新型衛(wèi)生防疫車設(shè)計(jì)

董曉娟 段馨蕊 李海濤 白杰

北京三興汽車有限公司 北京 100070

我國是人口大國，人口分布比較集中，一旦暴發(fā)傳染病而沒有得到及時有效的控制，傳播速度將會非常迅速。2019年末爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎，導(dǎo)致全國34個省市自治區(qū)都有人員被感染了，僅40多天時間，全國累計(jì)確診病例竟高達(dá)75 100余人，僅武漢市確診人數(shù)就有45 300余人，各省市自治區(qū)先后宣布啟動了一級響應(yīng)。疫情傳播速度之快、危害之嚴(yán)重，給人民生命健康安全和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了巨大損失。目前，疫情仍然在國外蔓延，我國部分地區(qū)也時有疫情報(bào)道，防疫工作轉(zhuǎn)為常態(tài)化。

1 衛(wèi)生防疫車設(shè)計(jì)特點(diǎn)

新近設(shè)計(jì)的衛(wèi)生防疫車是專為大中城市疫情防控而研發(fā)的車輛，主要用于醫(yī)院、學(xué)校、社區(qū)、辦公區(qū)域等室內(nèi)外環(huán)境的病原微生物和蚊蠅等媒介昆蟲進(jìn)行消毒殺蟲處理。整車功能多樣、操作方便、工作效率高、轉(zhuǎn)彎半徑小，適合于在城市各種道路上通行，適用范圍較廣。

衛(wèi)生防疫車主要由底盤、車廂、副車架、消毒殺蟲設(shè)備、供電系統(tǒng)、工具箱及附件組成。消毒殺蟲設(shè)備主要有超低容量噴霧系統(tǒng)、常量噴霧系統(tǒng)和便攜式煙霧機(jī)。超低容量噴霧系統(tǒng)用于大范圍殺蟲作業(yè)，主要裝備是噴霧機(jī)；常量噴霧系統(tǒng)用于小面積或一些角落噴射滅菌消毒，主要裝備是噴桿噴槍；便攜式煙霧機(jī)可以從車上取下，由操作人員手提或肩背，用于車輛無法進(jìn)入的地下室、地下管道等區(qū)域進(jìn)行滅菌消毒工作。

2 整車布局

衛(wèi)生防疫車為廂式車結(jié)構(gòu)，駕駛室和車廂各自獨(dú)立，有效防止工作時藥液污染和設(shè)備噪聲對操作人員的侵害。該車以慶鈴二類載貨汽車底盤和車廂為載體；底盤用高強(qiáng)度螺栓和側(cè)擋板固定于副車架上；在副車架前部固定車廂，車廂為獨(dú)立艙室，左右兩側(cè)設(shè)有對開門，門上裝有通風(fēng)窗，便于廂內(nèi)空氣流通；消毒殺蟲設(shè)備按照系統(tǒng)配置固定在車廂內(nèi)；車廂后部兩側(cè)固定工具箱，可以放置藥液、防護(hù)服、維修工具等，方便操作人員取用；工具箱中間安裝噴霧機(jī)，設(shè)計(jì)時保證噴霧機(jī)的最大噴灑范圍；駕駛室內(nèi)安裝有倒車影像和作業(yè)狀態(tài)影像屏，操作切換按鈕，可以實(shí)現(xiàn)兩種影像切換；集成式操作面板安裝在駕駛室內(nèi)，操作簡便快捷。整車布局主要以各設(shè)備使用工況為指導(dǎo)，以方便操作為原則，綜合考慮行駛穩(wěn)定性、軸荷分配、質(zhì)心位置等因素，對各部件進(jìn)行合理布局，盡量簡潔一致，操作方便。整車布局如圖1所示。

圖1 衛(wèi)生防疫車布局圖[3]

3 整車部件選型設(shè)計(jì)

3.1 底盤選型

根據(jù)各部件質(zhì)量和外形尺寸參數(shù)選用慶鈴4×2二類載貨汽車底盤，國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，駕駛室安裝有冷暖空調(diào)，具有GPS定位和倒車影像功能。底盤主要參數(shù)如表1所示。

表1 底盤技術(shù)參數(shù)表

3.2 車廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車廂采用粘接大板結(jié)構(gòu)、內(nèi)外蒙皮，中間為硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾芯層和Q235型材骨架設(shè)計(jì)，廂體四周采用包邊連接方式、鉚釘固定。

廂體內(nèi)外蒙皮為防銹鋁板，選用1.5 mm厚整張鋁板，沒有接縫，保證廂體防雨性能。中間骨架采用Q235型材，考慮廂體強(qiáng)度和自重，主骨架采用60 mm×30 mm矩管為主支撐，30 mm×30 mm方管為中間筋梁的設(shè)計(jì)。廂體底板采用厚度為5 mm的鋁合金花紋板，保證平臺防滑和承載力。包邊采用廂式車通用的標(biāo)準(zhǔn)型材，保證整車的美觀性和協(xié)調(diào)性。廂板的內(nèi)外蒙皮、骨架及泡沫夾層采用8103粘接劑粘接，四周包邊采用鉚釘連接，型材與蒙皮貼合緊密，鉚接牢固，鉚釘排列整齊，整個廂體外表面平整美觀。

3.3 副車架設(shè)計(jì)

副車架是車廂和設(shè)施設(shè)備的承載平臺，前部分固定車廂，后部分固定工具箱和噴霧機(jī)。副車架采用橫、縱梁骨架結(jié)構(gòu)，由厚度為3 mm的Q345鋼板折彎組焊，橫縱梁骨架連接部位采用角鋼加強(qiáng)，在橫梁與橫梁之間預(yù)埋設(shè)備固定板和連接筋梁，以便固定消殺設(shè)備設(shè)施。

3.4 工具箱及附件設(shè)計(jì)

工具箱采用1.5 mm厚鋼板折彎成整體骨架，內(nèi)部用加強(qiáng)筋加強(qiáng)的設(shè)計(jì)方式不僅可滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而且結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、外形美觀。工具箱內(nèi)部設(shè)置有隔斷，配置儲物盒，方便分類存放藥品和物品；箱門采用下開門方式，取消了門的支撐結(jié)構(gòu)，不僅減輕了其自質(zhì)量，還方便了操作人員取放物品。

附件部分主要有擋泥板、防護(hù)欄、后保險(xiǎn)杠。擋泥板采用花紋鋼板折彎設(shè)計(jì)，用螺栓與底盤固定；防護(hù)欄采用60 mm×30 mm矩管組焊，用螺栓與副車架邊梁固定；后保險(xiǎn)杠采用100 mm×60 mm矩管和鋼板組焊，用螺栓與底盤固定。

3.5 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)為整車提供電源，是各項(xiàng)電氣功能正常運(yùn)行的動力保障系統(tǒng)，整車電源主要有DC 12 V底盤電源和車載發(fā)電機(jī)組電源。DC 12 V底盤電源主要供照明燈、影像信息使用，避免因?yàn)橛秒娫O(shè)備故障而影響車輛行駛。發(fā)電機(jī)組電源，供噴霧系統(tǒng)使用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，整車直流電用電功率P總=90 W，底盤蓄電池功率P蓄=1.3 kW，滿足直流用電設(shè)備的工作要求；整車交流用電功率P總=4.3 kW，發(fā)電機(jī)組額定功率P額=5.5 kW，滿足交流用電設(shè)備工作要求。

3.6 消毒殺蟲設(shè)備選型

本車具有多樣性的消殺功能，適用多種環(huán)境和場所。消毒殺蟲設(shè)備主要由超低容量噴霧系統(tǒng)、常量噴霧系統(tǒng)、便攜式煙霧機(jī)組成[5]。

3.6.1 超低容量噴霧系統(tǒng)選型

超低容量噴霧系統(tǒng)主要用于室外大面積的殺蟲作業(yè)。根據(jù)衛(wèi)生防疫車的民用市場定位和使用環(huán)境要求，選用具有氣液兩相流超聲霧化技術(shù)的超低容量噴霧系統(tǒng)。該噴霧系統(tǒng)霧化效果更好，增大到2.5 mm的噴孔直徑對藥液的適應(yīng)性更強(qiáng)，而且不易堵塞；噴嘴數(shù)量由多個減少到只有中間1個，保證了噴霧質(zhì)量的一致性和均勻性；風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)成錐直筒風(fēng)機(jī)和可調(diào)噴嘴支座，增加了霧滴的彌散性，噴射距離可達(dá)20 m以上，提高了工作效率。

超低容量噴霧系統(tǒng)主要由超低容量噴霧機(jī)、隔膜泵、超低容量藥液箱及空氣壓縮機(jī)等組成。主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 超低容量噴霧系統(tǒng)主要性能參數(shù)

工作原理：啟動后，空氣壓縮機(jī)啟動蓄氣，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到工作壓力時，氣泵電磁閥和藥液隔膜泵同時啟動，藥液與壓縮空氣經(jīng)管路輸送至超低容量噴霧主機(jī)前部的超聲霧化噴嘴后進(jìn)行霧化，霧化后的藥液微粒再通過超低容量噴霧主機(jī)內(nèi)的風(fēng)機(jī)向作業(yè)區(qū)域輸送。

3.6.2 常量噴霧系統(tǒng)選型

常量噴霧系統(tǒng)主要用于小面積或一些角落的噴灑消毒。衛(wèi)生防疫車選用較為成熟的高壓微孔噴霧方式，噴槍噴嘴選用水壓能噴嘴。該套系統(tǒng)操作更為簡便，可靠性更高。主要由常量高壓泵、電動卷盤、噴桿、噴槍、常量藥液箱等組成（如表3）。

表3 常量噴霧系統(tǒng)主要性能參數(shù)

工作原理系統(tǒng)：啟動后，高壓柱塞泵啟動，將藥液從常量藥液箱中抽出，加壓后經(jīng)常量電動卷盤中的噴管輸送至噴桿或噴槍處，高壓藥液經(jīng)噴槍或噴桿前端的噴嘴霧化后向噴槍前方的目標(biāo)區(qū)域噴灑，實(shí)現(xiàn)常量噴霧作業(yè)。

3.6.3 便攜式煙霧機(jī)

便攜式煙霧機(jī)是一種便攜式殺蟲滅菌設(shè)備，適用于醫(yī)院、會議室、倉庫、車站、城市下水道、暖氣管道、垃圾通道、地下室等區(qū)域的消毒和滅蟲處理。選用目前市場上成熟產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，可靠性高。主要性能參數(shù)如表4所示。

表4 便攜式煙霧機(jī)主要性能參數(shù)

工作原理：煙霧機(jī)首先將燃料和空氣的混合氣體傳遞到燃燒室，燃燒之后的混合氣體經(jīng)過狹窄的空鳴器時接觸到藥劑并分解成數(shù)億個小的微粒子以霧化的形態(tài)從噴口噴出，達(dá)到消毒殺蟲的目的。

4 整車主要計(jì)算

衛(wèi)生防疫車采用慶鈴二類載貨汽車底盤，為了保證行駛的安全可靠，對整車在裝滿藥液滿載工況下進(jìn)行行駛穩(wěn)定性計(jì)算[1]，分析各設(shè)備分布是否合理。

4.1 整車軸荷分配

整車總質(zhì)量G總=3 995 kg，軸距L=2.765 m，水平力矩Wl=7 088 kgm，垂直力矩Wh=3 871 kgm。

后橋載荷：G后=Wl/L=2 563 kg

前橋載荷：G前=G總－G后=1 432 kg

結(jié)論：衛(wèi)生防疫車前后軸荷均不超載，分布合理，滿足要求。

4.2 整車質(zhì)心計(jì)算

整車質(zhì)心高度：h=Wh/G總=0.969 m

整車質(zhì)心距前橋中心距離：l前=(G后/G總)L=1.774 m

整車質(zhì)心距后橋中心距離：l后=L－l前=0.991 m

結(jié)論：衛(wèi)生防疫車質(zhì)心分布合理，滿足要求。

4.3 行駛側(cè)傾穩(wěn)定性計(jì)算

整車輪距B=1 525 mm，質(zhì)心高度h=969 mm，附著系數(shù)ψ=0.7。汽車等速直線行駛狀態(tài)下發(fā)生側(cè)翻的條件為：

tgβ=B/(2h)≥ψ，tgβ=0.8＞0.7

結(jié)論：衛(wèi)生防疫車行駛狀況下符合側(cè)傾穩(wěn)定性要求。

4.4 副車架強(qiáng)度校核

副車架作為連接車廂和底盤的焊合組件，其主要作用為承重，對強(qiáng)度要求高。因此，對副車架整體進(jìn)行有限元模擬。副車架由縱梁和橫梁組成，連接形式為焊接，材料選用3 mm厚度Q345鋼板。對于Q345材料，彈性模量E=202 GPa，泊松比ε=0.3，工程設(shè)計(jì)計(jì)算的安全系數(shù)K=1.5，許用應(yīng)力≈230 MPa[4]。

簡化副車架模擬，各部件之間采用Tie命令連接，采用Hex-dominated（六面體占優(yōu)）單元形式，由于結(jié)構(gòu)件均為規(guī)則形狀采用掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)[2]。邊界條件設(shè)定為副車架縱梁底面固定，其他方向自由。副車架的上端面為均勻受力，總受力為17.85 kN。

通過專用軟件對副車架承受的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，校核材料選型的合理性。應(yīng)力分析如圖2，位移分析如圖3所示。

圖2 應(yīng)力分析圖

圖3 位移分析圖

由圖2和圖3可知，副車架最大許用應(yīng)力值為Pmax=175.5 MPa＜230 MPa，副車架受力變形量最大值為1.29 mm，由此得出：Q345鋼板滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

從使用環(huán)境、功能多樣性、操作便捷性等方面著手，確定防疫車選用慶鈴二類載貨汽車底盤為運(yùn)載平臺，采用固定式車廂和副車架組合設(shè)計(jì)，整車符合GB 11567、GB 7258、GB 1589等國標(biāo)要求，使防疫車具有較好的機(jī)動性、操作性和可靠性。其工作能力為消毒藥液箱在裝滿藥液400 L時，一次消毒面積不小于500 m2，殺蟲藥液箱在裝滿藥液110 L時，一次殺蟲面積不小于5萬m2，達(dá)到了提高工作效率和快速有效遏制傳染疾病擴(kuò)散的目的，使防疫車實(shí)現(xiàn)了更好的防疫預(yù)防功能。