單發抑塵車及其動力系統的設計研究

摘要：主要介紹了單發抑塵車的總體設計及其動力系統的設計，特別闡述了動力匹配和液壓系統的設計，同時設計了一款性能及質量更加可靠、經濟性更高、維護更加便捷，且更加環保的抑塵車產品，為新一代節能環保型抑塵車的設計提供參考依據。

關鍵詞：單發；抑塵車；液壓；環保

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，隨著現代城市建設對空氣質量的日趨重視，抑塵車的需求也越來越大。目前，國內抑塵車系列車型大部分采用主副兩個發動機，主發動機保證車輛行駛，副發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互不干擾，各自獨立作業，但同時兩個發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，因此研發單發抑塵車具有重要意義［1］。

本文研究一種單發抑塵車，整車只有一個底盤主發動機，利用底盤變速箱的側取力器驅動液壓系統，進而通過液壓馬達驅動上裝霧炮，整車布置簡單，同時因為沒有設置副發動機，使得整車可靠性大幅提升，使用及維護成本更低，作業排放更小。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定在一定的范圍內，保證噴霧作業正常進行，單發抑塵車與雙發抑塵車灑水和噴霧作業性能相當。大力推廣燃油單發抑塵車對于減少由汽車尾氣排放造成的環境污染及降低用戶使用成本有較大意義，因此無論從產品的經濟性和環保性方面，在相同性能的前提下燃油單發抑塵車與傳統雙發抑塵車相比具有明顯的優勢，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、氣路系統、液壓系統、電控系統、護欄、后保險杠等附屬件。圖1為單發抑塵車的總體布置簡圖。上裝前半部分為罐體，用于裝清水，此處單發抑塵車的罐體相比帶副發抑塵車的罐體容積更大，意味著可持續作業的時間更長；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動[3-5]。

整車定位為噴霧降塵設備。整車總質量為18 t，作業噪聲低，噴霧能力強，外形美觀，總體性能達到國內領先水平。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，噴霧射程遠，路面清洗能力強，保證整車有良好的作業效果。選用價格適中、性能穩定的二類汽車底盤，排放符合國六排放的環保要求［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；作業噪聲≤85 dB；作業燃油消耗量≤20 L/min；作業行車速度5～15 km/h［7］。

3 工作原理

為實現節能降耗，整車利用底盤發動機作為上裝動力源，通過底盤側取力器驅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動柱塞變量泵，柱塞變量泵驅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動，霧炮舉升采用動力單元驅動，霧炮旋轉采用24 V電驅回轉驅動。整車配置低壓水路系統，灑水與噴霧共用一個低壓水泵，噴霧抑塵作業時采用控制器控制，具體動力傳遞路線圖見圖2。與傳統雙發抑塵車相比，無需單獨發電機組或者副發動機提供動力，降低整車成本，減少整備質量及降低作業噪聲［5］。

低壓水路噴灑的液體常規狀態為清水，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的低壓水泵。低壓水路系統有兩種作業模式，分別為灑水模式和噴霧模式，兩種模式根據作業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，進而實現對應噴灑裝置的開與閉。低壓水路系統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，灑水作業停止，水路主要供應噴霧機噴霧作業［6］。

4 控制方法

本單發抑塵車的電控系統采用車載移動控制器進行統一控制，實現電控系統集成化，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量，而在這個產品中，電控系統的主要作用不僅在于控制作業中的各個動作，還在于控制液壓系統變量泵流量的平穩輸出。

當為灑水作業模式時，分動箱切斷變量泵端的動力輸出，此時只有灑水泵在作業，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，發動機轉速高則噴水流量大效果較好，發動機轉速低的時候噴水流量小效果較差；當為噴霧作業模式時，低壓水泵和變量泵同時運轉，變量泵驅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，壓力水經噴頭噴出后被霧化，葉輪產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。

由于車輛行駛作業時發動機轉速會出現變化，為了使霧炮葉輪的轉速始終維持在一定范圍內，控制器采用動態控制的方法：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，則按一定步長持續加大開度，直至葉輪轉速在設定的轉速范圍內，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減小開度至轉速在設定的范圍內；也可通過底盤PTO遠程油門或定速巡航功能對底盤發動機轉速實現定轉速，此時變量泵輸出流量穩定，可實現噴霧機的持續穩定的噴霧作業；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 動力系統設計

5.1 底盤動力匹配設計

根據技術路線，整車的底盤行駛及上裝工作均利用底盤發動機作為動力源，上裝工作執行裝置包含霧炮機葉輪和帶分動箱的低壓水泵，上裝工作執行裝置的動力源通過底盤發動機輸出動力到變速箱側取力器處，此時將根據底盤發動機外特性參數進行選取車輛噴霧作業時發動機的工作轉速，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，所以預選取底盤發動機工作轉速為n發，此時對應的發動機輸出功率為P發，扭矩為T發。根據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，驗證了底盤發動機在該工作轉速下，1擋至3擋的各擋作業速度v滿足5～15 km/h的作業要求。

b.考慮到駕駛行車噴霧作業時可以行車換擋，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范圍內無極調速；正常工作時底盤發動機工作轉速n發（PTO定轉速工作），對應發動機輸出功率P發和扭矩T發。根據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。

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

根據以上已知條件，柱塞馬達的排量選擇為Vm，作業時霧炮葉輪的最高轉速為ny，因此當葉輪驅動馬達工作壓力為[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動扭矩為：

[Ty=9 550Pyny]

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

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

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

[P發出=P水泵/η取+Pbr/η分j/η取]

根據計算得出：[P發出]＜[P發]，底盤發動機工作轉速為[n發]時，發動機輸出功率滿足要求。

取力器的輸入工作扭矩：

[T取入=P發出×9 550/n發]

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設計。基于液壓系統的供油需求，本單發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，中間部分為回油區，起著沉淀雜質、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，使風機能夠平穩地停止，減小液壓沖擊。本單發抑塵車的液壓系統總功率較大，相應的發熱量較多，基于液壓系統發熱、散熱平衡需求及開式系統散熱較好，選擇采用水冷散熱方式，選用質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來降溫，確保了液壓系統的穩定性和可靠性。

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。該液壓系統通過變量柱塞泵直接單一地驅動風機葉輪馬達，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，能有效提高作業效率。

6 其他系統設計

其他系統包括霧炮機、低壓灑水系統、罐體、后平臺、氣路系統、電控系統、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噴圈，噴圈均勻分布100個噴霧噴嘴，霧炮機葉輪的驅動功率設計控制在40 kW以內，葉輪的最大工作轉速1 500 r/min。

低壓灑水系統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，低壓灑水系統與常規灑水車基本一致，設計時參照灑水車行業標準設計即可。

罐體整體參照灑水車行業標準進行設計，采用普通Q235材質，罐體內部設置防波板，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。

氣路系統和電控系統均為以上所述的主要部分提供輔助支持，為常規設計。氣路系統利用底盤的氣源，主要通過電磁氣閥實現低壓水泵中分動箱的結合與分離、低壓水路系統中水路切斷閥的開啟與關閉，主要元件包含氣控箱總成、三聯件、單向順序閥；電控系統包括控制器、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。

7 結語

通過以上對單發抑塵車的整車結構、技術路線、動力系統的設計研究，并通過實際產品的實驗驗證，該產品廣泛適用于治理城市街道、公園、工礦企業、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、農林節水灌溉、噴藥消殺、消防等功能，同時又能夠對路面進行灑水、清洗，實現路面保潔的功能。該產品不僅質量可靠、性能優越，而且具有整車成本更低、維護更加便捷、更加環保的特點。隨著新技術、新裝備的不斷涌現和應用，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，研究方向為環衛車產品研發、技術管理。