一種經濟型抑塵車的設計研究

摘要：設計研究了一種經濟型抑塵車，該抑塵車具有噴霧和灑水功能，主要通過副發直驅式霧炮機和無電氣控系統實現動力系統的高效傳輸以及控制系統的高可靠性，并由此實現整車成本的大幅降低，從根本上解決了傳統霧炮機制造成本高、能耗大、可靠性低等問題。

關鍵詞：抑塵車；霧炮機；直驅；無電氣控

中圖分類號：U462" 收稿日期：2023-09-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.012

1 前言

國內現有的抑塵車普遍采用高壓電驅動的技術路線，即采用發電機組發電，再通過三相電機驅動風機葉片或者水泵，或者采用液壓驅動的技術路線，即采用副發動機驅動齒輪泵，再將動力傳遞給液壓馬達，由液壓馬達驅動風機葉片或者水泵，如圖1所示。然而，以上兩種驅動方式結構復雜、控制繁瑣，高壓電驅動路線需要配置昂貴的變頻器或者車載電機控制器，并且高壓供電的模式始終存在較大的安全隱患。與此同時，目前車載變頻器的故障率普遍較高，維護難度大，后期電器元件維護成本也特別高［1］；而液壓驅動路線則因為霧炮機要求功率大、速度快，對液壓元器件的要求高，同時液壓驅動的動力傳遞效率低。此外，傳統的控制系統均采用電控氣動的模式，排查故障的難度極大。綜合來看，傳統抑塵車均存在造價高、使用成本高、故障率高、維護困難等缺點，基于以上問題，本文研究一種采用副發直驅式霧炮機和無電控制系統的抑塵車。

圖1中001～008表示的部件如下：二類底盤（001）、發電機組（002）、副發動機和齒輪泵（003）、動力艙（004）、老款水箱（005）、高壓水泵/電機/電機控制器組合（006）、霧炮機（007）、高壓水泵/液壓馬達/液壓閥組組合（008）。

2 整體結構設計

區別于傳統抑塵車，采用副發直驅式霧炮機的抑塵車結構更加簡單，如圖2所示，采用副發直驅式霧炮機的抑塵車結構，噴霧功能只需要一個副發直驅式霧炮機就可以實現，無需再設置動力艙、發電機組、電機及其控制器，或者齒輪泵、液壓馬達及其閥組等，因此整車的載質量和水箱容積也得到大幅提升。

選取底盤時，可通過三維模擬的方法預估上裝質量，并綜合考慮載水質量（由噴霧機流量和作業時間需求得出所需水的質量）得出所需的整車載質量來選取合適的底盤，這里擬采用東風商用DFH1180EX8二類底盤，最大總質量18 000 kg，前軸最大允許軸荷6 500 kg，后軸最大允許軸荷11 500 kg，采用D6.7NS6B230康明斯發動機，軸距5 000 mm。

圖2中101～107表示的部件如下：前鴨嘴（101）、控制盒（102）、灑水泵（103）、中側沖（104）、水箱（105）、霧炮機（106）、后澆花（107）。

整車結構設計需考慮兩個方面：a.應能滿足車輛的功能需求；b.滿足國家的標準要求。在功能上，該車最大的空間需求為水罐，水罐的大小直接關系到車輛的持續作業能力，當然需結合整車總質量的要求進行設計。根據傳統的設計經驗，水罐布置在底盤前后軸中間位置，而霧炮機則設置在水罐后方，便于向后的噴霧作業；底盤取力口在發動機左后側，因此灑水車泵設置底盤大梁左側，采用傳動軸直連，前鴨嘴、中側沖、后灑水則分別設置在車輛底部空間的前中后位置。在國家標準上，其外廓尺寸、總質量以及前后軸荷應分別符合GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》的相關要求，這里特別要注意的是前后軸荷的校核，在初步建好模型的情況下，可按如下方法進行：

a.采用實際稱重的方式，得出底盤的前后軸荷，分別為[M底前]和[M底后]。

b.采用三維模擬的方式，得出上裝在前后軸的重量分布，分別為[M上裝前]和[M上裝后]。

c.同樣采用三維模擬的方式，得出清水的前后軸重量分布，分別為[M水前]和[M水后]。

d.分別求出前后軸荷：前軸荷=[M底前]+[M上裝前]+[M水前]，后軸荷=[M底后]+[M上裝后]+[M水后]，應能分別滿足GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》中的相關要求，并能同時滿足底盤本身的軸荷要求（分別為6 500 kg和11 500 kg）。

需要強調的是，以上方法（包括整車所有零部件的選取）是一個反復驗證的過程，直到符合要求為止。

2 副發直驅式霧炮機設計

2.1 結構設計

霧炮機作為該車最為主要的功能部件，是本次設計的核心。區別于以往動力通過電或液壓間接傳動的方式，該直驅式霧炮機直接將副發動機置于霧炮機的平臺上，如圖3所示，整個霧炮機設置在一個轉盤上，轉盤內圈與車輛后平臺固定連接，轉盤外圈與上方的霧炮機連接，并通過轉盤自帶的電驅動功能實現霧炮機整體的旋轉。通過動力單元驅動液壓油缸實現風筒的上下旋轉，高壓水泵設置在副發動機旁邊，與副發動機輸出軸通過皮帶連接。在風筒內，設置有一個十字轉向器，其輸出軸與風機葉片連接，輸入軸則穿到風筒側面與副發之間通過皮帶傳動連接。同時，風筒上下運動的轉動中心設置成與十字轉軸輸入軸同軸，如此便可實現風筒轉動時，不會影響到十字轉向器和副發之間的皮帶傳動連接。通過以上設置，副發動機、水泵以及十字軸之間實現了相對固定的連接，它們同時跟隨霧炮機左右旋轉，并不會受到風筒上下轉動的影響。

圖3中的201～228表示的部件如下：保護罩（201）、行程開關（202）、高壓水泵（203）、氣動離合皮帶輪（204）、噴霧機固定架（205）、噴霧機（206）、霧炮機皮帶（207）、噴霧機皮帶輪（208）、換向齒輪箱輸入軸（209）、液壓油缸（210）、噴嘴（211）、外噴圈（212）、內噴圈（213）、高壓管路（214）、副發動機（215）、動力單元（216）、離心離合皮帶輪（217）、接近開關感應板（218）、接近開關（219）、轉盤外圈（220）、行程開關感應板（221）、水泵皮帶（222）、轉盤內圈（223）、固定拉桿（224）、換向齒輪箱（225）、軸承座（226）、風機葉輪（227）、泵皮帶輪（228）。

2.2 功能參數設定

根據現有市場需求設定霧炮機的射程為100 m（目前市場上的主流射程規格分為30 m、60 m、80 m、100 m、120 m），采用傳統的風筒和葉片，由經驗可知葉片的額定轉速為1 450 r/min，通過模擬和樣機實測，此實風機所需額定功率為37 kW，水泵流量應在110 L/min以上，噴霧水壓應大于等于2 MPa，才能滿足實際射程需求。此時假設十字轉向器的速比為1∶1，則此處輸入扭矩可通過以下方式算出：

[T轉向機=P風機×9 550N=243.7 N·m]

式中，[T轉向機]為轉向機輸入扭矩，N·m；[P風機]為風機所需額定功率，kW。

2.3 十字轉向器選型

十字轉向器是實現副發直驅的關鍵零部件之一，它的性能需能滿足風機的長時間工作需求，這里擬采用某品牌的十字轉向器，其選型如表1所示，我們需要的是1進1出的1橫軸型式，并且采用T8型轉向器，其額定轉速為1 450 r/min，最大傳輸扭矩為294 N·m，最大功率為45.6 kW，分別大于風機的額定功率和輸入扭矩，符合設計使用需求。

2.4 水泵選型

根據以上流量的要求，假設采用品孚系列高壓水泵，相應的選型如表2所示，擬采用PT36型高壓水泵，當轉速為1 450 r/min時，其額定流量為115 L/min，符合功能需求，而當壓力為2 MPa時，其功率可通過下式算出：

[P水泵=QP/50=4.6 kW]

式中，[P水泵]為水泵輸入功率，kW；Q為水泵額定流量，L/min；P為水泵工作壓力，MPa。

2.5 副發動機選型

副發動機要同時滿足風機和高壓水泵的功率需求，兩者功率之和為：

[P副發=P風機+P水泵=41.6 kW]

根據功率需求，擬采用江鈴國三非道路發動機4JB1-TCH/ISUZU系列，其最大功率為68 kW，最大扭矩[Tmax=248 N·m]，相關參數如圖4所示。由圖中可知，當發動機轉速為2 100 r/min時，達到最大扭矩，輸出功率為55 kW，且在最經濟的轉速范圍內，符合設計需求。接下去對其功率進行校核。

額定工況下，[T副發輸出=P副發×9 550N=189 N·mlt;Tmax=248N·m]，符合設計需求。

式中，[T副發輸出]為副發動機的實際輸出扭矩；[P副發]為副發動機的實際輸出功率。

2.6 帶傳動設計

由以上可知，副發與風機之間的轉動比為[n風機：n副發]=1∶1.45，轉速1 450 r/min，假設小帶輪的直徑為260 mm，則大帶輪直徑為377 mm，通過查詢機械手冊可知，宜采用C型帶，單根皮帶的傳遞功率為10 kW，因此需要四根皮帶；相反的，副發與水泵之間速比為1.45∶1，水泵端的帶輪直徑為260 mm，采用1根C型帶［2］。

3 低壓及高壓水路設計

低壓水路系統包括低壓水泵、前鴨嘴、中側沖、后灑水以及后高炮等裝置，其動力通過傳動軸從底盤取力器口取力，啟動后從水箱吸入清水，再將壓力水通過管路分別輸送到工作裝置，高壓水路包括前文提到的高壓水泵、溢流閥及其相關管路等［3］，其工作原理如圖5所示。

4 控制系統設計

控制系統主要分為低壓水路控制系統和高壓噴霧水路控制系統，以及副發控制系統。區別于傳統抑塵車采用控制器控制，這里主要用的是手拉閥，實現了無電介入的氣控系統，最大程度地節約了制造和維護成本，并有效提升可靠性。

4.1 低壓灑水部分

低壓灑水泵通過傳動軸從底盤取力器取力，啟動后從水箱吸入清水，再將壓力水通過低壓管路分別輸送到工作裝置：前灑水噴頭、側沖噴頭以及后花灑噴頭處，而以上三種工作裝置分別通過氣控球閥進行通斷控制，并且在管路中間設置有卸荷球閥，以防止長久憋壓造成水泵損壞，而駕駛室操控部分則采用氣控手拉閥?？刂撇糠种?，將底盤氣源分別接入前灑水、中側沖、后花灑的氣控手拉閥，氣控手拉閥有兩個輸出端，分別接入對應的氣控球閥兩個輸入端，因此只要切換氣控手拉閥的輸出方向，便可控制球閥的通斷。有別于以上氣控球閥，卸荷球閥為常開狀態，只有一個氣源輸入端，有氣源輸入時為閉合狀態，而該氣源輸入端又同時與以上六個動作的開啟端氣源相通，因此，當6個動作均為關閉時，卸荷球閥就處于開啟狀態，水泵處于回水狀態，可有效保護水泵，而只要6個動作中的一個或者多個動作開啟，卸荷球閥就會關閉，保證作業裝置中水的流量壓力輸出。相比傳統的電控控制方法，該方法僅采用氣路系統便實現了控制，節約了制造成本，同時又使整個系統更加可靠。

4.2 高壓噴霧部分

該部分高壓水泵的驅動方式已在上文詳細講述，需要補充的是，高壓水泵出水口處設置有溢流閥，可保持管路中壓力恒定，對水泵起到保護作用，同時水箱的低液位處設置有液位報警器。當高壓水泵工作時，從水箱吸入清水，并將壓力水輸出到噴霧機上。其控制分為兩個部分：一個是水泵的控制，其通過電控氣動的方法，首先將電控開關信號（即通斷信號）發送到氣動閥組，線路中間串接一個常閉繼電器，電信號經過氣動閥組后轉換為氣動信號控制高壓水泵的氣動離合器的分離和結合，此外，液位報警器的電信號接到繼電器處，當水箱水位偏低時，液位報警器發送電信號到繼電器處，使繼電器處于開的狀態，實現高壓水泵的氣動離合器強制分離，起到防止高壓水泵干磨燒損的作用；另一部分為副發動機的控制，由于發動機為帶負載啟動，因此在啟動時，必須使轉速為慢慢提升，當此處的副發動機為帶遠程油門控制方式時，便可采用電信號控制發動機轉速，如圖6所示，當為機械油門控制方式時，便可采用推拉軟軸進行控制。此處相比傳統的電驅路線和液壓驅動路線，該控制方法無需使用控制器進行控制，控制方式更加簡單明了，在節約制造成本的同時，使整個系統更加可靠、操作更加便捷、維護更加簡單。

4.3 副發動機控制系統

此部分采用介入發動機ECU的編程控制，與發動機廠家溝通發動機的啟動方式和作業模式，主要是解決帶負載啟動和轉速設定問題。

5 結語

該經濟型抑塵車通過副發直驅式霧炮機和無電氣控系統大幅降低了制造和維護成本，并經過反復的試驗驗證，相比傳統的抑塵車具有更高的可靠性。通過試用客戶的反饋，車輛故障率明顯下降，維護成本有效降低并提升了整車可靠性；與此同時，避免了作業時高壓電帶來的安全隱患，作業更加安全。

參考文獻：

[1]季寶全.多功能抑塵車結構設計與原理[J].專用車與零部件，2016（3）：84-85.

[2]徐達，蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[3]張春林.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：

蘇文鋒，男，1978年生，高級技師，研究方向為環衛裝備機械裝備設計。