環(huán)衛(wèi)車高壓清洗系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

邢廣佩

摘要：結(jié)合環(huán)衛(wèi)車高壓清洗系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，對環(huán)衛(wèi)車高壓水路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制邏輯關(guān)系匹配進行了優(yōu)化，解決了由于控制邏輯關(guān)系造成的系統(tǒng)內(nèi)壓力震蕩問題，使得各系統(tǒng)動作換向時，管路內(nèi)液體流動平穩(wěn)，壓力損失小，提高了高壓水泵、安全閥及卸荷閥的使用壽命。

關(guān)鍵詞：環(huán)衛(wèi)車 高壓水路 控制邏輯 回水管路 壓力震蕩

中圖分類號：U469.6+91.03 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2018）03-0090-05

1 前言

隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，越來越多的環(huán)衛(wèi)車走進人們的生活。為了提高車輛的清潔能力，避免二次揚塵，部分環(huán)衛(wèi)車上加裝了高壓清洗系統(tǒng)，如洗掃車、高壓清洗車、路面養(yǎng)護車、地下管網(wǎng)疏通車等。高壓清洗系統(tǒng)的應(yīng)用使城市環(huán)衛(wèi)清潔更加高效，但大流量、高壓力的水在作業(yè)過程中對系統(tǒng)可靠性要求更高。系統(tǒng)設(shè)計的合理性不僅會影響產(chǎn)品的使用性能，同時有坷能由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制設(shè)計的匹配不合理，導致水泵泵體、水路中的閥、噴嘴管路等損壞。因此，在高壓水路設(shè)計應(yīng)用過程中，除了注意流量和壓力、管路之間的匹配問題外，還應(yīng)考慮到控制邏輯關(guān)系與系統(tǒng)之間的匹配。

2 現(xiàn)有高壓清洗系統(tǒng)的工作原理

高壓清洗系統(tǒng)主要是利用高壓水流的動能，以高壓力、低流量的方式清洗路面。具有去污能力強，能清除路面陳舊污漬，工作效率高，較普通灑水車耗水量少的優(yōu)點。高壓清洗系統(tǒng)原理如圖1所示，由水箱、高壓水泵、水過濾器、自動卸荷閥、安全閥、高壓球閥、分水管、高壓管路、噴嘴、高壓噴槍等組成。以水為工作介質(zhì)，由柱塞式高壓水泵經(jīng)水過濾器將水吸入泵體，依靠柱塞在缸體中往復(fù)運動，將普通的水轉(zhuǎn)化為高壓水，經(jīng)自動卸荷閥進入分水管，然后通過氣動控制高壓球閥的開關(guān)控制高壓水流入各作業(yè)單元。最后，高壓噴嘴把高壓水轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪焊吡魉俚纳淞?。當射流的沖擊力大于污垢與物體表面的附著力時，就會將污垢剝離，沖走，從而起到高壓清洗的作用。

高壓清洗系統(tǒng)的設(shè)計，首先要考慮高壓清洗系統(tǒng)的應(yīng)用場所、使用工況、對接水源等因素。該套系統(tǒng)在環(huán)衛(wèi)車上應(yīng)用十分成熟，廣泛應(yīng)用于高壓清洗、洗掃、路面養(yǎng)護、清洗疏通等車輛，工作原理相對成熟規(guī)范，本文不再贅述，僅以洗掃車為例，進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析。

洗掃車的高壓清洗系統(tǒng)主要用于城市道路高壓清洗、噴霧降塵、手持噴槍定點沖洗、箱體內(nèi)部自潔等，車輛一般匹配9m3清水，工作壓力≥7MPa，持續(xù)作業(yè)時間60?90min。洗掃車主要零部件總成為噴嘴、管路、限壓閥及水泵等，其工作原理如圖1所示。

由圖1可見，水箱內(nèi)的水經(jīng)過過濾器進入高壓水泵，產(chǎn)生的高壓水通過自動卸荷閥、溢流閥進入總分水管，然后通過氣動控制球閥的執(zhí)行器控制高壓球閥的開關(guān)，以控制高壓水流入各個作業(yè)單元。為避免水泵帶負載啟動，水泵卸荷閥連接的球閥處于常開狀態(tài)，即在不工作時，系統(tǒng)內(nèi)的高壓水通過水泵卸荷閥直接流回水箱；其余各分水器工作單元連接的高壓球閥處于常閉狀態(tài)，只有當某個工作單元需要工作時，與之對應(yīng)的氣缸電磁閥得電才能使得高壓球閥打開。當各路工作單元任意一路動作時，水泵卸荷閥同時關(guān)閉，確保高壓水流到各相應(yīng)工作裝置。整套系統(tǒng)的控制方式是采用電磁閥控制氣缸動作，再由氣缸開關(guān)各管路球閥實現(xiàn)水路系統(tǒng)的自動控制。詳細情況可見電氣原理圖2，高壓清洗系統(tǒng)氣閥組電氣控制邏輯關(guān)系表1。

由高壓水氣路原理圖3解析得知，氣動系統(tǒng)氣源取自底盤車制動系統(tǒng)的儲氣筒。取氣口后設(shè)有一個手動氣閥，它是氣動系統(tǒng)的氣源總開關(guān)，正常工作時，該閥總是開啟的。維修氣動系統(tǒng)前，應(yīng)先關(guān)閉該閥，維修后打開該閥。在該閥附近還裝有一個同型號的手動氣閥，該閥出口與高壓水路吹氣管相連，用于冬季高壓水路排水。整套氣動系統(tǒng)總共分為6路，分別通過電磁換向閥控制氣缸的伸縮，實現(xiàn)控制水路球閥的啟閉。其中左側(cè)第1路是控制水泵卸荷閥，其余5路是通往各動作單元的啟閉，依次為自潔球閥開關(guān)、噴霧球閥開關(guān)、中噴桿球閥開關(guān)、右噴桿球閥開關(guān)及左噴桿球閥開關(guān)。

由表1以及圖2解析得知，當操作人員選擇左清洗作業(yè)時，通過控制器輸出控制左噴桿噴水，電磁閥YV19、吸嘴噴桿噴水電磁閥YV21得電，通過外部線束控制高壓水卸荷閥YV26同時得電，電磁閥YV19、YV21所控制氣缸推出，YV26所控制氣缸收回，各個氣缸動作同步完成；當選擇右清洗作業(yè)時，通過控制器輸出控制右噴桿噴水電磁閥YV20、吸嘴噴桿噴水電磁閥YV21，通過外部線束控制高壓水卸荷閥YV26同時得電，電磁閥YV20、YV21所控制氣缸推出，YV26所控制氣缸收回，各個氣缸動作同步完成；當選擇全清洗作業(yè)時，通過控制器輸出控制左噴桿噴水，電磁閥YV19、右噴桿噴水電磁閥YV20、吸嘴噴桿噴水電磁閥YV21同時得電，通過外部外部線束控制高壓水卸荷閥YV26同時得電，電磁閥YV19、YV20、YV21所控制氣缸推出，YV26所控制氣缸收回，各個氣缸動作同步完成；當選擇自潔作業(yè)時，自潔電磁閥YV25與高壓水卸荷閥YV26同時得電，電磁閥YV25所控制氣缸推出，YV26所控制氣缸收回，兩氣缸動作同步完成；當選擇噴霧作業(yè)時，噴霧電磁閥YV24與高壓水卸荷閥YV26同時得電，電磁閥YV24所控制氣缸推出，YV26所控制氣缸收回，兩個氣缸動作同步完成；當從任意一種作業(yè)模式切換到“作業(yè)停止”時，YV26與相應(yīng)的動作電磁閥同時斷電，YV19、YV20、YV2丨所控制氣缸收回，YV26所控氣缸推出，各個氣缸動作同步完成。

3 常見高壓水路及問題分析

3.1 現(xiàn)有高壓水路存在的問題

目前市場上常見的高壓水路供水系統(tǒng)基本動作平穩(wěn)，無過大異常，只是在動作單元啟動時發(fā)現(xiàn)測壓表針有輕微震蕩，但經(jīng)過長時間運行，使用超過1年后，發(fā)現(xiàn)水泵泵頭損壞、安全閥、自動卸荷閥的故障率偏高。水泵陶瓷泵頭出現(xiàn)開裂、安全閥、卸荷閥出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，如圖4所示。

3.2 故障原因分析

在檢查水泵進水過濾器完好性后，排除了因水質(zhì)問題造成的損壞，經(jīng)過對高壓水路結(jié)構(gòu)和控制邏輯關(guān)系分析，并跟蹤車輛實際使用工況，發(fā)現(xiàn)引起此故障的原因主要有如下2個方面：

一是當高壓水路中的各電磁閥YV19、YV20、YV21所控制氣缸推出動作時，水泵卸荷閥YV26同時動作，當兩路水路同時動作時，由于卸荷球閥YV26關(guān)閉時，VY19、VY20、VY21開啟存在延后現(xiàn)象，在卸荷閥關(guān)閉工作球閥開啟的過程中，會出現(xiàn)短暫的管路通徑封閉、或半封閉狀態(tài)，形成相對封閉的空腔，由水泵泵出的高壓水持續(xù)向管路內(nèi)輸送，在封閉腔內(nèi)管路水壓瞬間升高，形成壓力震蕩。盡管這種壓力震蕩現(xiàn)象持續(xù)時間較短，肉眼觀察不明顯，但采用電子壓力傳感器測壓反饋到壓力曲線圖中，可以看出各水路動作換向均會引起明顯的壓力震蕩。高壓振蕩的反作用力通過液體高壓水反饋到水泵泵頭上，造成水泵泵頭處于長時間的震動中，容易引起泵頭疲勞破壞。

經(jīng)現(xiàn)場測試水泵出口壓力，印證了該分析，詳見水泵工作壓力震蕩曲線圖5。由圖5可見，每次水路動作轉(zhuǎn)換會存在23的壓力震蕩：高壓清洗系統(tǒng)水路壓力提升是結(jié)合使用工況和輸入轉(zhuǎn)速設(shè)計的，為避免發(fā)動機負載啟動，0?t1時間內(nèi)，發(fā)動機在啟動到轉(zhuǎn)速達到怠速狀態(tài)，柱塞水泵處于卸荷狀態(tài)，系統(tǒng)壓力為0；t1～t2時間內(nèi)進入作業(yè)啟動模式后，發(fā)動機保持怠速，經(jīng)過5s壓力緩慢提升期，系統(tǒng)壓力升到2M Pa；t2～t3時間內(nèi)進入壓力提升期，發(fā)動機怠速狀態(tài)，系統(tǒng)壓力保持2MPa，穩(wěn)定5s；t3～t4時間為系統(tǒng)壓力上升期，經(jīng)過10s時長，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升到1550r/min，持續(xù)10s，系統(tǒng)壓力最高達8MPa；t4～t5時間段為高壓穩(wěn)壓期，發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1550r/min，系統(tǒng)壓力經(jīng)過1?2s壓力震蕩期，最后穩(wěn)定在安全閥設(shè)定壓力7MPa。

圖5中，0?t1為怠速（800r/min），系統(tǒng)卸荷狀態(tài)；t1～t2為怠速，作業(yè)啟動過程中狀態(tài)，持續(xù)5s，系統(tǒng)壓力升到2MPa；t2～t3為怠速，作業(yè)啟動過程完轉(zhuǎn)速開始提高前狀態(tài)，持續(xù)5s；t3～t4為副發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高到作業(yè)轉(zhuǎn)速（1550r/min）狀態(tài)，持續(xù)10s；系統(tǒng)壓力最高達8MPa；t4～t5為系統(tǒng)調(diào)壓閥調(diào)壓過程狀態(tài)，壓力震蕩持續(xù)1?2s，最后調(diào)定在7MPa；t5?t6為系統(tǒng)壓力穩(wěn)定正常作業(yè)狀態(tài)；t6～t7為作業(yè)開始，氣缸推動清洗球閥打開，同時氣缸推動水泵卸荷球閥關(guān)閉，壓力震蕩持續(xù)1?2s，最后調(diào)定在7MPa；t8～t9為作業(yè)停止，氣缸推動清洗球閥關(guān)閉，同時氣缸推動水泵卸荷球閥打開，壓力震蕩持續(xù)1?2秒，最后調(diào)定在7MPa。

可見該套系統(tǒng)的控制邏輯關(guān)系存在設(shè)計缺陷。

二是由于環(huán)衛(wèi)類的高壓清洗車每天作業(yè)完畢后，車輛操作人員在手持點噴槍進行清洗作業(yè)時，水泵卸荷閥YV26處于關(guān)閉狀態(tài)，后噴霧電磁閥YV24處于開啟狀態(tài)，點噴槍的開關(guān)通過手動控制，當點噴槍處于開啟狀態(tài)時，高壓水流持續(xù)穩(wěn)定輸送到點噴槍外，壓力穩(wěn)定，安全閥處于設(shè)定工作壓力；當點噴槍瞬間關(guān)閉時，由于高壓水泵仍處于工作狀態(tài)，依然持續(xù)向點噴槍管路供水，引起管路內(nèi)的壓力瞬間升高，當壓力超過安全閥設(shè)定值時，安全閥處于溢流狀態(tài)，極限狀態(tài)下可能引起自動卸荷閥的快速卸荷，在此工作過程中水泵到點噴槍之間水壓處于震動狀態(tài)。該震蕩經(jīng)過高壓水反饋到水泵泵頭，從而影響水泵的壽命，同時大大降低了安全閥和自動卸荷閥的使用壽命。

當車輛操作人員手持點噴槍作業(yè)時，如果手持電噴槍處于關(guān)閉狀態(tài)，則從水泵出口到分水器、管路、噴槍內(nèi)腔，整體形成封閉腔，腔體內(nèi)充滿高壓水，但高壓水泵仍處于額定工作狀態(tài)，即高壓水泵持續(xù)向封閉腔內(nèi)注水，由于腔體內(nèi)容積不變，不斷増多的高壓水必然引起封閉腔內(nèi)的水壓升高，當封閉腔內(nèi)的水壓高于設(shè)定的安全閥壓力時，高壓水推動安全閥閥芯，閥體溢流卸荷，在極限狀態(tài)下，瞬間壓力驟升會將卸荷閥閥芯頂開，達到快速卸荷。由于一般在高壓清洗系統(tǒng)中，手持點噴槍位于水泵出水口遠端，管路內(nèi)的超壓溢流如果通過安全閥溢流的話，卸荷閥動作會有延時，可能存在卸荷不及時的問題。下面通過高壓水泵的排量公式進行分析：

式中，Q為泵體在單位時間內(nèi)流量，q為每轉(zhuǎn)泵體的排量，n為泵的輸入轉(zhuǎn)速，t為工作時間。由于柱塞泵排量q為一個定值，而單位工作時長t=60s，屬于常量，由此可見高壓柱塞水泵在每分鐘排量Q與水泵輸入轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系。

輸入轉(zhuǎn)速n為1000 r/min，水栗的排量為98 L/min，點噴槍在作業(yè)時，高壓水流從噴槍噴嘴流出，噴嘴流量公式如下：

式中，Qp為體積流量，m3/S；Cd為流量系數(shù)，0計算可得，Qp=31.5L。對比水泵排量Q泵與水槍流量Qp可見，Q泵>Qp，即當手持點噴槍作業(yè)時，水泵供水量遠大于噴槍需求量，造成大量高壓水流浪費，系統(tǒng)壓力高壓安全閥壓力，近30%左右的高壓水通過溢流閥回流到水箱，由于手持噴槍距離水泵較遠，卸荷響應(yīng)相對延后，容易引起系統(tǒng)內(nèi)壓力震蕩。

4 結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化

4.1 控制邏輯關(guān)系改進

通過故障分析可知，現(xiàn)有高壓水路系統(tǒng)開始工作或停止工作時，高壓水卸荷閥YV26跟電磁閥YV19、YV20、YV21同時得電，即YV19、YV20、YV21所控制氣缸伸縮與YV26所控氣缸伸縮是同時動作。由電磁閥得電到氣缸的響應(yīng)動作時間大約間隔約0.2s，在這短暫的時間內(nèi)，水泵出水口到管路、分水管會形成短暫的封閉腔。由于水泵持續(xù)供水，造成腔體內(nèi)的液體不斷增加，從而引起管路內(nèi)水壓升高，當壓力超過安全閥設(shè)定壓力后，安全閥卸荷，腔體內(nèi)的壓力下降，安全閥關(guān)閉；繼而腔體內(nèi)壓力上升，安全閥打開，如此反復(fù)2?3個回合，使得整個管路達到內(nèi)部平衡，壓力穩(wěn)定。

因此要想解決在高壓水路開始工作或停止工作時的壓力震蕩問題，最核心的是要將這個動作過程中的封閉腔打破，即在各動作單元開閉球閥時，需與卸荷閥開關(guān)有一定的時間重疊。針對上述控制邏輯關(guān)系存在的問題，對其進行優(yōu)化設(shè)計，當各水路單元動作時，在水泵卸荷閥動作時增加一個延時保護，優(yōu)化后的高壓水電氣原理圖如圖7所示。

圖7控制原理圖解析：左噴桿噴水電磁閥YV19、右噴噴桿噴水電磁閥YV20、吸嘴噴桿噴水電磁閥YV21在開啟“作業(yè)啟動”后三個電磁閥YV19、YV20、YV21得電，相應(yīng)高壓球閥打開；高壓水卸荷閥YV26延時2s后得電，此時高壓卸荷球閥關(guān)閉。兩個氣缸動作延時相差2s，YV19、YV20、YV21所控制氣缸推出，YV26所控氣缸收回。“作業(yè)停止”時YV26電磁閥先得電，高壓卸荷球閥打幵，YV19、YV20、YV21延時2s得電，相應(yīng)高壓球閥關(guān)閉，三路電磁閥斷電，YV19、YV20、YV21所控制氣缸收回，YV26所控氣缸推出。

4.2 水泵多余流量疏導

通過故障原因分析可見，針對操作人員手持點噴槍作業(yè)工況，引起系統(tǒng)內(nèi)壓力震蕩的主要原因是，水泵排量大于噴槍需求水流量，多余的高壓水需要通過安全閥卸荷達到使用需求，并且手持點噴槍距離安全閥位置較遠，安全閥卸荷響應(yīng)延遲，造成系統(tǒng)內(nèi)部壓力震蕩。為解決該壓力震蕩，需要解決水泵多余流量疏導的問題。因此針對高壓水路結(jié)構(gòu)進行改進，在手動點噴槍水路接口處增加一個固定的回流管路，確保在遠處作業(yè)端直接卸荷，管路長度短，響應(yīng)快，相比泵端而言，不易對泵頭沖擊，元件壽命得到相應(yīng)提高。改進方案如圖8所示。

5 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制邏輯關(guān)系優(yōu)化，利用氣動球閥啟閉的動作延時、增加手持噴槍回流管結(jié)構(gòu)，使得整套高壓水路系統(tǒng)的換向動作平穩(wěn)，降低了由于高壓水震蕩引起的安全閥、自動卸荷閥、高壓水泵泵頭的疲勞破壞，提高了高壓水路系統(tǒng)的使用可靠性，大大延長了水泵及相關(guān)附件的使用壽命，經(jīng)濟效益可觀。

參考文獻

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