護(hù)欄清洗車水路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

周海儒

(注：本文作者單位系江蘇悅達(dá)專用車有限公司。)

1 前言

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市道路建設(shè)日趨完善，而隔離護(hù)欄是其中非常重要的組成部分。針對(duì)隔離護(hù)欄清潔保養(yǎng)工作的特點(diǎn)，新型環(huán)衛(wèi)機(jī)械產(chǎn)品護(hù)欄清洗車應(yīng)運(yùn)而生，并得到了市場(chǎng)的認(rèn)可。本車通過4個(gè)立式滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)并夾著護(hù)欄，并使用高、低壓2套清洗系統(tǒng)對(duì)護(hù)欄、滾刷進(jìn)行噴射，實(shí)現(xiàn)在多種工況下的保潔工作。由于水路系統(tǒng)對(duì)護(hù)欄清洗的效果起著關(guān)鍵作用，本文從高效、環(huán)保、節(jié)約的角度對(duì)護(hù)欄清洗車的水路系統(tǒng)進(jìn)行一定的研究與分析。

2 水路系統(tǒng)原理

護(hù)欄清洗車水路系統(tǒng)分2套：高壓水路系統(tǒng)的原理如圖1所示，水箱中的水經(jīng)過精過濾器進(jìn)入高壓水泵，形成的高壓水通過安全閥、溢流閥進(jìn)入液控高壓球閥，然后分別進(jìn)入4根高壓噴桿并通過噴嘴噴出。低壓水路系統(tǒng)的原理如圖1所示，水經(jīng)過精過濾器后分別進(jìn)入2個(gè)低壓水泵，進(jìn)入低壓水泵a的低壓水流入液壓油冷卻器，然后通過三通球閥進(jìn)入工作單元，進(jìn)入低壓水泵b的低壓水通過球閥直接進(jìn)入工作單元。

3 關(guān)鍵部件選型和參數(shù)計(jì)算

根據(jù)原理圖可以確定水泵、管路、噴嘴為關(guān)鍵部件，需要對(duì)其進(jìn)行參數(shù)計(jì)算為選型提供依據(jù)。

3.1 高壓水路系統(tǒng)壓力的確定

以市場(chǎng)上常用的洗掃車、高壓清洗車為例，通常選用進(jìn)口的柱塞水泵作為高壓水泵，這類水泵具有性能穩(wěn)定，工作時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。由于護(hù)欄清洗車水源復(fù)雜，常常含有較多雜質(zhì)，因此采用精過濾器以保護(hù)高壓水泵。由于系統(tǒng)壓力大，需要通過安裝溢流閥與安全閥。以便根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，對(duì)高壓系統(tǒng)起到保護(hù)作用。清洗效果好與否，關(guān)鍵在于射流動(dòng)壓在沖擊清洗對(duì)象表面所產(chǎn)生的沖擊壓力能否達(dá)到或超過清洗對(duì)象的屈服強(qiáng)度，此沖擊力稱為臨界沖擊壓力[1]。

上式中，S為清洗對(duì)象的屈服強(qiáng)度極限，與附著層的材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)；為應(yīng)力系數(shù)；m為單位作用面積的流量；為流體中聲音的傳播速度(即微小的壓力擾動(dòng)在流體中的傳播速度)。

由于護(hù)欄在長(zhǎng)期的使用過程中，在自然天氣、尾氣排放等多種因素作用下，表面形成的附著物質(zhì)較為復(fù)雜。在能有效破壞附著層和不破壞基體層的壓力區(qū)間，盡可能選擇較大的水泵壓力，選取額定壓力為10 MPa的高壓水泵。

3.2 高壓水泵、噴嘴選型及系統(tǒng)流量的確定

已知本次設(shè)計(jì)對(duì)象的護(hù)欄高度為900 mm。由表1可知，離護(hù)欄200 mm理想清洗靶距下，按某一型號(hào)的噴嘴考慮噴射重復(fù)系數(shù)，確定每根噴桿所需的噴嘴數(shù)量為4個(gè)。如圖2所示，255×4×(1—0.1)＞900 mm可滿足高度范圍(其中0.1為重復(fù)系數(shù))。通常將高壓清洗水路工作壓力設(shè)定為略低于高壓水泵額定壓力。已知一個(gè)噴嘴流量與工作壓力的關(guān)系如表2，假設(shè)噴嘴工作壓力為7 MPa，根據(jù)噴嘴性能參數(shù)確定流量為5.3 L/min，那么所需的總流量為Q=Nnq(N為噴桿的數(shù)量；n為每根噴桿的數(shù)量；q為一個(gè)噴嘴的流量(L/min)，Q為91.2 L/min。選擇某一型號(hào)的高壓水泵，流量為93 L/min，壓力為10 MPa。

表1 噴霧角度和覆蓋范圍

表2 一個(gè)噴嘴流量與工作壓力的關(guān)系

3.3 低壓水泵、噴嘴的選型及系統(tǒng)流量的確定

低壓水需經(jīng)過液壓油冷卻器，對(duì)液壓油進(jìn)行冷卻，需長(zhǎng)時(shí)間工作。掃路車上常用的直流微型水泵，機(jī)泵一體結(jié)構(gòu)緊湊，由電路直接控制，不增加副發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗，適用于護(hù)欄清洗車低壓水路系統(tǒng)。某一型號(hào)的水泵揚(yáng)程為30 m，選用一種噴嘴在0.3 MPa壓力下，流量為3.6 L/min。由表3可知，離護(hù)欄150 mm理想清洗靶距下，按此噴嘴參數(shù)考慮噴射重復(fù)系數(shù)，確定每根噴桿需3個(gè)噴嘴，滿足護(hù)欄的高度范圍。由原理圖可知，每個(gè)低壓水泵供2根噴桿，則低壓清洗所需的流量為3.6 L/min×2(根)×3(個(gè))=21.6 L/min，考慮油冷卻器所需的水流量，選擇水泵流量為40 L/min。

3.4 管路設(shè)計(jì)

由于水體在管道中流動(dòng)時(shí)，受到慣性、重力及粘性摩擦力的影響，其內(nèi)部各處質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各不相同，水體流動(dòng)時(shí)必然有一部分壓力損耗。根據(jù)流體力學(xué)沿程壓力損失公式[2]

表3 噴霧角度和覆蓋范圍

上式中，△P為壓力損失；v為水體平均速度，m/s；l為管子長(zhǎng)度，m；d管子內(nèi)徑，m；為水的密度，kg/m3；為沿程阻力系數(shù)。

當(dāng)水體流動(dòng)過程中，邊界條件急劇變化，如截面突然擴(kuò)大或縮小、管道轉(zhuǎn)彎等局部障礙，這使得水體發(fā)生變化而引起的局部壓力損失。局部壓力損失公式

由公式(2)(3)可知，管路內(nèi)徑d越大，長(zhǎng)度l越小，彎管局部阻力系數(shù)越小，△P壓力損失則越小。所以在管路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用直管，避免彎管，并減少管路的長(zhǎng)度。由圖3可知，管路在最佳流速5 m/s，流量在70～100 L/min時(shí)，可確定高壓軟管或硬管內(nèi)徑在16～20 mm，取整后確定內(nèi)徑d=19 mm。

4 工況分析

在實(shí)際操作中車輛的行駛速度直接影響到了護(hù)欄的清洗面積。如果行駛速度過快，雖然護(hù)欄清洗的面積增大了，但護(hù)欄的潔凈率很難保證；反之行駛速度過慢，又會(huì)降低清洗的效率，浪費(fèi)水源。

遇到護(hù)欄難以清洗時(shí)，高低壓水路系統(tǒng)可以同時(shí)使用。由圖2可知，護(hù)欄先經(jīng)過高壓水第一次清洗，低壓水射流首先對(duì)滾刷起潤(rùn)濕作用，待滾刷工作以后再對(duì)本身進(jìn)行清潔，最后再經(jīng)高壓水第二次清洗。在潮濕、下雨的工作環(huán)境下，可以單獨(dú)使用高壓模式，其中低壓水泵a常開，通過調(diào)節(jié)三通球閥后回水箱。當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際工況單獨(dú)使用低壓模式，只需把噴桿微調(diào)下角度，低壓噴嘴水射流方向便從滾刷轉(zhuǎn)向護(hù)欄。

本車對(duì)底盤進(jìn)行了改造，增加了減速機(jī)構(gòu)，清洗時(shí)無需半離合操作，保護(hù)了底盤摩擦片。選擇同一路段進(jìn)行三種模式下的試驗(yàn)，均達(dá)到較好清洗效果。記錄數(shù)據(jù)如表4：

表4 不同清洗模式下的車速

經(jīng)分析得知，高低壓操作模式清洗效果最好，清洗的效率也是比較理想的。

5 結(jié)語

本文通過在護(hù)欄清洗車上同時(shí)安裝高低壓2套清洗水路系統(tǒng)，滿足了各種工況的需要，通過合理選擇水路系統(tǒng)，有效降低能耗，提高清洗效率和節(jié)約水資源。

[1] 魯波軍,陳杰.基于高壓水射流分布特性的清洗參數(shù)選擇[N].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào).2004(14).

[2] 許福玲,陳堯明主編.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000.