，多年冻土区青藏高速公路建设将面临更为复杂的科学与技术问题，一则是因为沥青路面强吸热效应，且是封闭路面条件；二是全幅或宽幅沥青路面下部年均热流将增加57%，其下部多年冻土退化将加快62%，若考虑气候变化的影响，高速公路下部冻土退化还将被放大。三是青藏工程走廊内重大工程构筑物较为密集，构筑物群之间具有较强的相互热影响，特别是对高山峡谷区段。因此，多年冻土区青藏高速公路建设将会面临前所未有的挑战。

故此，对多年冻土路基沉降控制措施的研究势在必行。其中通风管路基是一种积极保护冻土的工程措施，运用于青藏铁路多年冻土区的路基建设，效果良好，但当前通风管路基还存在不合理，不科学等问题，主要体现在：

1）夏季通风管相当于热空气的流通通道，对保护冻土非常不利；

2）通风管在设置高度一般要高出地面一定距离，高度过低会使水流进入通风管，影响降温性能，并导致一定的沉降变形；

3）通风管容易受自然风砂影响，堵塞管口导致功能失效；

4）现有通风管属于被动通风，受制于自然风向、风速和设置高度等因素，且通风管越长效果越差，对尺度较铁路大5倍左右的高速公路路基冷却效果非常有限。

鉴于上述，本专利以青藏高速公路多年冻土路基沉降控制为应用背景，发明一种适用于多年冻土宽幅路基的主动通风降温装置，致力于为多年冻土路基建设提供一种新思路。本成果可为青藏铁路双线扩能改造和即将动工建设的青藏高速公路、北京-俄罗斯高铁提供重要参考并用于与工程实践。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，解决传统通风管路基通风效率低、容易受堵塞失效、安装模式单一、适应面窄，无法运用于多年冻土场地宽幅路基的问题，特别是高速公路，有效控制高温冻土高速公路路基沉降。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，包括通风管、吸气扇、空心柱、追风装置和风能转换装置；空心柱固定于路基旁，具有进气端和出气端，通风管埋设于路基中，其出气口与空心柱的进气端连通；风能转换装置和追风装置设于空心柱顶部，风能转换装置包括外壳，设于外壳外的扇叶，设于外壳内的传动机构，以及连接扇叶和传动机构的传动轴，外壳通过偏航轴承与空心柱转动连接，且外壳能够相对空心柱在水平面相对转动；追风装置包括尾翼和连接杆，尾翼通过连接杆连接外壳并带动其上扇叶随风向相对空心柱水平转动并始终保持扇叶正对风向，吸气扇设于空心柱内，扇叶转动时通过传动轴和传动机构带动吸气扇转动，吸气扇转动时将空心柱内空气向外排出。

本发明中，由于追风装置具有尾翼，在空气流体作用下，其始终保持沿空气流动方向，因此追风装置自动跟随风向，始终保持风能转换装置的扇叶面朝来风方向，最大限度地利用风能。自然风带动扇叶转动，扇叶的转动通过传动轴和传动机构带动吸气扇转动，使空心柱内外产生较大的压强差，从而排出空心柱内气体。因此，吸气扇始终进行排风动作，源源不断地将空气从通风管里抽出，因而外部空气也不断地从通风管的进气口进入，再从出气口进入空心柱的进气端最后从出气端排出，形成对通风管的持续不断的主动通风。

本发明采用主动通风，不会受制于自然风向、风速和设置高度等因素，且即使通风管很长也具有良好效果，对尺度较铁路大5倍左右的高速公路路基也有良好的冷却效果。

作为选择，传动机构包括由传动轴同轴带动转动的第一齿轮，以及与第一齿轮啮合的第二齿轮，第二齿轮与吸气扇的转轴同轴带动吸气扇转动。作为进一步选择，第一齿轮竖直设置，第二齿轮与吸气扇水平设置。作为另一进一步选择，第一齿轮相对第二齿轮的传动比大于1。该方案中，第一齿轮相对第二齿轮可采用较大的传动比，实现排气扇高速转动，将空心柱内空气有效排出。

作为选择，空心柱的出气端为吸气扇，吸气扇固定于空心柱上节的外壳上作为外壳的一部分。

作为选择，空心柱上开设有排气孔作为出气端，吸气扇位于排气孔下方位置，吸气扇将其下方空气吸入并由排气孔排出。

作为选择，空心柱进气端还设有封堵进气端的挡片。该方案中，在暖季时，可选择通过挡片封堵进气端，避免夏季通风管内热空气的流通，同时将寒季储存的冷量，储存在通风管内。

作为进一步选择，还包括地温与气温监测***，地温与气温监测***包括设于通风管内的用于检测地基温度的地温检测装置，以及位于路基外部的用于检测空气温度的气温检测装置，挡片由地温与气温监测***控制动作，在气温高于地温指定温度时控制挡片封堵进气端，在气温低于地温指定温度时控制挡片开启进气端。该方案中，可以通过地温与气温监测***实现挡片的自动控制。其优点在于，一方面能够保证本主动通风降温装置在高温停止工作，在低温持续排气；另一方面有效的规避因关闭进气端而造成排气装置长时间处于负压工作，容易造成装置损坏的问题。

作为选择，通风管在路基中弯曲分布。

作为进一步选择，通风管单层或多层分布，竖直或水平分布，布置在路基本体内或者植入路基下季节冻融层。

作为选择，通风管的进气口为向下弯管。本方案中，通风管进气口为向下弯管，使得通风管不会受自然风砂影响而堵塞管口导致功能失效。

作为选择，还包括支座，空心柱固定在支座上由支座支撑。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

1)本发明结构简单、合理、成本较低，施工简单等优点；

2)本发明不受自然风的局限，能够对多年冻土路基进行主动通风降温，特别适用于多年冻土场地宽幅路基；

3)本发明由于能够实现主动通风，对多年冻土路基的降温效果更佳，路基能在寒季储存更多的冷量，冻的程度更深，能延缓在暖季冻土路基的融沉；

4)本发明由于能够实现主动通风，所以通风管安装的安装方式及安装高度不受局限；

5)本发明由于通风管的安装方式不受局限，通风管弯曲任意分布，在暖季通风管停止作用，挡片封闭管口，管内空气形成了空气间层，减缓热交换，起到隔热作用；

6)本发明由于通风管的安装方式不受局限，通风管可根据路基与地面的相对高度等路基场地实际情况来调整安装高度；通风管进气端为向下弯管，可防止雨水，蛇虫，砂石等进入堵塞管道，减少人工清理成本；

7)本发明中的排风装置，原理成熟，模型简单，利用较大传动比提高风扇转速，产生较大的压强差，较现有通风管路基具有更高的通风效率，通风更稳定，风程更远，为主动通风，不受通风路径空间的限制；

8)本发明由于利用青藏高原丰富的风能，能带动风扇快速转动，产生大量的机械能；

9)本发明采用追风装置，使风扇转动平面始终垂直于风向，能够最大限度利用风能；

10)本发明的风能装置中利用扇叶转动，带动齿轮之间的传动，从而带动排气扇高速转动，实现排气，且追风装置始终具有追风作用，使风扇始终正对风向，保证了较高的风能；

11）本发明安装地温与气温监测***，能在高温状态下通过挡片闭合通风管，低温状态下接通通风管。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构示意图；

图2是本发明实施例的空心柱和机壳的装配示意图；

图3是本发明实施例的风能转换装置和追风装置的装配示意图；

图4是本发明实施例的机壳和偏航轴承的装配示意图；

图5是本发明实施例的风能转换装置的内部结构示意图；

图6是本发明实施例的通风管水平铺设的俯视示意图；

图7是本发明实施例的通风管竖直多排铺设的示意图；

图8是本发明实施例的通风管水平多层铺设的示意图；

其中1为通风管、2为吸气扇、3为空心柱、4为追风装置、5为风能转换装置、6为支座、7为外壳、8为排气孔、9为偏航轴承、10为路基、11为出气口、12为挡片、13为地温检测装置、14为气温检测装置、15为尾翼、16为连接杆、17为扇叶、18为传动轴、20为轴承、21为第一齿轮、22为第二齿轮、23为转轴、27为进气口。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

参考图1、2所示，一种适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，包括通风管1、吸气扇2、空心柱3、追风装置4和风能转换装置5，还包括支座6，空心柱3固定于路基旁，由支座6支撑固定，具有进气端和出气端，通风管1埋设于路基10中，其出气口11与空心柱3的进气端连通。

参考图3-5所示，风能转换装置5和追风装置4设于空心柱3顶部，风能转换装置5包括外壳7，设于外壳7外的扇叶17，设于外壳7内的传动机构，以及连接扇叶17和传动机构的传动轴18，外壳7通过偏航轴承9与空心柱3转动连接，且外壳7能够相对空心柱3在水平面相对转动；偏航轴承9包括内、外环，以及内、外环之间的滚珠，外环和下面的空心柱3是整体，而内环则与上部壳体7通过螺栓固定；追风装置4包括尾翼15和连接杆16，尾翼15通过连接杆16连接外壳7带动其上扇叶17随风向相对空心柱3水平转动并始终保持扇叶17正对风向，吸气扇2设于空心柱内，扇叶17转动时通过传动轴18和传动机构带动吸气扇2转动，吸气扇2转动时将空心柱3内空气向外排出，优选空心柱3上开设有排气孔8作为出气端，吸气扇2位于排气孔8下方位置，吸气扇2将其下方空气吸入并由排气孔8排出。

参考图2、3所示，传动机构包括由传动轴18同轴带动转动的第一齿轮21，以及与第一齿轮21啮合的第二齿轮22，第二齿轮22与吸气扇2的转轴23同轴带动吸气扇2转动，第一齿轮21竖直设置，第二齿轮22与吸气扇2水平设置，优选第一齿轮21相对第二齿轮22的传动比大于1。

参考图6-8所示，通风管1的进气口27为向下弯管，通风管1在路基10中弯曲分布，通风管1可以单层也可以多层分布，可以竖直也可以水平分布，可以布置在路基本体内也可以植入路基下季节冻融层。在通风管1出气口11连接的空心柱3进气端还可以进一步设有封堵进气端的挡片12。还可以进一步设有地温与气温监测***，地温与气温监测***包括设于通风管1内的用于检测地基温度的地温检测装置13，以及位于路基10外部挡片12处的用于检测空气温度的气温检测装置14，挡片12由地温与气温监测***控制动作，在气温高于地温指定温度时控制挡片12封堵进气端，在气温低于地温指定温度时控制挡片12开启进气端。此外，当开启进气端时，挡片12处还可以设置滤网保护，避免雨水，砂石等进入。

本发明的工作过程为：

由于追风装置4具有尾翼15，在空气流体作用下，其始终保持沿空气流动方向，因此追风装置4自动跟随风向，始终保持风能转换装置5的扇叶17面朝来风方向，最大限度地利用风能。自然风带动扇叶17转动，扇叶17的转动通过传动轴18和传动机构带动吸气扇2转动，使空心柱3内外产生较大的压强差，从而排出空心柱3内气体。因此，吸气扇2始终进行排风动作，源源不断地将空气从通风管1里抽出，因而外部空气也不断地从通风管1的进气口27进入，再从出气口11进入空心柱3的进气端最后从排气孔8排出，形成对通风管1的持续不断的主动通风。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：包括通风管、吸气扇、空心柱、追风装置和风能转换装置；空心柱固定于路基旁，具有进气端和出气端，通风管埋设于路基中，其出气口与空心柱的进气端连通；风能转换装置和追风装置设于空心柱顶部，风能转换装置包括外壳，设于外壳外的扇叶，设于外壳内的传动机构，以及连接扇叶和传动机构的传动轴，外壳通过偏航轴承与空心柱转动连接，且外壳能够相对空心柱在水平面相对转动；追风装置包括尾翼和连接杆，尾翼通过连接杆连接外壳并带动其上扇叶随风向相对空心柱水平转动并始终保持扇叶正对风向，吸气扇设于空心柱内，扇叶转动时通过传动轴和传动机构带动吸气扇转动，吸气扇转动时将空心柱内空气向外排出。

2.如权利要求1所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：传动机构包括由传动轴同轴带动转动的第一齿轮，以及与第一齿轮啮合的第二齿轮，第二齿轮与吸气扇的转轴同轴带动吸气扇转动。

3.如权利要求2所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：第一齿轮竖直设置，第二齿轮与吸气扇水平设置。

4.如权利要求2所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：第一齿轮相对第二齿轮的传动比大于1。

5.如权利要求1所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：空心柱上开设有排气孔作为出气端，吸气扇位于排气孔下方位置，吸气扇将其下方空气吸入并由排气孔排出。

6.如权利要求1所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：空心柱进气端还设有封堵进气端的挡片。

7.如权利要求6所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：还包括地温与气温监测***，地温与气温监测***包括设于通风管内的用于检测地基温度的地温检测装置，以及位于路基外部的用于检测空气温度的气温检测装置，挡片由地温与气温监测***控制动作，在气温高于地温指定温度时控制挡片封堵进气端，在气温低于地温指定温度时控制挡片开启进气端。

8.如权利要求1所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：通风管在路基中平直分布或弯曲分布，通风管单层或多层分布，竖直或水平分布，布置在路基本体内或者植入路基下季节冻融层。

9.如权利要求1所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：通风管的进气口为向下弯管。

10.如权利要求1所述的适用于多年冻土路基的直接抽吸式主动通风降温装置，其特征在于：还包括支座，空心柱固定在支座上由支座支撑。