洒水车作业性能计算方法研究

姜 伟，李 铭，白子龙

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

引言

洒水车作为环境净化的重要设备，广泛应用于道路冲洗，绿化喷洒，降尘降温，应急消防等工况，在城市以及货运港口、工地、大型厂矿企业、隧道建设等区域随处可见。随着我国经济不断发展，人们保护意识不断提高，洒水车的销量逐年增高，对智能化、多功能的洒水车产品需求也越来越多[1-2]。水路系统作为洒水车核心总成直接决定了产品的作业性能，因此，本文基于流体力学理论和抛物运动理论，结合试验验证，建立洒水作业性能计算方法，对洒水车水路系统设计具有一定的指导意义。

1 洒水作业工作原理

洒水车由载货车底盘、水罐、水路系统、取力传动机构、电气控制系统、气动控制系统和后操纵平台等部分组成[3]，如图1 所示。

图1 洒水车

洒水车水路系统主要包括水罐、水泵、管路、气动切断阀、球阀、前冲、后洒、侧冲、水炮等，如图2 所示。

图2 洒水作业工作原理

水泵一般为自吸式离心水泵，动力源一般为发动机或电机，如图3 所示。其工作原理为：水泵内部的叶轮快速转动，促使水快速旋转，在离心力的作用下从叶轮中飞出，输出水流。

图3 自吸式离心水泵

水路系统通过气动切断阀或球阀控制各个喷头的开关，如图4 所示。

图4 气动切断阀

一般情况下，冲为鸭嘴喷头，后洒为洒水陀、侧冲为三弯冲枪，如图5 所示。

图5 洒水车常用喷头

2 洒水作业性能基本参数

洒水车应能完成路面冲洗、洒水、水柱冲洗三个最基本的作业功能，作业性能基本参数包括：冲洗宽度、洒水宽度、洒水量、冲洗射程等。

冲洗宽度为洒水车水泵处于额定转速进行路面行驶冲洗作业时，单次能达到的最大有效、连续作业面的宽度。

洒水宽度为洒水车水泵处于额定转速进行路面洒水作业时，所喷出的均匀、连贯洒水面的最大宽度。

洒水量为洒水车水泵处于额定转速进行路面洒水作业时，单位面积喷洒的水量。

冲洗射程为水柱冲洗（即水炮）水流达到的最远水平距离。

《QC/T 54 洒水车》标准规范了洒水车洒水性能基本参数，如表1 所示。

表1 洒水作业性能基本参数

3 洒水作业理论分析

3.1 水泵

在水泵转速固定不变的情况下，水泵扬程H与泵出流量Q的关系为H-Q特性曲线[4]，即：

水泵通过试验可得到H-Q特性的离散数据，并采用一元二次多项式或者一元三次多项式进行拟合就可得出H-Q特性曲线。如图6 所示为某型号水泵在额定转速n下的H-Q试验数据及拟合后的曲线。

图6 某水泵扬程H 流量Q 特性

从通过水泵H-Q特性曲线可以看出，在水泵转速固定的情况下，水泵的实际输出流量Q主要由水泵出口阻力扬程H决定。

3.2 管路

水泵输出的流量经过各类管道，阀门及喷头后会产生压力损失ΔP，即为水泵的阻力扬程H，其关系式为：

式中：

ρ——水的密度，1 000 kg/m3；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

根据流体力学理论，管路中总的压力损失ΔP为各段直段的沿程压力损失ΔPf与各个接头、阀门、喷头等的局部压力损失ΔPr之和[5]，即：

沿程压力损失计算公式：

式中：

λ——沿程阻力系数；

d——管道内径，m；

l——管道长度，m；

v——管内液体平均流速，m/s。

沿程阻力系数λ与管道内部光滑程度，以及水在管道内的流动状态有关。对于洒水车管路来说，一般取沿程阻力系数为：

其中Re为雷诺数，计算公式为：

式中：

v——水的运动粘度，20 ℃时取（1.006×10-6）m/s2。

局部压力损失计算公式为：

式中：

ζ——局部阻力系数系数；

v——局部液体流速，m/s。

3.3 喷头射程

水泵输出的实际流量Q经过管路后最终从喷头射出时，喷头出口处的水流流速v0为：

式中：

Q——水泵输出的实际流量，L/min；

A——喷头出口处的面积，m2。

忽略空气阻力影响的前提下，喷头喷射水本质上是水流束从喷头出口处以v0的初速度做抛物运动，如图7 所示。

图7 抛物运动轨迹

根据抛物运动理论得喷头射程计算公式为：

式中：

θ——喷头出口与水平线夹角，°。

4 洒水作业性能计算方法

通过上述分析可知，由于离心水泵具有H-Q特性，水泵出口处的阻力扬程的大小决定水泵实际输出流量，因此计算洒水作业性能时应先计算水泵实际流量Q，再根据水泵实际流量计算洒水作业性能，即洒水作业性能计算流程如图8 所示。

图8 洒水作业性能计算流程

4.1 水泵实际流量计算

通过上述分析可知，水泵输出的流量经过管路（包括各类管道，阀门及喷头）产生的压力损失ΔP与水流流速v相关，因此，水泵实际流量计算步骤如下：

（1）预设水泵流量Q0；

（2）根据Q0计算管路中的压力损失ΔP（沿程压力损失和局部压力损失之和）；

（3）将压力损失ΔP根据公式（2）折算为水泵的阻力扬程H；

（4）将折算的水泵阻力扬程H根据水泵H-Q特性曲线，得出对应的水泵实际输出流量Q；

（5）对比初设水泵流量Q0与水泵实际输出流量Q。当Q0=Q时，水泵实际输出流量为Q；当Q0≠Q时，返回第（1）步重新设置水泵流量Q0的数值，重新开始计算，直至Q0=Q为止。

水泵实际流量计算流程如图9 所示。

图9 水泵实际流量计算流程

局部阻力系数ζ是计算管路压力损失中非常重要的参数。管路中的局部阻力系数与管路型式和类型相关。

4.2 洒水作业性能计算

计算洒水宽度时，先计算水流经过前冲与后洒管路后，水泵的实际输出流量Q，然后代入公式（8）（9）中计算前冲喷头射程Sq，后洒喷头射程Sh。左、右前冲喷头的距离为Lq，左、右后洒喷头的距离为Lh，则前冲洒宽Bq，后洒洒宽Bh分别为：

洒水车整车洒宽为：

计算水炮射程时，先计算水流经过水炮管路后，水泵的实际输出流量Q，然后代入式（8）（9）中计算，得出水炮射程Ss。计算时取喷头出口与水平线夹角θ=45°。

洒水量与车速、洒宽B、水泵流量Q的关系为：

式中：

q——洒水量，L/m2；

ua——车辆行驶速度，km/h。

5 理论计算与试验对比

对某款洒水车进行洒水宽度、水炮射程、洒水量的理论计算，并进行相应的试验。理论计算与试验结果对比如表2所示。

表2 理论计算与实测结果对比

通过理论计算与试验对比分析，洒宽、水炮射程、洒水量的理论计算与实测数值误差小于6%。

6 结论

（1）洒水车自吸式离心水泵具有H-Q特性，即在水泵转速恒定的情况下，水泵的实际输出流量Q由水泵出口阻力扬程H决定；

（2）水泵实际输出流量Q的计算需经过多轮次的反复计算，直至Q0=Q，或者｜Q0-Q｜≤ΔQ，ΔQ为可接受的最大误差值；

（3）忽略空气阻力影响的条件下，喷头喷射水本质上是水流束从喷头出口处以初速度v0，水平夹角θ做抛物运动；

（4）通过理论计算与试验结果对比分析，所建立的洒水车作业性能计算方法具有较高的准确度，对实际工程应用有一定的指导意义。