一種經(jīng)濟型抑塵車的設(shè)計研究

摘要：設(shè)計研究了一種經(jīng)濟型抑塵車，該抑塵車具有噴霧和灑水功能，主要通過副發(fā)直驅(qū)式霧炮機和無電氣控系統(tǒng)實現(xiàn)動力系統(tǒng)的高效傳輸以及控制系統(tǒng)的高可靠性，并由此實現(xiàn)整車成本的大幅降低，從根本上解決了傳統(tǒng)霧炮機制造成本高、能耗大、可靠性低等問題。

關(guān)鍵詞：抑塵車；霧炮機；直驅(qū)；無電氣控

中圖分類號：U462" 收稿日期：2023-09-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.012

1 前言

國內(nèi)現(xiàn)有的抑塵車普遍采用高壓電驅(qū)動的技術(shù)路線，即采用發(fā)電機組發(fā)電，再通過三相電機驅(qū)動風(fēng)機葉片或者水泵，或者采用液壓驅(qū)動的技術(shù)路線，即采用副發(fā)動機驅(qū)動齒輪泵，再將動力傳遞給液壓馬達，由液壓馬達驅(qū)動風(fēng)機葉片或者水泵，如圖1所示。然而，以上兩種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁瑣，高壓電驅(qū)動路線需要配置昂貴的變頻器或者車載電機控制器，并且高壓供電的模式始終存在較大的安全隱患。與此同時，目前車載變頻器的故障率普遍較高，維護難度大，后期電器元件維護成本也特別高［1］；而液壓驅(qū)動路線則因為霧炮機要求功率大、速度快，對液壓元器件的要求高，同時液壓驅(qū)動的動力傳遞效率低。此外，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)均采用電控氣動的模式，排查故障的難度極大。綜合來看，傳統(tǒng)抑塵車均存在造價高、使用成本高、故障率高、維護困難等缺點，基于以上問題，本文研究一種采用副發(fā)直驅(qū)式霧炮機和無電控制系統(tǒng)的抑塵車。

圖1中001～008表示的部件如下：二類底盤（001）、發(fā)電機組（002）、副發(fā)動機和齒輪泵（003）、動力艙（004）、老款水箱（005）、高壓水泵/電機/電機控制器組合（006）、霧炮機（007）、高壓水泵/液壓馬達/液壓閥組組合（008）。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

區(qū)別于傳統(tǒng)抑塵車，采用副發(fā)直驅(qū)式霧炮機的抑塵車結(jié)構(gòu)更加簡單，如圖2所示，采用副發(fā)直驅(qū)式霧炮機的抑塵車結(jié)構(gòu)，噴霧功能只需要一個副發(fā)直驅(qū)式霧炮機就可以實現(xiàn)，無需再設(shè)置動力艙、發(fā)電機組、電機及其控制器，或者齒輪泵、液壓馬達及其閥組等，因此整車的載質(zhì)量和水箱容積也得到大幅提升。

選取底盤時，可通過三維模擬的方法預(yù)估上裝質(zhì)量，并綜合考慮載水質(zhì)量（由噴霧機流量和作業(yè)時間需求得出所需水的質(zhì)量）得出所需的整車載質(zhì)量來選取合適的底盤，這里擬采用東風(fēng)商用DFH1180EX8二類底盤，最大總質(zhì)量18 000 kg，前軸最大允許軸荷6 500 kg，后軸最大允許軸荷11 500 kg，采用D6.7NS6B230康明斯發(fā)動機，軸距5 000 mm。

圖2中101～107表示的部件如下：前鴨嘴（101）、控制盒（102）、灑水泵（103）、中側(cè)沖（104）、水箱（105）、霧炮機（106）、后澆花（107）。

整車結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮兩個方面：a.應(yīng)能滿足車輛的功能需求；b.滿足國家的標(biāo)準(zhǔn)要求。在功能上，該車最大的空間需求為水罐，水罐的大小直接關(guān)系到車輛的持續(xù)作業(yè)能力，當(dāng)然需結(jié)合整車總質(zhì)量的要求進行設(shè)計。根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，水罐布置在底盤前后軸中間位置，而霧炮機則設(shè)置在水罐后方，便于向后的噴霧作業(yè)；底盤取力口在發(fā)動機左后側(cè)，因此灑水車泵設(shè)置底盤大梁左側(cè)，采用傳動軸直連，前鴨嘴、中側(cè)沖、后灑水則分別設(shè)置在車輛底部空間的前中后位置。在國家標(biāo)準(zhǔn)上，其外廓尺寸、總質(zhì)量以及前后軸荷應(yīng)分別符合GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的相關(guān)要求，這里特別要注意的是前后軸荷的校核，在初步建好模型的情況下，可按如下方法進行：

a.采用實際稱重的方式，得出底盤的前后軸荷，分別為[M底前]和[M底后]。

b.采用三維模擬的方式，得出上裝在前后軸的重量分布，分別為[M上裝前]和[M上裝后]。

c.同樣采用三維模擬的方式，得出清水的前后軸重量分布，分別為[M水前]和[M水后]。

d.分別求出前后軸荷：前軸荷=[M底前]+[M上裝前]+[M水前]，后軸荷=[M底后]+[M上裝后]+[M水后]，應(yīng)能分別滿足GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中的相關(guān)要求，并能同時滿足底盤本身的軸荷要求（分別為6 500 kg和11 500 kg）。

需要強調(diào)的是，以上方法（包括整車所有零部件的選取）是一個反復(fù)驗證的過程，直到符合要求為止。

2 副發(fā)直驅(qū)式霧炮機設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

霧炮機作為該車最為主要的功能部件，是本次設(shè)計的核心。區(qū)別于以往動力通過電或液壓間接傳動的方式，該直驅(qū)式霧炮機直接將副發(fā)動機置于霧炮機的平臺上，如圖3所示，整個霧炮機設(shè)置在一個轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈與車輛后平臺固定連接，轉(zhuǎn)盤外圈與上方的霧炮機連接，并通過轉(zhuǎn)盤自帶的電驅(qū)動功能實現(xiàn)霧炮機整體的旋轉(zhuǎn)。通過動力單元驅(qū)動液壓油缸實現(xiàn)風(fēng)筒的上下旋轉(zhuǎn)，高壓水泵設(shè)置在副發(fā)動機旁邊，與副發(fā)動機輸出軸通過皮帶連接。在風(fēng)筒內(nèi)，設(shè)置有一個十字轉(zhuǎn)向器，其輸出軸與風(fēng)機葉片連接，輸入軸則穿到風(fēng)筒側(cè)面與副發(fā)之間通過皮帶傳動連接。同時，風(fēng)筒上下運動的轉(zhuǎn)動中心設(shè)置成與十字轉(zhuǎn)軸輸入軸同軸，如此便可實現(xiàn)風(fēng)筒轉(zhuǎn)動時，不會影響到十字轉(zhuǎn)向器和副發(fā)之間的皮帶傳動連接。通過以上設(shè)置，副發(fā)動機、水泵以及十字軸之間實現(xiàn)了相對固定的連接，它們同時跟隨霧炮機左右旋轉(zhuǎn)，并不會受到風(fēng)筒上下轉(zhuǎn)動的影響。

圖3中的201～228表示的部件如下：保護罩（201）、行程開關(guān)（202）、高壓水泵（203）、氣動離合皮帶輪（204）、噴霧機固定架（205）、噴霧機（206）、霧炮機皮帶（207）、噴霧機皮帶輪（208）、換向齒輪箱輸入軸（209）、液壓油缸（210）、噴嘴（211）、外噴圈（212）、內(nèi)噴圈（213）、高壓管路（214）、副發(fā)動機（215）、動力單元（216）、離心離合皮帶輪（217）、接近開關(guān)感應(yīng)板（218）、接近開關(guān)（219）、轉(zhuǎn)盤外圈（220）、行程開關(guān)感應(yīng)板（221）、水泵皮帶（222）、轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈（223）、固定拉桿（224）、換向齒輪箱（225）、軸承座（226）、風(fēng)機葉輪（227）、泵皮帶輪（228）。

2.2 功能參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)有市場需求設(shè)定霧炮機的射程為100 m（目前市場上的主流射程規(guī)格分為30 m、60 m、80 m、100 m、120 m），采用傳統(tǒng)的風(fēng)筒和葉片，由經(jīng)驗可知葉片的額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，通過模擬和樣機實測，此實風(fēng)機所需額定功率為37 kW，水泵流量應(yīng)在110 L/min以上，噴霧水壓應(yīng)大于等于2 MPa，才能滿足實際射程需求。此時假設(shè)十字轉(zhuǎn)向器的速比為1∶1，則此處輸入扭矩可通過以下方式算出：

[T轉(zhuǎn)向機=P風(fēng)機×9 550N=243.7 N·m]

式中，[T轉(zhuǎn)向機]為轉(zhuǎn)向機輸入扭矩，N·m；[P風(fēng)機]為風(fēng)機所需額定功率，kW。

2.3 十字轉(zhuǎn)向器選型

十字轉(zhuǎn)向器是實現(xiàn)副發(fā)直驅(qū)的關(guān)鍵零部件之一，它的性能需能滿足風(fēng)機的長時間工作需求，這里擬采用某品牌的十字轉(zhuǎn)向器，其選型如表1所示，我們需要的是1進1出的1橫軸型式，并且采用T8型轉(zhuǎn)向器，其額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，最大傳輸扭矩為294 N·m，最大功率為45.6 kW，分別大于風(fēng)機的額定功率和輸入扭矩，符合設(shè)計使用需求。

2.4 水泵選型

根據(jù)以上流量的要求，假設(shè)采用品孚系列高壓水泵，相應(yīng)的選型如表2所示，擬采用PT36型高壓水泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時，其額定流量為115 L/min，符合功能需求，而當(dāng)壓力為2 MPa時，其功率可通過下式算出：

[P水泵=QP/50=4.6 kW]

式中，[P水泵]為水泵輸入功率，kW；Q為水泵額定流量，L/min；P為水泵工作壓力，MPa。

2.5 副發(fā)動機選型

副發(fā)動機要同時滿足風(fēng)機和高壓水泵的功率需求，兩者功率之和為：

[P副發(fā)=P風(fēng)機+P水泵=41.6 kW]

根據(jù)功率需求，擬采用江鈴國三非道路發(fā)動機4JB1-TCH/ISUZU系列，其最大功率為68 kW，最大扭矩[Tmax=248 N·m]，相關(guān)參數(shù)如圖4所示。由圖中可知，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 100 r/min時，達到最大扭矩，輸出功率為55 kW，且在最經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，符合設(shè)計需求。接下去對其功率進行校核。

額定工況下，[T副發(fā)輸出=P副發(fā)×9 550N=189 N·mlt;Tmax=248N·m]，符合設(shè)計需求。

式中，[T副發(fā)輸出]為副發(fā)動機的實際輸出扭矩；[P副發(fā)]為副發(fā)動機的實際輸出功率。

2.6 帶傳動設(shè)計

由以上可知，副發(fā)與風(fēng)機之間的轉(zhuǎn)動比為[n風(fēng)機：n副發(fā)]=1∶1.45，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，假設(shè)小帶輪的直徑為260 mm，則大帶輪直徑為377 mm，通過查詢機械手冊可知，宜采用C型帶，單根皮帶的傳遞功率為10 kW，因此需要四根皮帶；相反的，副發(fā)與水泵之間速比為1.45∶1，水泵端的帶輪直徑為260 mm，采用1根C型帶［2］。

3 低壓及高壓水路設(shè)計

低壓水路系統(tǒng)包括低壓水泵、前鴨嘴、中側(cè)沖、后灑水以及后高炮等裝置，其動力通過傳動軸從底盤取力器口取力，啟動后從水箱吸入清水，再將壓力水通過管路分別輸送到工作裝置，高壓水路包括前文提到的高壓水泵、溢流閥及其相關(guān)管路等［3］，其工作原理如圖5所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要分為低壓水路控制系統(tǒng)和高壓噴霧水路控制系統(tǒng)，以及副發(fā)控制系統(tǒng)。區(qū)別于傳統(tǒng)抑塵車采用控制器控制，這里主要用的是手拉閥，實現(xiàn)了無電介入的氣控系統(tǒng)，最大程度地節(jié)約了制造和維護成本，并有效提升可靠性。

4.1 低壓灑水部分

低壓灑水泵通過傳動軸從底盤取力器取力，啟動后從水箱吸入清水，再將壓力水通過低壓管路分別輸送到工作裝置：前灑水噴頭、側(cè)沖噴頭以及后花灑噴頭處，而以上三種工作裝置分別通過氣控球閥進行通斷控制，并且在管路中間設(shè)置有卸荷球閥，以防止長久憋壓造成水泵損壞，而駕駛室操控部分則采用氣控手拉閥?？刂撇糠种校瑢⒌妆P氣源分別接入前灑水、中側(cè)沖、后花灑的氣控手拉閥，氣控手拉閥有兩個輸出端，分別接入對應(yīng)的氣控球閥兩個輸入端，因此只要切換氣控手拉閥的輸出方向，便可控制球閥的通斷。有別于以上氣控球閥，卸荷球閥為常開狀態(tài)，只有一個氣源輸入端，有氣源輸入時為閉合狀態(tài)，而該氣源輸入端又同時與以上六個動作的開啟端氣源相通，因此，當(dāng)6個動作均為關(guān)閉時，卸荷球閥就處于開啟狀態(tài)，水泵處于回水狀態(tài)，可有效保護水泵，而只要6個動作中的一個或者多個動作開啟，卸荷球閥就會關(guān)閉，保證作業(yè)裝置中水的流量壓力輸出。相比傳統(tǒng)的電控控制方法，該方法僅采用氣路系統(tǒng)便實現(xiàn)了控制，節(jié)約了制造成本，同時又使整個系統(tǒng)更加可靠。

4.2 高壓噴霧部分

該部分高壓水泵的驅(qū)動方式已在上文詳細(xì)講述，需要補充的是，高壓水泵出水口處設(shè)置有溢流閥，可保持管路中壓力恒定，對水泵起到保護作用，同時水箱的低液位處設(shè)置有液位報警器。當(dāng)高壓水泵工作時，從水箱吸入清水，并將壓力水輸出到噴霧機上。其控制分為兩個部分：一個是水泵的控制，其通過電控氣動的方法，首先將電控開關(guān)信號（即通斷信號）發(fā)送到氣動閥組，線路中間串接一個常閉繼電器，電信號經(jīng)過氣動閥組后轉(zhuǎn)換為氣動信號控制高壓水泵的氣動離合器的分離和結(jié)合，此外，液位報警器的電信號接到繼電器處，當(dāng)水箱水位偏低時，液位報警器發(fā)送電信號到繼電器處，使繼電器處于開的狀態(tài)，實現(xiàn)高壓水泵的氣動離合器強制分離，起到防止高壓水泵干磨燒損的作用；另一部分為副發(fā)動機的控制，由于發(fā)動機為帶負(fù)載啟動，因此在啟動時，必須使轉(zhuǎn)速為慢慢提升，當(dāng)此處的副發(fā)動機為帶遠程油門控制方式時，便可采用電信號控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，如圖6所示，當(dāng)為機械油門控制方式時，便可采用推拉軟軸進行控制。此處相比傳統(tǒng)的電驅(qū)路線和液壓驅(qū)動路線，該控制方法無需使用控制器進行控制，控制方式更加簡單明了，在節(jié)約制造成本的同時，使整個系統(tǒng)更加可靠、操作更加便捷、維護更加簡單。

4.3 副發(fā)動機控制系統(tǒng)

此部分采用介入發(fā)動機ECU的編程控制，與發(fā)動機廠家溝通發(fā)動機的啟動方式和作業(yè)模式，主要是解決帶負(fù)載啟動和轉(zhuǎn)速設(shè)定問題。

5 結(jié)語

該經(jīng)濟型抑塵車通過副發(fā)直驅(qū)式霧炮機和無電氣控系統(tǒng)大幅降低了制造和維護成本，并經(jīng)過反復(fù)的試驗驗證，相比傳統(tǒng)的抑塵車具有更高的可靠性。通過試用客戶的反饋，車輛故障率明顯下降，維護成本有效降低并提升了整車可靠性；與此同時，避免了作業(yè)時高壓電帶來的安全隱患，作業(yè)更加安全。

參考文獻：

[1]季寶全.多功能抑塵車結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理[J].專用車與零部件，2016（3）：84-85.

[2]徐達，蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[3]張春林.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：

蘇文鋒，男，1978年生，高級技師，研究方向為環(huán)衛(wèi)裝備機械裝備設(shè)計。