單發(fā)抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)帶副發(fā)動(dòng)機(jī)的抑塵車工作過(guò)程中噪聲污染大、排放不環(huán)保等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種霧炮噴霧量可隨環(huán)境監(jiān)測(cè)PM值而變化的，且由底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)全功率取力的單發(fā)抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該單發(fā)全液壓抑塵車噴霧系統(tǒng)使用底盤(pán)全功率取力實(shí)現(xiàn)動(dòng)力來(lái)源；主泵計(jì)劃采用變量比例柱塞泵驅(qū)動(dòng)噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)柱塞泵的無(wú)級(jí)調(diào)速；噴霧機(jī)水泵齒輪馬達(dá)、噴霧機(jī)的俯仰油缸、左右回轉(zhuǎn)馬達(dá)由雙聯(lián)齒輪泵驅(qū)動(dòng)；將低壓水路控制系統(tǒng)與霧炮控制系統(tǒng)進(jìn)行融合，集成到一個(gè)控制系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)伟l(fā)抑塵車；全功率取力；動(dòng)力系統(tǒng)；無(wú)級(jí)調(diào)速

中圖分類號(hào)：U462 收稿日期：2023-05-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.017

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市人口增長(zhǎng)速度和城市化進(jìn)程逐漸加快，粉塵、PM2.5、PM10等懸浮物已經(jīng)成了主要的環(huán)境污染物，對(duì)人們的身體健康、生活、安全等方面都帶來(lái)了不少危害，因此，對(duì)于粉塵類可吸入顆粒物的整治已經(jīng)刻不容緩。

抑塵車是主要治理設(shè)備之一，其系統(tǒng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)成研究熱點(diǎn)。目前，市場(chǎng)上的多功能抑塵車上裝系統(tǒng)都通過(guò)副發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組為霧炮風(fēng)機(jī)、霧炮回轉(zhuǎn)和仰俯提供電力動(dòng)力源，該套系統(tǒng)由于副發(fā)動(dòng)機(jī)的存在，增大了燃油消耗量，同時(shí)還存在噪聲大、環(huán)保性差等缺點(diǎn)。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種霧炮噴霧量可隨環(huán)境監(jiān)測(cè)PM值而變化的由底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)全功率取力的單發(fā)抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該單發(fā)抑塵車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摒棄了原先抑塵車噴霧系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力的模式，轉(zhuǎn)而由底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)全功率取力，帶動(dòng)串聯(lián)的無(wú)級(jí)變量柱塞泵和雙聯(lián)齒輪泵輸出高壓油來(lái)驅(qū)動(dòng)噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)馬達(dá)、多級(jí)離心式水泵齒輪馬達(dá)、噴霧機(jī)左右回轉(zhuǎn)馬達(dá)和俯仰油缸完成相應(yīng)的動(dòng)作，上裝還具備一個(gè)監(jiān)測(cè)PM值的變化進(jìn)而控制抑塵車霧炮噴霧量大小的功能，整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高、安全性高、噪音小、污染小，亦可達(dá)到降低PM2.5、PM10的濃度和污染程度的目的。

單發(fā)抑塵車上裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括上裝動(dòng)力系統(tǒng)和上裝控制系統(tǒng)，如圖1所示。

上裝動(dòng)力系統(tǒng)主要包括噴霧機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和低壓水路動(dòng)力系統(tǒng)。噴霧機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由三部分組成，即風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、離心泵動(dòng)力系統(tǒng)和液壓站動(dòng)力系統(tǒng)。這三部分動(dòng)力系統(tǒng)由底盤(pán)取力器全功率取力，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的齒輪馬達(dá)進(jìn)行動(dòng)力輸送，為噴霧機(jī)完成水霧化、吹霧和噴霧機(jī)俯仰和回轉(zhuǎn)工作提供動(dòng)力，其中選用變量比例柱塞泵驅(qū)動(dòng)噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)極調(diào)速，雙聯(lián)齒輪泵驅(qū)動(dòng)多級(jí)離心水泵馬達(dá)和噴霧機(jī)的回轉(zhuǎn)馬達(dá)和俯仰油缸；低壓水路動(dòng)力系統(tǒng)也是通過(guò)底盤(pán)取力器提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)低壓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

上裝控制系統(tǒng)主要包括可編程控制器（PLC）控制噴霧機(jī)動(dòng)作閥組、低壓水路控制閥組、各傳感器監(jiān)測(cè)，還增加了監(jiān)測(cè)PM值的變化進(jìn)而控制抑塵車霧炮噴霧量大小的功能，其中觸摸屏通過(guò)網(wǎng)線與PLC連接，可實(shí)現(xiàn)各種上裝動(dòng)作的操控、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及故障報(bào)警提示等功能。

3 功率匹配性

本系統(tǒng)為兩種液壓回路結(jié)合方式。主泵為變量柱塞泵，副泵選用雙聯(lián)齒輪泵。主泵從底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)后飛輪上帶的全功率取力器取力，副泵由主泵上帶的輸出法蘭取力，液壓原理如圖2所示。

底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)功率為202 kW，噴霧機(jī)所需功率為風(fēng)機(jī)35 kW+高壓水泵7.5 kW+輔助1.5 kW；低壓水泵所需功率為24 kW，因此底盤(pán)滿足上裝所需功率要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全功率取力為上裝提供動(dòng)力。

4 變量比例柱塞泵

噴霧系統(tǒng)的以實(shí)現(xiàn)柱塞泵的無(wú)級(jí)調(diào)速主泵計(jì)劃采用變量比例柱塞泵，變量比例泵是通過(guò)比例控制板將變量泵輸出的壓力和流量進(jìn)行范圍內(nèi)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)控制，雖然它具有抗污染能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但比例控制板存在一定的缺陷，輸出的壓力、流量往往與輸入不呈線性使得比例泵的控制不夠穩(wěn)定，因此采用PLC線性控制算法程序，將整個(gè)控制分段化處理，解決了泵口輸出的壓力和流量呈線性可調(diào)特性，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制［1］。

變量比例柱塞泵控制系統(tǒng)由PLC、MCGS組態(tài)屏、比例控制板以及變量泵構(gòu)成，如圖3所示。

a.PLC與MCGS組態(tài)屏建立通信，將設(shè)定參數(shù)反饋給PLC處理。

b.PLC根據(jù)反饋的信號(hào)以及數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)輸出0～10 VDC電壓信號(hào)。

c.直流電壓信號(hào)輸入至比例控制板，比例控制板經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)算將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～1 000 mA的比例電流，通過(guò)最終得到的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)比例閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)變量泵的壓力、流量輸出控制。

圖4、圖5中，原曲線代表比例控制板控制的效果，調(diào)整后曲線代表基于PLC控制的效果［2］。由圖可知，基于PLC控制系統(tǒng)使得變量比例泵輸出的壓力和流量呈線性，很好地彌補(bǔ)了比例控制板的缺陷，達(dá)到斜率穩(wěn)定的效果，實(shí)現(xiàn)了柱塞泵的無(wú)級(jí)調(diào)速，使得整個(gè)液壓系統(tǒng)更加平穩(wěn)可靠。

5 PM值監(jiān)測(cè)控制模塊

本系統(tǒng)PM值監(jiān)測(cè)控制模塊使用車載空氣顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由液晶屏顯示，界面友好，系統(tǒng)界面見(jiàn)圖6，能夠使用戶及社會(huì)大眾實(shí)時(shí)了解到空氣中PM2.5和PM10含量，將PM2.5、PM10傳感器采集的模擬量數(shù)值化，通過(guò)找到PM2.5、PM10數(shù)值與柱塞泵排量的邏輯關(guān)系，使得柱塞泵的排量在設(shè)定好的閾值內(nèi)變化，從而達(dá)到通過(guò)監(jiān)測(cè)PM2.5、PM10數(shù)值變化量控制噴霧量的目的。

PM2.5、PM10采用RS485變送傳感器，支持Modbus-RTU協(xié)議通信，數(shù)據(jù)接收端使用Modbus-RTU結(jié)構(gòu)環(huán)境下的組態(tài)自主開(kāi)發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)，以設(shè)備地址為0×01為例，通過(guò)問(wèn)詢0×03功能碼，從0×00起始連續(xù)問(wèn)詢兩字節(jié)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，應(yīng)答到兩個(gè)十六進(jìn)制字節(jié)碼，通過(guò)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制得到實(shí)際的模擬量值，在組態(tài)系統(tǒng)中分別讀4區(qū)起始兩個(gè)地址，將讀數(shù)顯示在上位機(jī)端，該數(shù)據(jù)也可通過(guò)RS485寫(xiě)入到PLC的內(nèi)部寄存器，通過(guò)程序設(shè)定的閾值動(dòng)態(tài)改變輸出到比例閥的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)顆粒物的濃度值對(duì)泵排量變化的變量控制［3］。

空氣顆粒物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電比例變量霧炮風(fēng)扇馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的工作原理如圖7所示，該系統(tǒng)將捕捉到的PM2.5、PM10顆粒物進(jìn)行模擬量處理，通過(guò)顆粒物變量控制電比例閥閥芯的開(kāi)度，導(dǎo)致LS口的壓力變化，從而控制變量比例泵的輸出流量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制。對(duì)這種模擬量變化過(guò)程的處理控制達(dá)到了自動(dòng)調(diào)整噴霧機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。

變量泵總成內(nèi)部負(fù)荷傳感閥的平衡方程為：

p - pLS= pK （1）

式中，p為變量散熱泵出口壓力；pLS為電比例溢流閥控制的LS口壓力；pK為電比例閥預(yù)設(shè)的彈簧力。

當(dāng)控制電比例溢流閥的電流一定，pLS也就一定。當(dāng)變量泵的轉(zhuǎn)速瞬間升高，泵的出口壓力p和流量也會(huì)瞬間升高，根據(jù)式（1），勢(shì)必引起負(fù)荷傳感閥立刻右移，調(diào)節(jié)缸兩腔都進(jìn)油。由于無(wú)桿腔的作用面積大于有桿腔的作用面積，所以柱塞桿左移，使變量泵排量減小，相應(yīng)的變量泵輸出的流量減少，達(dá)到新的平衡后，進(jìn)入風(fēng)扇馬達(dá)的流量基本不變；反之亦然。

根據(jù)上述工作原理，在系統(tǒng)流量飽和的情況下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速不受全功率取力接口轉(zhuǎn)速的限制，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)外部變量對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。當(dāng)空氣質(zhì)量良好時(shí)，風(fēng)扇電機(jī)較低速運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)約功率；當(dāng)空氣質(zhì)量惡劣時(shí)，或所工作區(qū)域出現(xiàn)集中污染顆粒物時(shí)，風(fēng)扇電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，提升霧炮機(jī)工作效率。由于顆粒物變量控制系統(tǒng)可以采集并且處理數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)的比較運(yùn)算與處理將最終的調(diào)節(jié)結(jié)果以電流值發(fā)出，控制LS口的壓力pLS，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

6 低壓水路與噴霧機(jī)控制系統(tǒng)融合

傳統(tǒng)的抑塵車低壓水路控制系統(tǒng)與噴霧機(jī)控制系統(tǒng)分別為獨(dú)立的兩個(gè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)將低壓水路控制系統(tǒng)與噴霧機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行融合，集成到一個(gè)控制系統(tǒng)中，這將使整車電控系統(tǒng)的布置得到優(yōu)化，方便作業(yè)過(guò)程中的操作。相關(guān)界面見(jiàn)圖8、圖9。

系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了參數(shù)設(shè)置界面（圖10），該界面能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行輸出狀態(tài)和各傳感器感應(yīng)，在系統(tǒng)故障時(shí)，也能夠幫助快速有效的排查故障類型。

7 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

單發(fā)抑塵車控制系統(tǒng)由核心控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中核心控制器選用一種PLC，本系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-200型PLC，使用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9對(duì)其進(jìn)行編程，內(nèi)部存儲(chǔ)器可讀取組態(tài)設(shè)備寫(xiě)入的數(shù)值，模擬量輸出端口支持輸出模擬量信號(hào)，其性能強(qiáng)大，運(yùn)行速度快，體積小，通信功能強(qiáng)，性價(jià)比高，適合在車載系統(tǒng)下運(yùn)行。

PLC系統(tǒng)輸入輸出定義表如表1所示，各功能動(dòng)作控制程序使用梯形圖表示，如圖11～圖18所示。

因此，通過(guò)以上PLC的邏輯控制可以實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作功能，模擬量信號(hào)也能夠快速有效處理，運(yùn)行速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

8 結(jié)語(yǔ)

本文為單發(fā)抑塵車上裝動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了解決方案，并且有多個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：a.解決上裝部分系統(tǒng)功率需求與單發(fā)動(dòng)機(jī)功率的匹配性問(wèn)題；b.噴霧系統(tǒng)主泵采用變量比例柱塞泵，實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速；c.將低壓水路控制系統(tǒng)與霧炮控制系統(tǒng)進(jìn)行融合，使得操作系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單方便；d.通過(guò)PM2.5、PM10數(shù)值變化量來(lái)控制噴霧量的大小，可達(dá)到降低PM2.5、PM10的濃度和污染程度的目的。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)抑塵車噴霧機(jī)系統(tǒng)和低壓水路系統(tǒng)在行車情況下正常工作，并且運(yùn)行工況較傳統(tǒng)帶副發(fā)動(dòng)機(jī)的抑塵車更為經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果良好，運(yùn)行情況穩(wěn)定可靠。

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作者簡(jiǎn)介：

王進(jìn)鈺，女，1997年生，助理工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ密嚿涎b電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。