灑水車作業性能計算方法研究

姜 偉，李 銘，白子龍

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

引言

灑水車作為環境凈化的重要設備，廣泛應用于道路沖洗，綠化噴灑，降塵降溫，應急消防等工況，在城市以及貨運港口、工地、大型廠礦企業、隧道建設等區域隨處可見。隨著我國經濟不斷發展，人們保護意識不斷提高，灑水車的銷量逐年增高，對智能化、多功能的灑水車產品需求也越來越多[1-2]。水路系統作為灑水車核心總成直接決定了產品的作業性能，因此，本文基于流體力學理論和拋物運動理論，結合試驗驗證，建立灑水作業性能計算方法，對灑水車水路系統設計具有一定的指導意義。

1 灑水作業工作原理

灑水車由載貨車底盤、水罐、水路系統、取力傳動機構、電氣控制系統、氣動控制系統和后操縱平臺等部分組成[3]，如圖1 所示。

圖1 灑水車

灑水車水路系統主要包括水罐、水泵、管路、氣動切斷閥、球閥、前沖、后灑、側沖、水炮等，如圖2 所示。

圖2 灑水作業工作原理

水泵一般為自吸式離心水泵，動力源一般為發動機或電機，如圖3 所示。其工作原理為：水泵內部的葉輪快速轉動，促使水快速旋轉，在離心力的作用下從葉輪中飛出，輸出水流。

圖3 自吸式離心水泵

水路系統通過氣動切斷閥或球閥控制各個噴頭的開關，如圖4 所示。

圖4 氣動切斷閥

一般情況下，沖為鴨嘴噴頭，后灑為灑水陀、側沖為三彎沖槍，如圖5 所示。

圖5 灑水車常用噴頭

2 灑水作業性能基本參數

灑水車應能完成路面沖洗、灑水、水柱沖洗三個最基本的作業功能，作業性能基本參數包括：沖洗寬度、灑水寬度、灑水量、沖洗射程等。

沖洗寬度為灑水車水泵處于額定轉速進行路面行駛沖洗作業時，單次能達到的最大有效、連續作業面的寬度。

灑水寬度為灑水車水泵處于額定轉速進行路面灑水作業時，所噴出的均勻、連貫灑水面的最大寬度。

灑水量為灑水車水泵處于額定轉速進行路面灑水作業時，單位面積噴灑的水量。

沖洗射程為水柱沖洗（即水炮）水流達到的最遠水平距離。

《QC/T 54 灑水車》標準規范了灑水車灑水性能基本參數，如表1 所示。

表1 灑水作業性能基本參數

3 灑水作業理論分析

3.1 水泵

在水泵轉速固定不變的情況下，水泵揚程H與泵出流量Q的關系為H-Q特性曲線[4]，即：

水泵通過試驗可得到H-Q特性的離散數據，并采用一元二次多項式或者一元三次多項式進行擬合就可得出H-Q特性曲線。如圖6 所示為某型號水泵在額定轉速n下的H-Q試驗數據及擬合后的曲線。

圖6 某水泵揚程H 流量Q 特性

從通過水泵H-Q特性曲線可以看出，在水泵轉速固定的情況下，水泵的實際輸出流量Q主要由水泵出口阻力揚程H決定。

3.2 管路

水泵輸出的流量經過各類管道，閥門及噴頭后會產生壓力損失ΔP，即為水泵的阻力揚程H，其關系式為：

式中：

ρ——水的密度，1 000 kg/m3；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

根據流體力學理論，管路中總的壓力損失ΔP為各段直段的沿程壓力損失ΔPf與各個接頭、閥門、噴頭等的局部壓力損失ΔPr之和[5]，即：

沿程壓力損失計算公式：

式中：

λ——沿程阻力系數；

d——管道內徑，m；

l——管道長度，m；

v——管內液體平均流速，m/s。

沿程阻力系數λ與管道內部光滑程度，以及水在管道內的流動狀態有關。對于灑水車管路來說，一般取沿程阻力系數為：

其中Re為雷諾數，計算公式為：

式中：

v——水的運動粘度，20 ℃時取（1.006×10-6）m/s2。

局部壓力損失計算公式為：

式中：

ζ——局部阻力系數系數；

v——局部液體流速，m/s。

3.3 噴頭射程

水泵輸出的實際流量Q經過管路后最終從噴頭射出時，噴頭出口處的水流流速v0為：

式中：

Q——水泵輸出的實際流量，L/min；

A——噴頭出口處的面積，m2。

忽略空氣阻力影響的前提下，噴頭噴射水本質上是水流束從噴頭出口處以v0的初速度做拋物運動，如圖7 所示。

圖7 拋物運動軌跡

根據拋物運動理論得噴頭射程計算公式為：

式中：

θ——噴頭出口與水平線夾角，°。

4 灑水作業性能計算方法

通過上述分析可知，由于離心水泵具有H-Q特性，水泵出口處的阻力揚程的大小決定水泵實際輸出流量，因此計算灑水作業性能時應先計算水泵實際流量Q，再根據水泵實際流量計算灑水作業性能，即灑水作業性能計算流程如圖8 所示。

圖8 灑水作業性能計算流程

4.1 水泵實際流量計算

通過上述分析可知，水泵輸出的流量經過管路（包括各類管道，閥門及噴頭）產生的壓力損失ΔP與水流流速v相關，因此，水泵實際流量計算步驟如下：

（1）預設水泵流量Q0；

（2）根據Q0計算管路中的壓力損失ΔP（沿程壓力損失和局部壓力損失之和）；

（3）將壓力損失ΔP根據公式（2）折算為水泵的阻力揚程H；

（4）將折算的水泵阻力揚程H根據水泵H-Q特性曲線，得出對應的水泵實際輸出流量Q；

（5）對比初設水泵流量Q0與水泵實際輸出流量Q。當Q0=Q時，水泵實際輸出流量為Q；當Q0≠Q時，返回第（1）步重新設置水泵流量Q0的數值，重新開始計算，直至Q0=Q為止。

水泵實際流量計算流程如圖9 所示。

圖9 水泵實際流量計算流程

局部阻力系數ζ是計算管路壓力損失中非常重要的參數。管路中的局部阻力系數與管路型式和類型相關。

4.2 灑水作業性能計算

計算灑水寬度時，先計算水流經過前沖與后灑管路后，水泵的實際輸出流量Q，然后代入公式（8）（9）中計算前沖噴頭射程Sq，后灑噴頭射程Sh。左、右前沖噴頭的距離為Lq，左、右后灑噴頭的距離為Lh，則前沖灑寬Bq，后灑灑寬Bh分別為：

灑水車整車灑寬為：

計算水炮射程時，先計算水流經過水炮管路后，水泵的實際輸出流量Q，然后代入式（8）（9）中計算，得出水炮射程Ss。計算時取噴頭出口與水平線夾角θ=45°。

灑水量與車速、灑寬B、水泵流量Q的關系為：

式中：

q——灑水量，L/m2；

ua——車輛行駛速度，km/h。

5 理論計算與試驗對比

對某款灑水車進行灑水寬度、水炮射程、灑水量的理論計算，并進行相應的試驗。理論計算與試驗結果對比如表2所示。

表2 理論計算與實測結果對比

通過理論計算與試驗對比分析，灑寬、水炮射程、灑水量的理論計算與實測數值誤差小于6%。

6 結論

（1）灑水車自吸式離心水泵具有H-Q特性，即在水泵轉速恒定的情況下，水泵的實際輸出流量Q由水泵出口阻力揚程H決定；

（2）水泵實際輸出流量Q的計算需經過多輪次的反復計算，直至Q0=Q，或者｜Q0-Q｜≤ΔQ，ΔQ為可接受的最大誤差值；

（3）忽略空氣阻力影響的條件下，噴頭噴射水本質上是水流束從噴頭出口處以初速度v0，水平夾角θ做拋物運動；

（4）通過理論計算與試驗結果對比分析，所建立的灑水車作業性能計算方法具有較高的準確度，對實際工程應用有一定的指導意義。