一種純電動清洗車水路系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

張 冰，秦付華，彭柳柳

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及改革的逐步深化，我國正處在工業(yè)化和城市化雙加速的發(fā)展階段，城市化水平正朝著從高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展的深刻轉(zhuǎn)型。從人口的增長率、城市的發(fā)展速度以及民眾的物質(zhì)消費水平的大幅度提高等各方面因素來看，城鎮(zhèn)人口數(shù)量逐年倍增且聚集度高，根據(jù)相關(guān)機構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2019 年，我國城鎮(zhèn)化率已達到60.6%。各方人源涌入城鎮(zhèn)，人數(shù)劇增的同時，人員的構(gòu)成也越來越復(fù)雜，面對人口膨脹的壓力及人們的生活習(xí)慣的多樣性已對城鎮(zhèn)環(huán)境產(chǎn)生了重大的影響，而伴隨而來的就是生活垃圾產(chǎn)生量的迅速增長，如今環(huán)境隱患問題日益突出，城鎮(zhèn)的生活環(huán)境壓力越來越大[1]。

純電動車環(huán)衛(wèi)車作為新能源汽車之一，與傳統(tǒng)汽油底盤的環(huán)衛(wèi)車相比較，具有零排放的獨特優(yōu)勢，越來越受到政府各級環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)人員的喜愛。隨著國家對新能源汽車的推廣和城市環(huán)境的升級，環(huán)衛(wèi)車將向新能源化、智能化發(fā)展。燃油底盤的環(huán)衛(wèi)車將逐步被新能源環(huán)衛(wèi)車取代，環(huán)衛(wèi)車上裝總成所需動力的輸入，也將從傳統(tǒng)的變速箱取力器取力轉(zhuǎn)變?yōu)榈妆P電池組提供動力。純電動二類貨車底盤的電池組輸出電壓一般是高壓直流，而環(huán)衛(wèi)車上裝總成常用的動力電機驅(qū)動電壓是高壓交流。因此，電池組的輸出電壓不能直接用來驅(qū)動上裝總成的動力電機，需要開發(fā)設(shè)計專用的電機控制器，將電池組輸出的高壓直流電壓轉(zhuǎn)化為高壓交流電壓。對底盤電池組經(jīng)電機控制器電壓轉(zhuǎn)化，進而驅(qū)動電機油泵總成的控制方式的研究以及對水路系統(tǒng)電機水泵總成、電機控制器、水過濾器、管道、水箱、灑水機構(gòu)等主要零部件的匹配設(shè)計研究，是純電動清洗車開發(fā)的重要內(nèi)容。此外，由于車輛廂體空間的局限，純電動清洗車開發(fā)還需要充分做到合理的總體布置，既要考慮方便使用及可維護性，又要考慮環(huán)衛(wèi)工人的實際使用場景，車廂需預(yù)留一定的空間以便放置作業(yè)工具和隨車工具等物品。

在純電動底盤的基礎(chǔ)上開發(fā)的環(huán)衛(wèi)車，機、電、液的聯(lián)合匹配度更高，電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)多層邏輯架構(gòu)，支持CAN 協(xié)議、參數(shù)采集、遠程遙控、無線連接等功能擴展；在電動化、實時監(jiān)控、高效率、快速響應(yīng)、安全環(huán)保等方面，與燃油底盤的環(huán)衛(wèi)車相比較，具有明顯的優(yōu)勢。純電動汽車采用電機驅(qū)動，由于缺少發(fā)動機噪聲及其掩蔽效應(yīng)，而使得車內(nèi)聲壓級水平總體較低[2]。此外，純電動汽車還具有零排放、高效率、加速快、電控化、智能化等特點。隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，清洗車作為城市清潔必不可少的重要專用車，市場需求量較大。來自作者所在公司的新產(chǎn)品基于新能源貨車底盤的純電動清洗車開發(fā)項目，該項目結(jié)合五菱電動貨車底盤的相關(guān)性能及產(chǎn)品特性開展清洗車的研究工作，主要內(nèi)容包括：整車布置、電機水泵選型設(shè)計、水路管路系統(tǒng)設(shè)計等，既保證了產(chǎn)品的關(guān)鍵性能，又縮短了產(chǎn)品的制造周期，使產(chǎn)品整體性能在國內(nèi)具有較高的水平。

1 純電動清洗車水路系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整車總體布置及清洗附件介紹

如圖1 所示，純電動清洗車主要組成部分由汽車底盤、廂體、水路系統(tǒng)等組成；水路系統(tǒng)主要零部件包括電機水泵總成、電機控制器、水管卷管器、高壓水槍、水過濾器、前部灑水機構(gòu)、水箱等。電機水泵總成與水箱之間留有一定的空間，用于存放清潔工具及隨車工具。水路系統(tǒng)設(shè)計有帶快插接頭的備用水路，可外接手推式移動清洗器、旋轉(zhuǎn)盤清洗器、旋轉(zhuǎn)清洗刷、清洗桿、水射流旋轉(zhuǎn)風(fēng)送式霧炮機、沖洗桿、污泥清吸器、手推式移動洗地盤等清洗附件，實現(xiàn)一車多用，適應(yīng)多種作業(yè)需求。

圖1 純電動清洗車總體布置

手推式移動清洗器一般由噴槍、扶桿、萬向輪、噴桿、噴頭等組成，能快速清洗如人行道、行車道、街道及其他需要快速清洗的表面；旋轉(zhuǎn)盤清洗器是通過高壓水射流的作用使遠射水流進行高速360°旋轉(zhuǎn)清洗。旋轉(zhuǎn)清洗刷能在更快捷清洗的同時有效地保護清洗對象的表面，適用于清洗小汽車、卡車、瓷磚等表面。水射流旋轉(zhuǎn)風(fēng)送式霧炮機由風(fēng)筒、風(fēng)葉、轉(zhuǎn)軸、噴桿總成、調(diào)節(jié)底座等組成，通過高壓水噴射產(chǎn)生的推力，使風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)，從而將噴頭噴射的水霧風(fēng)送到較遠的距離，采用高壓水作為風(fēng)葉轉(zhuǎn)動的動力源，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，無需額外電機驅(qū)動風(fēng)葉從而達到節(jié)能的目的。污泥清吸器主體采用PP 加強材料，具有很好的耐用性，大口徑吸口配合高流水速能產(chǎn)生更大的吸力，可快速清吸污泥、泥漿、污水等。手推式移動洗地盤由高壓噴頭噴射高壓水同時推動噴桿高速旋轉(zhuǎn)，通過每分鐘上千次的對地旋轉(zhuǎn)清洗形成清洗環(huán)，從而推動洗地盤形成清洗路徑；洗地盤配套耐用的可更換鋁片壓制式硬毛刷，方便使用及操控；使用洗地盤能極大降低操作者的勞動強度，同時增加高壓清洗操作的安全性，適用于快速清洗平臺、露臺、天井、走道、車道、停車場等大面積作業(yè)。

1.2 水路系統(tǒng)的設(shè)計

1.2.1 電機水泵總成的選型設(shè)計

電機水泵總成主要由電機、水泵、連軸器組成，如圖2 所示。

圖2 電機水泵總成

水泵的選型設(shè)計主要考慮的因素：

（1）根據(jù)純電動清洗車水路系統(tǒng)最大工作壓力20 MPa 的設(shè)計要求，選用高壓柱塞泵，最高工作壓力可達25 MPa 左右。高壓柱塞泵靠活塞往復(fù)運動，使得泵腔工作容積周期改動，完成吸入和排出液體，其主要有的優(yōu)點：一是，構(gòu)成密封容積的零件為圓柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到較高的配合精度，密封性能好；低中壓容積效率可達95%左右，總效率為90%左右，在高壓工作時仍有較高的容積效率。二是，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓、大流量輸出，傳遞功率大，因此廣泛地應(yīng)用于高壓系統(tǒng)中。三是，結(jié)構(gòu)緊湊，單位功率消耗的材料量較齒輪泵、葉片泵都少；轉(zhuǎn)動慣量小，體積相對較小，易于布置。四是，容易實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，只需要改變柱塞的工作行程就能改變流量。五是，可靠性高，使用壽命長。

（2）水泵的排量確定。根據(jù)純電動清洗車水路系統(tǒng)輸出流量為大于或等于30 L/min 的設(shè)計要求以及電機大扭矩輸出時的轉(zhuǎn)速范圍來進行水泵的排量確定。在功率一定的情況下，電機轉(zhuǎn)速高，則輸出扭矩?。环粗?，電機轉(zhuǎn)速低，則輸出扭矩大。常規(guī)電機的轉(zhuǎn)速范圍500 ～ 2000 r/min，有較大的扭矩輸出；另外，水泵的排量越大，則體積越大。因此，水泵選型不能一味追求大排量低轉(zhuǎn)速或小排量高轉(zhuǎn)速；選定水泵的工作轉(zhuǎn)速為1500 r/min 是較為合理的。

根據(jù)流量計算公式：

Q=Vp×n×ηv/1000 = 30 L/min （1）式中，Vp為水 泵 的 排 量（mL/r）；n為 水 泵 的 轉(zhuǎn) 速（rpm），為1500 r/min；ηv為水泵的容積效率，取0.90；代入公式計算，得到水泵的排量Vp= 22 mL/r，根據(jù)高壓柱塞泵的排量系列，選取水泵的排量為25 mL/r。以排量為25 mL/r 帶入公式（1）計算，在1500 r/min 的轉(zhuǎn)速下，水泵的流量輸出為34 L/min，符合設(shè)計要求。

電機的選型設(shè)計主要考慮以下幾個方面：

一是，電機的選型，需要考慮可靠性、可維護性及成本等方面，選擇生產(chǎn)上用量大的220 V 三相交流異步電機。三相交流異步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

二是，電機功率的確定。電機功率的選擇，主要由水路系統(tǒng)水泵的輸入功率決定。

根據(jù)水泵的最大輸入功率計算公式：

式中，Pp為水泵最大工作壓力，為20 MPa；ηm為傳動效率，取0.90；代入公式計算，得到水泵的最大輸入功率為12.6 kW，則選擇額定功率為13 kW 的220 V 三相交流異步電機。

1.2.2 電機控制器的選型設(shè)計

所選電動貨車底盤電池組提供的額定電壓是335 V（直流），而電機的工作電壓是220 V。底盤的電壓無法直接驅(qū)動電機，需要設(shè)計一款電機控制器，既能在功率輸出方面滿足設(shè)計要求，又能將底盤電壓轉(zhuǎn)化成220 V 交流，驅(qū)動220 V 的三相交流異步電機，從而驅(qū)動水泵。

1.2.3 水過濾器的選型設(shè)計

水泵工作壽命的縮短，容積效率的降低以及工作壓力的下降，往往是由于內(nèi)部受到了顆粒、雜物的污染磨損。從水箱出水口出來的水，含有一定的顆粒、雜物，不能直接進入到水泵泵體，需要經(jīng)過水過濾器的過濾，過濾掉水中的顆粒、雜物以保護水泵，延長水泵的使用壽命。水過濾器從使用壓力上區(qū)分，一般分為中高壓水過濾器和低壓水過濾器；從過濾精度區(qū)分，一般分為精過濾器和粗過濾器；從使用位置及作用上來區(qū)分，可以分為吸水過濾器、壓水過濾器及回水過濾器三種。吸水過濾器通常布置在水箱內(nèi)部底面或水箱出水口與水泵進水口的管路上；布置在水箱內(nèi)部底面的優(yōu)點是與水箱成為一體，節(jié)約空間，缺點是不方便拆洗更換；布置在水箱出水口與水泵進水口的管路上，優(yōu)點是方便拆洗更換，缺點是需要專門設(shè)計安裝支座安裝并需要一定的安裝空間。環(huán)衛(wèi)用的純電動清洗車，清洗作業(yè)的水來自自來水管道，比較干凈，雜質(zhì)較少。因此，水路系統(tǒng)一般不需要配置過濾精度較高的精過濾器，水泵出水端也無需布置壓水過濾器，僅需要在水箱出水管路上設(shè)置吸水過濾器、在水箱回水管路上設(shè)置回水過濾器即可滿足使用要求。

吸水過濾器和回水過濾器都是用在低壓的非工作水路上，過濾精度通常有80 目、100 目、150 目、180目、200 目等。根據(jù)市場使用經(jīng)驗及水路系統(tǒng)相關(guān)可靠性試驗的結(jié)果，清洗車選用過濾精度為150 目的網(wǎng)式吸水過濾器和回水過濾器即可滿足車輛使用要求。吸水過濾器和回水過濾器配置濾芯污染發(fā)訊器和水路旁通閥，當濾芯被污染物堵塞到一定的程度時，發(fā)訊器發(fā)出訊號，提醒操作者及時更換或清洗濾芯。若此時不能馬上停機或無人來更換濾芯時，在濾芯上部的水路旁通閥會自動開啟，以避免水泵出現(xiàn)吸空故障。但應(yīng)盡快停機更換或清洗濾芯，以保持水路系統(tǒng)的清潔度，提高水路系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)水路系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，水泵最大輸出流量為34 L/min，吸水過濾器和回水過濾器應(yīng)該具有足夠的通流能力，以便減小壓力損失以及延長濾芯清洗或更換的時間間隔。通常選擇實際通過流量的2～3 倍，即選用通流能力為100 L/min 的吸水過濾器和回水過濾器較為合適。

1.2.4 水管內(nèi)徑的設(shè)計計算

純電動清洗車的水路系統(tǒng)，包括低壓的水泵吸水管路、水箱回水管路以及通往高壓水槍、噴嘴的高壓管路。低壓管路和高壓管路內(nèi)徑的確定，由系統(tǒng)的最大水流量、推薦流速進行計算得出，各水管的額定工作壓力決定水管的組成材質(zhì)及壁厚，水管的額定工作壓力選擇由水路系統(tǒng)在該段管路的最大工作壓力確定。

管道內(nèi)徑d（單位：mm），按流速選取

式中，Qp為水泵的最大輸出流量（m3/s），34 L/min 轉(zhuǎn)化為0.0005667 m3/s；V為流速（m/s），薦用流速：對于吸水管v≤1 ～ 2 m/s（一般取1 m/s 以下）；對于高壓水管v≤3 ～ 6 m/s；對于回水管v≤1.5 ～ 2.5 m/s；則取吸水管流速0.8 m/s，高壓水管流速為2 m/s，回水管流速為1.4 m/s，分別代入公式（3）計算得到：吸水管內(nèi)徑計算值為30 mm，高壓水管內(nèi)徑計算值為19 mm，回水管內(nèi)徑計算值為23 mm。

1.2.5 水箱的設(shè)計

需上牌照在道路上作業(yè)的純電動清洗車，屬于專項作業(yè)車輛，其水箱的設(shè)計，不僅需要考慮整車廂體的空間大小以及溢流、防銹功能，還需要符合國家對于專項作業(yè)車輛罐體容積的相關(guān)法規(guī)要求。本項目所選用的底盤為N1 類的電動貨車底盤，其總質(zhì)量為2690 kg，清洗車整車整備質(zhì)量為1810 kg，則額定載質(zhì)量為750 kg。國家相關(guān)法規(guī)對于罐式車輛的容積有以下3 個規(guī)定：

（1）1.0≤罐體總?cè)萘浚╩3）/［額定載質(zhì)量（kg）/介質(zhì)密度（kg/m3）］≤1.05；

（2）罐體體積（按外形尺寸計算）×0.85≤罐體總?cè)萘浚?/p>

（3）有效容積×介質(zhì)密度≤額定載質(zhì)量。水的密度為1000 kg/m3，清洗車額定載質(zhì)量為750 kg，因此，要同時符合3 個關(guān)于容積的規(guī)定，水箱的有效容積確定為0.75 m3。

在設(shè)計清洗車的水箱時，其高度、寬度由廂體內(nèi)部高度、寬度決定，水箱的長度根據(jù)有效容積進行設(shè)計。由于在水箱與電機水泵之間，還需要預(yù)留一定的空間用于放置隨車工具和清洗附件等，水箱設(shè)計成長方體較為合適，方便布置，減少水箱對車廂長度方向的空間占用。

出于防銹的要求，水箱材質(zhì)宜選用304 不銹鋼。從生產(chǎn)焊接工藝以及自身重量、使用可靠性方面考慮，選擇2 mm 厚的304 不銹鋼板進行水箱制作。不銹鋼板太薄，焊接難度大，焊接質(zhì)量較難保證，水箱容易漏水；不銹鋼板太厚，雖然方便焊接，但會增加成本及整車重量。

1.2.6 前部灑水機構(gòu)的設(shè)計

如圖3 所示，前部灑水機構(gòu)主要由噴桿、噴嘴、電推桿、小電機、點噴頭等零部件組成。噴桿、噴嘴、點噴頭均選用防銹性能好的304 不銹鋼鋼管制作。前部灑水機構(gòu)主要用于純電動清洗車的灑水作業(yè)，噴桿的工作壓力一般在1～ 5 MPa，點噴頭的工作壓力最高可接近水路系統(tǒng)的最大設(shè)計壓力（管道存在一定的壓力損失）。根據(jù)安裝位置的離地高度以及2 個噴嘴間的距離選擇合適的噴嘴，噴嘴噴水角度過小，則無法在地面形成連續(xù)的水線，有間斷的地方水灑不到；噴嘴噴水角度過大，則影響水壓，從而影響噴灑效果。為了擴大噴桿的作業(yè)范圍，前部灑水機構(gòu)設(shè)計有2 個電推桿，電推桿1 的作用是控制噴桿左右擺動，電推桿2的作用是控制噴桿上下擺動，通過噴桿的擺動來增加灑水范圍。前部灑水機構(gòu)還設(shè)計有點噴頭，通過三通球閥的切換，可以方便地在噴桿低壓灑水作業(yè)和點噴頭高壓噴水作業(yè)之間切換。小電機1 的作用是控制點噴頭上下擺動，小電機2 的作用是控制點噴頭左右擺動，以適應(yīng)不同的作業(yè)要求。

圖3 前部灑水機構(gòu)

2 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，城市的發(fā)展非常迅速，我國道路建設(shè)也非常迅速，由于環(huán)境保護受重視程度越來越高，多功能路面清洗車的需求量越來越大。保持路面潔凈的設(shè)備主要有路面清掃車和路面清洗車[3]。路面清洗車用于清洗路面較小的覆層物，并且能夠保證高的清洗質(zhì)量和高效率。高速水射流噴射形成的水霧，有降塵、凈化空氣的作用。多功能路面清洗車具有很多功能，常用的功能是：灑水、澆灌路邊花草、高壓水流清洗路面、噴霧。灑水是城市中最常用的降塵、給道路表面降溫的方法，它在城市環(huán)衛(wèi)中的作用非常重要。高壓水流清洗路面可以清除路面的細小碎屑、垃圾，使城市道路更加干凈、美觀，同時也有降塵的功能，使城市面貌煥然一新[4]。根據(jù)城市精細化管理需求，深圳、上海等一些大型城市，已要求人行道、非機動車道等路面實行機械化作業(yè)。小型純電動清洗車產(chǎn)品應(yīng)運而生，小型純電動清洗車在開發(fā)設(shè)計時，產(chǎn)品既要考慮在較小空間下布置一定量的水箱及其他作業(yè)裝置，也要考慮整車充滿電連續(xù)作業(yè)時間滿足一天需求[5]。以最大設(shè)計總質(zhì)量不大于3500 kg 的二類純電動貨車底盤為基礎(chǔ)開發(fā)的小型純電動清洗車，整車機動性強，拐彎半徑小，進入性好；主要用于城市道路、攤點路面和小廣告清洗的專用作業(yè)車輛，被廣泛應(yīng)用于中大型車輛難以進入的狹小街道、人行道、步行街、廣場等場所的清洗作業(yè)。小型純電動清洗車整車電氣化程度高，前部灑水機構(gòu)采用工業(yè)直線電推桿及旋轉(zhuǎn)電機，在駕駛室即可通過控制盒進行作業(yè)操作，操作簡單方便，工作穩(wěn)定可靠；整車可配置監(jiān)視系統(tǒng)，用于觀察作業(yè)裝置的作業(yè)情況。純電動清洗車屬于新能源環(huán)衛(wèi)車，其在環(huán)保方面具有巨大的優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊，必將逐步取代傳統(tǒng)的燃油清洗車而成為城市衛(wèi)生清潔中不可或缺的主力軍。