單發(fā)抑塵車及其動力系統(tǒng)的設計研究

摘要：主要介紹了單發(fā)抑塵車的總體設計及其動力系統(tǒng)的設計，特別闡述了動力匹配和液壓系統(tǒng)的設計，同時設計了一款性能及質(zhì)量更加可靠、經(jīng)濟性更高、維護更加便捷，且更加環(huán)保的抑塵車產(chǎn)品，為新一代節(jié)能環(huán)保型抑塵車的設計提供參考依據(jù)。

關鍵詞：單發(fā)；抑塵車；液壓；環(huán)保

中圖分類號：U462 ?收稿日期：2023-02-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.011

1 前言

抑塵車可起到降塵壓塵、凈化空氣的作用，隨著現(xiàn)代城市建設對空氣質(zhì)量的日趨重視，抑塵車的需求也越來越大。目前，國內(nèi)抑塵車系列車型大部分采用主副兩個發(fā)動機，主發(fā)動機保證車輛行駛，副發(fā)動機為上裝提供動力，這種設計可使底盤行駛和上裝噴霧作業(yè)互不干擾，各自獨立作業(yè)，但同時兩個發(fā)動機的設置使故障率增加，使用及維護成本高，油耗大，尾氣排放大等，因此研發(fā)單發(fā)抑塵車具有重要意義［1］。

本文研究一種單發(fā)抑塵車，整車只有一個底盤主發(fā)動機，利用底盤變速箱的側取力器驅(qū)動液壓系統(tǒng)，進而通過液壓馬達驅(qū)動上裝霧炮，整車布置簡單，同時因為沒有設置副發(fā)動機，使得整車可靠性大幅提升，使用及維護成本更低，作業(yè)排放更小。該車采用帶分動箱的低壓水泵（同時具有分動箱和低壓水泵），具有灑水和噴霧兩種作業(yè)模式。當為灑水模式時，低壓水泵與底盤同步運轉，灑水效果與發(fā)動機轉速相關；當為噴霧模式時，其霧炮機葉輪采用液壓馬達驅(qū)動，并通過上裝車載移動控制器控制柱塞變量泵的流量輸出來控制霧炮機葉輪的轉速，從而保證葉輪轉速穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，保證噴霧作業(yè)正常進行，單發(fā)抑塵車與雙發(fā)抑塵車灑水和噴霧作業(yè)性能相當。大力推廣燃油單發(fā)抑塵車對于減少由汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染及降低用戶使用成本有較大意義，因此無論從產(chǎn)品的經(jīng)濟性和環(huán)保性方面，在相同性能的前提下燃油單發(fā)抑塵車與傳統(tǒng)雙發(fā)抑塵車相比具有明顯的優(yōu)勢，市場潛力巨大［2］。

2 整車布置及技術指標設定

2.1 整車布置

單發(fā)抑塵車的總體布置主要包括底盤、罐體、霧炮機、后平臺、低壓水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、護欄、后保險杠等附屬件。圖1為單發(fā)抑塵車的總體布置簡圖。上裝前半部分為罐體，用于裝清水，此處單發(fā)抑塵車的罐體相比帶副發(fā)抑塵車的罐體容積更大，意味著可持續(xù)作業(yè)的時間更長；后半部分設置有一個后平臺，用于放置噴霧機總成，并提供操作維修人員的活動空間；霧炮機總成又包括霧炮機、旋轉升降機構及其底架，并通過底架固定在汽車底盤上，霧炮機自身上下左右動作的動力均從底盤取力驅(qū)動[3-5]。

整車定位為噴霧降塵設備。整車總質(zhì)量為18 t，作業(yè)噪聲低，噴霧能力強，外形美觀，總體性能達到國內(nèi)領先水平。整車主要功能為噴霧降塵，同時兼有路面灑水、沖洗功能。工作裝置采用100 m霧炮機和低壓水路系統(tǒng)，噴霧射程遠，路面清洗能力強，保證整車有良好的作業(yè)效果。選用價格適中、性能穩(wěn)定的二類汽車底盤，排放符合國六排放的環(huán)保要求［3-4］。

2.2 技術指標設定

整車主要性能指標要求：噴霧水平射程≥100 m；噴霧射高≥40 m；風筒俯仰角-10°～60°；風筒水平旋轉角度為±90°；噴霧壓力≥1.0 MPa；作業(yè)噪聲≤85 dB；作業(yè)燃油消耗量≤20 L/min；作業(yè)行車速度5～15 km/h［7］。

3 工作原理

為實現(xiàn)節(jié)能降耗，整車利用底盤發(fā)動機作為上裝動力源，通過底盤側取力器驅(qū)動帶分動箱的低壓水泵（分動箱與低壓水泵為一體式設計），通過低壓水泵的分動端驅(qū)動柱塞變量泵，柱塞變量泵驅(qū)動霧炮液壓馬達旋轉進而帶動霧炮葉輪工作，通過低壓水泵為霧炮機提供噴霧水源，100 m霧炮機的葉輪采用液壓馬達驅(qū)動，霧炮舉升采用動力單元驅(qū)動，霧炮旋轉采用24 V電驅(qū)回轉驅(qū)動。整車配置低壓水路系統(tǒng)，灑水與噴霧共用一個低壓水泵，噴霧抑塵作業(yè)時采用控制器控制，具體動力傳遞路線圖見圖2。與傳統(tǒng)雙發(fā)抑塵車相比，無需單獨發(fā)電機組或者副發(fā)動機提供動力，降低整車成本，減少整備質(zhì)量及降低作業(yè)噪聲［5］。

低壓水路噴灑的液體常規(guī)狀態(tài)為清水，清水的輸送裝置采用帶分動箱的低壓水泵，該水泵為自吸式離心水泵，因在抑塵噴霧作業(yè)時輸送的清水中會添加一定比例的液體抑塵劑，而液體抑塵劑具有微堿性，所以水泵選型時選取過流部件采用不銹鋼材質(zhì)的低壓水泵。低壓水路系統(tǒng)有兩種作業(yè)模式，分別為灑水模式和噴霧模式，兩種模式根據(jù)作業(yè)場所需求由車輛駕駛員通過操作控制面板上的開關進行切換，切換開關通過電信號控制水路切斷閥的電磁氣閥的通斷，進而實現(xiàn)對應噴灑裝置的開與閉。低壓水路系統(tǒng)的噴灑裝置包含灑水裝置和噴霧裝置，灑水裝置主要包括前灑水、中側沖、后灑水等裝置，噴霧裝置為噴霧機風筒出風口處的噴嘴。當切換為灑水作業(yè)模式時，水泵主要為灑水裝置提供帶壓力的清水，當切換為噴霧模式時，灑水作業(yè)停止，水路主要供應噴霧機噴霧作業(yè)［6］。

4 控制方法

本單發(fā)抑塵車的電控系統(tǒng)采用車載移動控制器進行統(tǒng)一控制，實現(xiàn)電控系統(tǒng)集成化，提高車輛控制精度及可靠性，同時大幅度減少電氣元件的類別和數(shù)量，而在這個產(chǎn)品中，電控系統(tǒng)的主要作用不僅在于控制作業(yè)中的各個動作，還在于控制液壓系統(tǒng)變量泵流量的平穩(wěn)輸出。

當為灑水作業(yè)模式時，分動箱切斷變量泵端的動力輸出，此時只有灑水泵在作業(yè)，由于水泵與底盤側取力器為傳動軸直連，其流量輸出隨操作人員控制的油門大小而變化，發(fā)動機轉速高則噴水流量大效果較好，發(fā)動機轉速低的時候噴水流量小效果較差；當為噴霧作業(yè)模式時，低壓水泵和變量泵同時運轉，變量泵驅(qū)動霧炮葉輪馬達運轉，而低壓水泵則提供霧炮機所需的壓力水，壓力水經(jīng)噴頭噴出后被霧化，葉輪產(chǎn)生的高速氣流將這些水霧輸送到遠處，從而達到降塵抑塵的目的。

由于車輛行駛作業(yè)時發(fā)動機轉速會出現(xiàn)變化，為了使霧炮葉輪的轉速始終維持在一定范圍內(nèi)，控制器采用動態(tài)控制的方法：首先設定變量泵的初始開度，控制器按一定頻率采集葉輪轉速；當噴霧模式啟動后，如果控制器檢測到葉輪轉速小于預設定的轉速范圍，則按一定步長持續(xù)加大開度，直至葉輪轉速在設定的轉速范圍內(nèi)，則變量泵停止加大開度并保持不變；如果控制器檢測到葉輪轉速已超出設定的轉速范圍，則采用同樣的方法持續(xù)減小開度至轉速在設定的范圍內(nèi)；也可通過底盤PTO遠程油門或定速巡航功能對底盤發(fā)動機轉速實現(xiàn)定轉速，此時變量泵輸出流量穩(wěn)定，可實現(xiàn)噴霧機的持續(xù)穩(wěn)定的噴霧作業(yè)；如果此時操作人員進行底盤掛擋等操作，導致葉輪轉速驟降，當再次加油門時，控制器會根據(jù)葉輪的實際轉速來控制變量泵的開度，避免變量泵開度與葉輪轉速差異過大。為便于操作及人性化設計，該車將霧炮葉輪的工作轉速分成“標準”和“加強”兩種模式，標準模式轉速設定為1 350 r/min，加強模式轉速設定為1 500 r/min，兩種模式均按以上邏輯運行。

5 動力系統(tǒng)設計

5.1 底盤動力匹配設計

根據(jù)技術路線，整車的底盤行駛及上裝工作均利用底盤發(fā)動機作為動力源，上裝工作執(zhí)行裝置包含霧炮機葉輪和帶分動箱的低壓水泵，上裝工作執(zhí)行裝置的動力源通過底盤發(fā)動機輸出動力到變速箱側取力器處，此時將根據(jù)底盤發(fā)動機外特性參數(shù)進行選取車輛噴霧作業(yè)時發(fā)動機的工作轉速，同時需對側取力器選型設計，保證取力器的輸出功率及扭矩滿足上裝負載要求：

a.結合霧炮葉輪工作時的負載，充分考慮底盤取力器的扭矩滿足工作要求，設計時通過提高取力器輸入轉速可降低取力器的工作扭矩，所以預選取底盤發(fā)動機工作轉速為n發(fā)，此時對應的發(fā)動機輸出功率為P發(fā)，扭矩為T發(fā)。根據(jù)底盤變速箱各前進檔傳動比i和后橋主減速比i，驗證底盤發(fā)動機在該工作轉速下，輪胎滾動半徑R，通過計算，驗證了底盤發(fā)動機在該工作轉速下，1擋至3擋的各擋作業(yè)速度v滿足5～15 km/h的作業(yè)要求。

b.考慮到駕駛行車噴霧作業(yè)時可以行車換擋，故選用摩擦片取力器，同時為了降低取力器輸出扭矩，故設計時采用增速的摩擦片式側取力器，具體速比值n依據(jù)液壓柱塞泵的工作轉速進行選取。

5.2 液壓選型計算分析

已知條件：霧炮葉輪的額定運轉功率Py，最高工作轉速ny，霧炮工作需轉速0～ny范圍內(nèi)無極調(diào)速；正常工作時底盤發(fā)動機工作轉速n發(fā)（PTO定轉速工作），對應發(fā)動機輸出功率P發(fā)和扭矩T發(fā)。根據(jù)以上已知條件選取摩擦片式側取力器為速比i取，取力器的機械效率為[η]取，選取低壓水泵的分動箱速比為i分，低壓水泵分動箱的機械效率為[η分j]，則計算出柱塞泵的工作轉速為nb。

根據(jù)以上已知條件要求，出于經(jīng)濟性及液壓系統(tǒng)散熱性能考慮，優(yōu)先選用開式變量系統(tǒng)，具體選取的柱塞泵和柱塞馬達的已知參數(shù)分別如表1和表2所示。

根據(jù)以上已知條件，柱塞馬達的排量選擇為Vm，作業(yè)時霧炮葉輪的最高轉速為ny，因此當葉輪驅(qū)動馬達工作壓力為[py]時，計算出馬達的理論輸出功率Pm和扭矩Tm[1-2]：

[Pm=（pyqm/600）ηm總]

[Tm=9 550Pmnm]

霧炮葉輪實際所需的驅(qū)動扭矩為：

[Ty=9 550Pyny]

根據(jù)以上計算出：[Pm]＞[Py]，[Tm]＞[Ty]，故馬達輸出功率和扭矩可以滿足驅(qū)動葉輪的要求，故柱塞馬達選用排量選用[Vm]的符合要求。

霧炮噴霧作業(yè)時（柱塞泵的工作轉速[nb]）；柱塞泵的實際排量為[Vbc]，根據(jù)以下公式計算出[Vbc]：

[nbVbcηbrηmr=nmVm]

計算結果得出：[Vbc]＜[Vb]，故柱塞泵的排量選用[Vb]符合要求。

此時柱塞泵的輸出流量：

[qbc=Vbcnbηbr/1 000]

[Pbc=pyqbcηbj/600]

此時柱塞泵所需的最大輸入功率[Pbr]：

[Pbr=Pbc/ηb總]

選取霧炮噴霧作業(yè)時，低壓水泵工作轉速為n水泵，根據(jù)實際試驗驗證低壓水泵在n水泵轉速下工作時，所需求的驅(qū)動功率為P水泵，則要求發(fā)動機的輸出功率為：

[P發(fā)出=P水泵/η取+Pbr/η分j/η取]

根據(jù)計算得出：[P發(fā)出]＜[P發(fā)]，底盤發(fā)動機工作轉速為[n發(fā)]時，發(fā)動機輸出功率滿足要求。

取力器的輸入工作扭矩：

[T取入=P發(fā)出×9 550/n發(fā)]

取力器的輸出工作扭矩：[T取出=T取出/i取]，按選取摩擦片取力器的安全系數(shù)為0.8，則要求取力器的設計上的工作扭矩[T取≥T取出/0.8]。

本單發(fā)抑塵車的主要液壓元件選型設計還包括液壓油箱設計、霧炮葉輪停機緩沖裝置設計和液壓散熱系統(tǒng)設計?；谝簤合到y(tǒng)的供油需求，本單發(fā)抑塵車設計采用一體式油箱，油箱主體采用雙隔板結構分為三部分，左右兩側為出油區(qū)，中間部分為回油區(qū)，起著沉淀雜質(zhì)、釋放油液中混入的氣體，以及中和油溫的作用，該一體式油箱總體結構尺寸小，其所需安裝空間小，結構更為緊湊。為防止霧炮葉輪停止時由于慣性旋轉導致的液壓制動，在液壓回路中設置了補油閥，通過補油閥的補油作用，使風機能夠平穩(wěn)地停止，減小液壓沖擊。本單發(fā)抑塵車的液壓系統(tǒng)總功率較大，相應的發(fā)熱量較多，基于液壓系統(tǒng)發(fā)熱、散熱平衡需求及開式系統(tǒng)散熱較好，選擇采用水冷散熱方式，選用質(zhì)量可靠的筒式水冷卻器，結構較為緊湊，散熱效率高，有效利用了水泵的水循環(huán)來降溫，確保了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

通過以上計算過程的反復核算，可選出合適的主要液壓零部件，如變量泵、集成塊、溢流閥、柱塞馬達等，并定出合適的底盤工作轉速。該液壓系統(tǒng)通過變量柱塞泵直接單一地驅(qū)動風機葉輪馬達，原理簡單、工作部件少，可有效保證整車的可靠性，不僅制造成本低，而且維護特別方便，能有效提高作業(yè)效率。

6 其他系統(tǒng)設計

其他系統(tǒng)包括霧炮機、低壓灑水系統(tǒng)、罐體、后平臺、氣路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、護欄、后保險杠及燈具等。

霧炮機選型采用100 m噴霧水平射程的液壓驅(qū)動霧炮機，噴霧射高≥40 m，風筒的俯仰角-10°～60°，采用尼龍復合材料的單葉輪結構，風筒舉升采用雙油缸結構，風筒出風口設計雙環(huán)噴圈，噴圈均勻分布100個噴霧噴嘴，霧炮機葉輪的驅(qū)動功率設計控制在40 kW以內(nèi)，葉輪的最大工作轉速1 500 r/min。

低壓灑水系統(tǒng)主要包括低壓灑水泵位置選定并固定，水泵進水管道及水泵出水口至各個灑水裝置的管路設計，低壓灑水泵及管道設計排水閥門，防止冬季因管道或者灑水泵中因殘留清水導致結冰凍壞相應的裝置，低壓灑水系統(tǒng)與常規(guī)灑水車基本一致，設計時參照灑水車行業(yè)標準設計即可。

罐體整體參照灑水車行業(yè)標準進行設計，采用普通Q235材質(zhì)，罐體內(nèi)部設置防波板，側面圍板和前后封板采用平板壓筋結構設計，頂部設計人孔，便于罐體制作工人進出及罐體檢修，罐體后封板處及頂部人孔附近設計爬梯，便于操作人員上下罐體；罐體后部設計后平臺，后平臺主要用于固定霧炮機，平臺周邊設計圍欄。

氣路系統(tǒng)和電控系統(tǒng)均為以上所述的主要部分提供輔助支持，為常規(guī)設計。氣路系統(tǒng)利用底盤的氣源，主要通過電磁氣閥實現(xiàn)低壓水泵中分動箱的結合與分離、低壓水路系統(tǒng)中水路切斷閥的開啟與關閉，主要元件包含氣控箱總成、三聯(lián)件、單向順序閥；電控系統(tǒng)包括控制器、電控箱、電控線束及其他電子元器件。

其余后保險杠、護欄及燈具等參照相關的國家標準進行設計。整車通過三維模擬進行配重，使得前后軸荷在空載及滿載情況下始終處于底盤承載的范圍內(nèi)。

7 結語

通過以上對單發(fā)抑塵車的整車結構、技術路線、動力系統(tǒng)的設計研究，并通過實際產(chǎn)品的實驗驗證，該產(chǎn)品廣泛適用于治理城市街道、公園、工礦企業(yè)、煤場、貨運碼頭及房屋拆遷等地點的空氣污染，具有噴霧抑塵、降溫、農(nóng)林節(jié)水灌溉、噴藥消殺、消防等功能，同時又能夠?qū)β访孢M行灑水、清洗，實現(xiàn)路面保潔的功能。該產(chǎn)品不僅質(zhì)量可靠、性能優(yōu)越，而且具有整車成本更低、維護更加便捷、更加環(huán)保的特點。隨著新技術、新裝備的不斷涌現(xiàn)和應用，相信未來抑塵車的功能將越來越完善，性能也將越來越優(yōu)越。

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作者簡介：

賴泳湘，男，1987年生，工程師，研究方向為環(huán)衛(wèi)車產(chǎn)品研發(fā)、技術管理。