单发抑尘车及其动力系统的设计研究

摘要：主要介绍了单发抑尘车的总体设计及其动力系统的设计，特别阐述了动力匹配和液压系统的设计，同时设计了一款性能及质量更加可靠、经济性更高、维护更加便捷，且更加环保的抑尘车产品，为新一代节能环保型抑尘车的设计提供参考依据。

关键词：单发；抑尘车；液压；环保

中图分类号：U462  收稿日期：2023-02-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.011

1 前言

抑尘车可起到降尘压尘、净化空气的作用，随着现代城市建设对空气质量的日趋重视，抑尘车的需求也越来越大。目前，国内抑尘车系列车型大部分采用主副两个发动机，主发动机保证车辆行驶，副发动机为上装提供动力，这种设计可使底盘行驶和上装喷雾作业互不干扰，各自独立作业，但同时两个发动机的设置使故障率增加，使用及维护成本高，油耗大，尾气排放大等，因此研发单发抑尘车具有重要意义［1］。

本文研究一种单发抑尘车，整车只有一个底盘主发动机，利用底盘变速箱的侧取力器驱动液压系统，进而通过液压马达驱动上装雾炮，整车布置简单，同时因为没有设置副发动机，使得整车可靠性大幅提升，使用及维护成本更低，作业排放更小。该车采用带分动箱的低压水泵（同时具有分动箱和低压水泵），具有洒水和喷雾两种作业模式。当为洒水模式时，低压水泵与底盘同步运转，洒水效果与发动机转速相关；当为喷雾模式时，其雾炮机叶轮采用液压马达驱动，并通过上装车载移动控制器控制柱塞变量泵的流量输出来控制雾炮机叶轮的转速，从而保证叶轮转速稳定在一定的范围内，保证喷雾作业正常进行，单发抑尘车与双发抑尘车洒水和喷雾作业性能相当。大力推广燃油单发抑尘车对于减少由汽车尾气排放造成的环境污染及降低用户使用成本有较大意义，因此无论从产品的经济性和环保性方面，在相同性能的前提下燃油单发抑尘车与传统双发抑尘车相比具有明显的优势，市场潜力巨大［2］。

2 整车布置及技术指标设定

2.1 整车布置

单发抑尘车的总体布置主要包括底盘、罐体、雾炮机、后平台、低压水路系统、气路系统、液压系统、电控系统、护栏、后保险杠等附属件。图1为单发抑尘车的总体布置简图。上装前半部分为罐体，用于装清水，此处单发抑尘车的罐体相比带副发抑尘车的罐体容积更大，意味着可持续作业的时间更长；后半部分设置有一个后平台，用于放置喷雾机总成，并提供操作维修人员的活动空间；雾炮机总成又包括雾炮机、旋转升降机构及其底架，并通过底架固定在汽车底盘上，雾炮机自身上下左右动作的动力均从底盘取力驱动[3-5]。

整车定位为喷雾降尘设备。整车总质量为18 t，作业噪声低，喷雾能力强，外形美观，总体性能达到国内领先水平。整车主要功能为喷雾降尘，同时兼有路面洒水、冲洗功能。工作装置采用100 m雾炮机和低压水路系统，喷雾射程远，路面清洗能力强，保证整车有良好的作业效果。选用价格适中、性能稳定的二类汽车底盘，排放符合国六排放的环保要求［3-4］。

2.2 技术指标设定

整车主要性能指标要求：喷雾水平射程≥100 m；喷雾射高≥40 m；风筒俯仰角-10°～60°；风筒水平旋转角度为±90°；喷雾压力≥1.0 MPa；作业噪声≤85 dB；作业燃油消耗量≤20 L/min；作业行车速度5～15 km/h［7］。

3 工作原理

为实现节能降耗，整车利用底盘发动机作为上装动力源，通过底盘侧取力器驱动带分动箱的低压水泵（分动箱与低压水泵为一体式设计），通过低压水泵的分动端驱动柱塞变量泵，柱塞变量泵驱动雾炮液压马达旋转进而带动雾炮叶轮工作，通过低压水泵为雾炮机提供喷雾水源，100 m雾炮机的叶轮采用液压马达驱动，雾炮举升采用动力单元驱动，雾炮旋转采用24 V电驱回转驱动。整车配置低压水路系统，洒水与喷雾共用一个低压水泵，喷雾抑尘作业时采用控制器控制，具体动力传递路线图见图2。与传统双发抑尘车相比，无需单独发电机组或者副发动机提供动力，降低整车成本，减少整备质量及降低作业噪声［5］。

低压水路喷洒的液体常规状态为清水，清水的输送装置采用带分动箱的低压水泵，该水泵为自吸式离心水泵，因在抑尘喷雾作业时输送的清水中会添加一定比例的液体抑尘剂，而液体抑尘剂具有微碱性，所以水泵选型时选取过流部件采用不锈钢材质的低压水泵。低压水路系统有两种作业模式，分别为洒水模式和喷雾模式，两种模式根据作业场所需求由车辆驾驶员通过操作控制面板上的开关进行切换，切换开关通过电信号控制水路切断阀的电磁气阀的通断，进而实现对应喷洒装置的开与闭。低压水路系统的喷洒装置包含洒水装置和喷雾装置，洒水装置主要包括前洒水、中侧冲、后洒水等装置，喷雾装置为喷雾机风筒出风口处的喷嘴。当切换为洒水作业模式时，水泵主要为洒水装置提供带压力的清水，当切换为喷雾模式时，洒水作业停止，水路主要供应喷雾机喷雾作业［6］。

4 控制方法

本单发抑尘车的电控系统采用车载移动控制器进行统一控制，实现电控系统集成化，提高车辆控制精度及可靠性，同时大幅度减少电气元件的类别和数量，而在这个产品中，电控系统的主要作用不仅在于控制作业中的各个动作，还在于控制液压系统变量泵流量的平稳输出。

当为洒水作业模式时，分动箱切断变量泵端的动力输出，此时只有洒水泵在作业，由于水泵与底盘侧取力器为传动轴直连，其流量输出随操作人员控制的油门大小而变化，发动机转速高则喷水流量大效果较好，发动机转速低的时候喷水流量小效果较差；当为喷雾作业模式时，低压水泵和变量泵同时运转，变量泵驱动雾炮叶轮马达运转，而低压水泵则提供雾炮机所需的压力水，压力水经喷头喷出后被雾化，叶轮产生的高速气流将这些水雾输送到远处，从而达到降尘抑尘的目的。

由于车辆行驶作业时发动机转速会出现变化，为了使雾炮叶轮的转速始终维持在一定范围内，控制器采用动态控制的方法：首先设定变量泵的初始开度，控制器按一定频率采集叶轮转速；当喷雾模式启动后，如果控制器检测到叶轮转速小于预设定的转速范围，则按一定步长持续加大开度，直至叶轮转速在设定的转速范围内，则变量泵停止加大开度并保持不变；如果控制器检测到叶轮转速已超出设定的转速范圍，则采用同样的方法持续减小开度至转速在设定的范围内；也可通过底盘PTO远程油门或定速巡航功能对底盘发动机转速实现定转速，此时变量泵输出流量稳定，可实现喷雾机的持续稳定的喷雾作业；如果此时操作人员进行底盘挂挡等操作，导致叶轮转速骤降，当再次加油门时，控制器会根据叶轮的实际转速来控制变量泵的开度，避免变量泵开度与叶轮转速差异过大。为便于操作及人性化设计，该车将雾炮叶轮的工作转速分成“标准”和“加强”两种模式，标准模式转速设定为1 350 r/min，加强模式转速设定为1 500 r/min，两种模式均按以上逻辑运行。

5 动力系统设计

5.1 底盘动力匹配设计

根据技术路线，整车的底盘行驶及上装工作均利用底盘发动机作为动力源，上装工作执行装置包含雾炮机叶轮和带分动箱的低压水泵，上装工作执行装置的动力源通过底盘发动机输出动力到变速箱侧取力器处，此时将根据底盘发动机外特性参数进行选取车辆喷雾作业时发动机的工作转速，同时需对侧取力器选型设计，保证取力器的输出功率及扭矩满足上装负载要求：

a.结合雾炮叶轮工作时的负载，充分考虑底盘取力器的扭矩满足工作要求，设计时通过提高取力器输入转速可降低取力器的工作扭矩，所以预选取底盘发动机工作转速为n发，此时对应的发动机输出功率为P发，扭矩为T发。根据底盘变速箱各前进档传动比i和后桥主减速比i，验证底盘发动机在该工作转速下，轮胎滚动半径R，通过计算，验证了底盘发动机在该工作转速下，1挡至3挡的各挡作业速度v满足5～15 km/h的作业要求。

b.考虑到驾驶行车喷雾作业时可以行车换挡，故选用摩擦片取力器，同时为了降低取力器输出扭矩，故设计时采用增速的摩擦片式侧取力器，具体速比值n依据液压柱塞泵的工作转速进行选取。

5.2 液压选型计算分析

已知条件：雾炮叶轮的额定运转功率Py，最高工作转速ny，雾炮工作需转速0～ny范围内无极调速；正常工作时底盘发动机工作转速n发（PTO定转速工作），对应发动机输出功率P发和扭矩T发。根据以上已知条件选取摩擦片式侧取力器为速比i取，取力器的机械效率为[η]取，选取低压水泵的分动箱速比为i分，低压水泵分动箱的机械效率为[η分j]，则计算出柱塞泵的工作转速为nb。

根据以上已知条件要求，出于经济性及液压系统散热性能考虑，优先选用开式变量系统，具体选取的柱塞泵和柱塞马达的已知参数分别如表1和表2所示。

根据以上已知条件，柱塞马达的排量选择为Vm，作业时雾炮叶轮的最高转速为ny，因此当叶轮驱动马达工作压力为[py]时，计算出马达的理论输出功率Pm和扭矩Tm[1-2]：

[Pm=（pyqm/600）ηm总]

[Tm=9 550Pmnm]

雾炮叶轮实际所需的驱动扭矩为：

[Ty=9 550Pyny]

根据以上计算出：[Pm]＞[Py]，[Tm]＞[Ty]，故马达输出功率和扭矩可以满足驱动叶轮的要求，故柱塞马达选用排量选用[Vm]的符合要求。

雾炮喷雾作业时（柱塞泵的工作转速[nb]）；柱塞泵的实际排量为[Vbc]，根据以下公式计算出[Vbc]：

[nbVbcηbrηmr=nmVm]

计算结果得出：[Vbc]＜[Vb]，故柱塞泵的排量选用[Vb]符合要求。

此时柱塞泵的输出流量：

[qbc=Vbcnbηbr/1 000]

[Pbc=pyqbcηbj/600]

此时柱塞泵所需的最大输入功率[Pbr]：

[Pbr=Pbc/ηb总]

选取雾炮喷雾作业时，低压水泵工作转速为n水泵，根据实际试验验证低压水泵在n水泵转速下工作时，所需求的驱动功率为P水泵，则要求发动机的输出功率为：

[P发出=P水泵/η取+Pbr/η分j/η取]

根据计算得出：[P发出]＜[P发]，底盘发动机工作转速为[n发]时，发动机输出功率满足要求。

取力器的输入工作扭矩：

[T取入=P发出×9 550/n发]

取力器的输出工作扭矩：[T取出=T取出/i取]，按选取摩擦片取力器的安全系数为0.8，则要求取力器的设计上的工作扭矩[T取≥T取出/0.8]。

本单发抑尘车的主要液压元件选型设计还包括液压油箱设计、雾炮叶轮停机缓冲装置设计和液压散热系统设计。基于液压系统的供油需求，本单发抑尘车设计采用一体式油箱，油箱主体采用双隔板结构分为三部分，左右两侧为出油区，中间部分为回油区，起着沉淀杂质、释放油液中混入的气体，以及中和油温的作用，该一体式油箱总体结构尺寸小，其所需安装空间小，结构更为紧凑。为防止雾炮叶轮停止时由于惯性旋转导致的液压制动，在液压回路中设置了补油阀，通过补油阀的补油作用，使风机能够平稳地停止，减小液压冲击。本单发抑尘车的液压系统总功率较大，相应的发热量较多，基于液压系统发热、散热平衡需求及开式系统散热较好，选择采用水冷散热方式，选用质量可靠的筒式水冷却器，结构较为紧凑，散热效率高，有效利用了水泵的水循环来降温，确保了液压系统的稳定性和可靠性。

通过以上计算过程的反复核算，可选出合适的主要液压零部件，如变量泵、集成块、溢流阀、柱塞马达等，并定出合适的底盘工作转速。该液压系统通过变量柱塞泵直接单一地驱动风机叶轮马达，原理简单、工作部件少，可有效保证整车的可靠性，不仅制造成本低，而且维护特别方便，能有效提高作业效率。

6 其他系统设计

其他系统包括雾炮机、低压洒水系统、罐体、后平台、气路系统、电控系统、护栏、后保险杠及灯具等。

雾炮机选型采用100 m喷雾水平射程的液压驱动雾炮机，喷雾射高≥40 m，风筒的俯仰角-10°～60°，采用尼龙复合材料的单叶轮结构，风筒举升采用双油缸结构，风筒出风口设计双环喷圈，喷圈均匀分布100个喷雾喷嘴，雾炮机叶轮的驱动功率设计控制在40 kW以内，叶轮的最大工作转速1 500 r/min。

低压洒水系统主要包括低压洒水泵位置选定并固定，水泵进水管道及水泵出水口至各个洒水装置的管路设计，低压洒水泵及管道设计排水阀门，防止冬季因管道或者洒水泵中因残留清水导致结冰冻坏相应的装置，低压洒水系统与常规洒水车基本一致，设计时参照洒水车行业标准设计即可。

罐体整体参照洒水车行业标准进行设计，采用普通Q235材质，罐体内部设置防波板，侧面围板和前后封板采用平板压筋结构设计，顶部设计人孔，便于罐体制作工人进出及罐体检修，罐体后封板处及顶部人孔附近设计爬梯，便于操作人员上下罐体；罐体后部设计后平台，后平台主要用于固定霧炮机，平台周边设计围栏。

气路系统和电控系统均为以上所述的主要部分提供辅助支持，为常规设计。气路系统利用底盘的气源，主要通过电磁气阀实现低压水泵中分动箱的结合与分离、低压水路系统中水路切断阀的开启与关闭，主要元件包含气控箱总成、三联件、单向顺序阀；电控系统包括控制器、电控箱、电控线束及其他电子元器件。

其余后保险杠、护栏及灯具等参照相关的国家标准进行设计。整车通过三维模拟进行配重，使得前后轴荷在空载及满载情况下始终处于底盘承载的范围内。

7 结语

通过以上对单发抑尘车的整车结构、技术路线、动力系统的设计研究，并通过实际产品的实验验证，该产品广泛适用于治理城市街道、公园、工矿企业、煤场、货运码头及房屋拆迁等地点的空气污染，具有喷雾抑尘、降温、农林节水灌溉、喷药消杀、消防等功能，同时又能够对路面进行洒水、清洗，实现路面保洁的功能。该产品不仅质量可靠、性能优越，而且具有整车成本更低、维护更加便捷、更加环保的特点。随着新技术、新装备的不断涌现和应用，相信未来抑尘车的功能将越来越完善，性能也将越来越优越。

参考文献：

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册（第4卷）[M].3版.北京：机械工业出版社，2004.

[2]陆敏恂.流体力学与液压传动[M].上海：同济大学出版社，2006.

[3]徐达，蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[4]张春林.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]黄荣明.一种智能化多功能抑尘车[J].机电技术，2017（1）：5-7.

[6]周振峰.抑尘车液压系统控制策略浅析[J].建设机械设计与管理，2017，34（3）：104-106.

[7]QC/T1116-2019，抑尘车[S].

作者简介：

赖泳湘，男，1987年生，工程师，研究方向为环卫车产品研发、技术管理。