單發抑塵車上裝動力系統和控制系統設計與研究

摘要：針對傳統帶副發動機的抑塵車工作過程中噪聲污染大、排放不環保等問題，設計了一種霧炮噴霧量可隨環境監測PM值而變化的，且由底盤發動機全功率取力的單發抑塵車上裝動力系統和控制系統。該單發全液壓抑塵車噴霧系統使用底盤全功率取力實現動力來源；主泵計劃采用變量比例柱塞泵驅動噴霧機風機，以實現柱塞泵的無級調速；噴霧機水泵齒輪馬達、噴霧機的俯仰油缸、左右回轉馬達由雙聯齒輪泵驅動；將低壓水路控制系統與霧炮控制系統進行融合，集成到一個控制系統中。

關鍵詞：單發抑塵車；全功率取力；動力系統；無級調速

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-05-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.017

1 前言

近年來，我國經濟不斷發展，城市人口增長速度和城市化進程逐漸加快，粉塵、PM2.5、PM10等懸浮物已經成了主要的環境污染物，對人們的身體健康、生活、安全等方面都帶來了不少危害，因此，對于粉塵類可吸入顆粒物的整治已經刻不容緩。

抑塵車是主要治理設備之一，其系統控制的優化設計成研究熱點。目前，市場上的多功能抑塵車上裝系統都通過副發動機驅動柴油發電機組為霧炮風機、霧炮回轉和仰俯提供電力動力源，該套系統由于副發動機的存在，增大了燃油消耗量，同時還存在噪聲大、環保性差等缺點。

據此，本文設計了一種霧炮噴霧量可隨環境監測PM值而變化的由底盤發動機全功率取力的單發抑塵車上裝動力系統和控制系統。

2 系統結構設計

該單發抑塵車控制系統的設計摒棄了原先抑塵車噴霧系統采用發電機組提供動力的模式，轉而由底盤發動機全功率取力，帶動串聯的無級變量柱塞泵和雙聯齒輪泵輸出高壓油來驅動噴霧機風機馬達、多級離心式水泵齒輪馬達、噴霧機左右回轉馬達和俯仰油缸完成相應的動作，上裝還具備一個監測PM值的變化進而控制抑塵車霧炮噴霧量大小的功能，整套系統結構簡單，可靠性高、安全性高、噪音小、污染小，亦可達到降低PM2.5、PM10的濃度和污染程度的目的。

單發抑塵車上裝系統結構包括上裝動力系統和上裝控制系統，如圖1所示。

上裝動力系統主要包括噴霧機動力系統和低壓水路動力系統。噴霧機動力系統由三部分組成，即風機動力系統、離心泵動力系統和液壓站動力系統。這三部分動力系統由底盤取力器全功率取力，驅動相應的齒輪馬達進行動力輸送，為噴霧機完成水霧化、吹霧和噴霧機俯仰和回轉工作提供動力，其中選用變量比例柱塞泵驅動噴霧機風機馬達，可實現風機轉速的無極調速，雙聯齒輪泵驅動多級離心水泵馬達和噴霧機的回轉馬達和俯仰油缸；低壓水路動力系統也是通過底盤取力器提供動力驅動低壓水泵運轉。

上裝控制系統主要包括可編程控制器（PLC）控制噴霧機動作閥組、低壓水路控制閥組、各傳感器監測，還增加了監測PM值的變化進而控制抑塵車霧炮噴霧量大小的功能，其中觸摸屏通過網線與PLC連接，可實現各種上裝動作的操控、參數設置、運行狀態監控以及故障報警提示等功能。

3 功率匹配性

本系統為兩種液壓回路結合方式。主泵為變量柱塞泵，副泵選用雙聯齒輪泵。主泵從底盤發動機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。

底盤發動機功率為202 kW，噴霧機所需功率為風機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，因此底盤滿足上裝所需功率要求，能夠實現全功率取力為上裝提供動力。

4 變量比例柱塞泵

噴霧系統的以實現柱塞泵的無級調速主泵計劃采用變量比例柱塞泵，變量比例泵是通過比例控制板將變量泵輸出的壓力和流量進行范圍內的調整實現控制，雖然它具有抗污染能力強、可靠性高等優點，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定，因此采用PLC線性控制算法程序，將整個控制分段化處理，解決了泵口輸出的壓力和流量呈線性可調特性，實現平穩控制［1］。

變量比例柱塞泵控制系統由PLC、MCGS組態屏、比例控制板以及變量泵構成，如圖3所示。

a.PLC與MCGS組態屏建立通信，將設定參數反饋給PLC處理。

b.PLC根據反饋的信號以及數據，經過內部DA數模轉換模塊實時輸出0～10 VDC電壓信號。

c.直流電壓信號輸入至比例控制板，比例控制板經過內部計算將電壓信號轉換成0～1 000 mA的比例電流，通過最終得到的電流信號驅動比例閥，實現對變量泵的壓力、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控制系統使得變量比例泵輸出的壓力和流量呈線性，很好地彌補了比例控制板的缺陷，達到斜率穩定的效果，實現了柱塞泵的無級調速，使得整個液壓系統更加平穩可靠。

5 PM值監測控制模塊

本系統PM值監測控制模塊使用車載空氣顆粒物監測系統，由液晶屏顯示，界面友好，系統界面見圖6，能夠使用戶及社會大眾實時了解到空氣中PM2.5和PM10含量，將PM2.5、PM10傳感器采集的模擬量數值化，通過找到PM2.5、PM10數值與柱塞泵排量的邏輯關系，使得柱塞泵的排量在設定好的閾值內變化，從而達到通過監測PM2.5、PM10數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協議通信，數據接收端使用Modbus-RTU結構環境下的組態自主開發上位機系統，以設備地址為0×01為例，通過問詢0×03功能碼，從0×00起始連續問詢兩字節數據長度，應答到兩個十六進制字節碼，通過十六進制轉十進制得到實際的模擬量值，在組態系統中分別讀4區起始兩個地址，將讀數顯示在上位機端，該數據也可通過RS485寫入到PLC的內部寄存器，通過程序設定的閾值動態改變輸出到比例閥的電信號，從而實現通過顆粒物的濃度值對泵排量變化的變量控制［3］。

空氣顆粒物監測系統中電比例變量霧炮風扇馬達驅動的工作原理如圖7所示，該系統將捕捉到的PM2.5、PM10顆粒物進行模擬量處理，通過顆粒物變量控制電比例閥閥芯的開度，導致LS口的壓力變化，從而控制變量比例泵的輸出流量，最終實現對風扇馬達轉速的控制。對這種模擬量變化過程的處理控制達到了自動調整噴霧機風扇轉速的目的。

變量泵總成內部負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為電比例閥預設的彈簧力。

當控制電比例溢流閥的電流一定，pLS也就一定。當變量泵的轉速瞬間升高，泵的出口壓力p和流量也會瞬間升高，根據式（1），勢必引起負荷傳感閥立刻右移，調節缸兩腔都進油。由于無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，相應的變量泵輸出的流量減少，達到新的平衡后，進入風扇馬達的流量基本不變；反之亦然。

根據上述工作原理，在系統流量飽和的情況下，風扇的轉速不受全功率取力接口轉速的限制，從而實現通過外部變量對風扇轉速進行控制。當空氣質量良好時，風扇電機較低速運轉，節約功率；當空氣質量惡劣時，或所工作區域出現集中污染顆粒物時，風扇電機加速運轉，提升霧炮機工作效率。由于顆粒物變量控制系統可以采集并且處理數據，通過系統的比較運算與處理將最終的調節結果以電流值發出，控制LS口的壓力pLS，從而控制風扇的轉速。

6 低壓水路與噴霧機控制系統融合

傳統的抑塵車低壓水路控制系統與噴霧機控制系統分別為獨立的兩個控制系統，該系統設計將低壓水路控制系統與噴霧機控制系統進行融合，集成到一個控制系統中，這將使整車電控系統的布置得到優化，方便作業過程中的操作。相關界面見圖8、圖9。

系統中還設計了參數設置界面（圖10），該界面能夠實時監測運行輸出狀態和各傳感器感應，在系統故障時，也能夠幫助快速有效的排查故障類型。

7 控制系統的實現

單發抑塵車控制系統由核心控制器和執行機構組成，其中核心控制器選用一種PLC，本系統選用西門子S7-200型PLC，使用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9對其進行編程，內部存儲器可讀取組態設備寫入的數值，模擬量輸出端口支持輸出模擬量信號，其性能強大，運行速度快，體積小，通信功能強，性價比高，適合在車載系統下運行。

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

因此，通過以上PLC的邏輯控制可以實現各動作功能，模擬量信號也能夠快速有效處理，運行速度快，系統穩定性較高。

8 結語

本文為單發抑塵車上裝動力系統的設計應用提供了解決方案，并且有多個創新點：a.解決上裝部分系統功率需求與單發動機功率的匹配性問題；b.噴霧系統主泵采用變量比例柱塞泵，實現噴霧機風機的無極調速；c.將低壓水路控制系統與霧炮控制系統進行融合，使得操作系統更加簡單方便；d.通過PM2.5、PM10數值變化量來控制噴霧量的大小，可達到降低PM2.5、PM10的濃度和污染程度的目的。該方案能夠實現抑塵車噴霧機系統和低壓水路系統在行車情況下正常工作，并且運行工況較傳統帶副發動機的抑塵車更為經濟和環保，系統調試結果良好，運行情況穩定可靠。

參考文獻：

[1]李麗霞.基于PLC的電液比例控制節流調速系統的改進和開發[J].液壓與氣動，2012（7）：108-111.

[2]蒙功樹.基于PLC電液比例便利歐昂泵的控制系統設計[J].液壓氣動與密封，2020（8）：50-52.

[3]高志華.基于PLC和MCGS組態的壓縮垃圾車控制系統設計[J]. 內燃機與配件，2018（16）：10-12.

作者簡介：

王進鈺，女，1997年生，助理工程師，研究方向為專用車上裝電控系統設計與開發。