現(xiàn)行排放標準下工程清掃車輛的發(fā)展趨勢研究

陳家碩

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

高速公路是一個國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的產(chǎn)物，是衡量一個國家公路交通運輸和汽車工業(yè)現(xiàn)代化水準的重要標志[1]。自1988年我國修建第一條滬嘉3200高速以來，我國大力推進高速公路及相關設施的建設，高速公路保有量不斷增加，取得了舉世矚目的成績[2]。據(jù)交通運輸部公布的有關交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019年年末，我國公路總里程達到了501.25萬公里，較2015年增加了43.52萬公里；其中公路密度達到52.21公里/百平方公里，較2015年增加4.53公里/百平方公里。

瀝青路面由于具有力學支撐效果好、能夠充分保證車輛行駛過程中的平穩(wěn)性等諸多優(yōu)勢，在高等級公路的占有率高達90%，在高等級公路的建設進程中發(fā)揮著越來越重要的作用。普遍而言，瀝青路面的有效使用壽命大約為15～20年，但由于自然環(huán)境因素、車輛過載、施工質量不同等原因，實際使用壽命往往達不到預期。截至2016年年末，我國公路養(yǎng)護的里程達459萬公里，占公路總里程的97.7%[3]。當前，建設與養(yǎng)護齊頭并進已然成為我國高速公路的新局面，高速公路養(yǎng)護維護需求旺盛。

相較于瀝青路面熱再生技術而言，瀝青路面冷再生在經(jīng)濟性、節(jié)能環(huán)保等方面有著諸多優(yōu)勢，在實際施工過程中應用更廣泛。瀝青碎料對于新攤鋪路面中的瀝青再生劑與銑刨平面的結合有至關重要的影響，直接影響到兩者結合面的相互粘連性[4]。當前主流銑刨機往往具有回收瀝青碎料的功能，但難以做到對瀝青碎料百分之百的回收。因此，當前瀝青路面養(yǎng)護過程中離不開人工進行瀝青碎料的清掃等，這極大地影響了施工效率，并增加了人力成本。且人工清掃容易引起揚塵，造成惡劣的施工環(huán)境，影響工人的身體健康。使用能夠應用于路面養(yǎng)護工作的工程清掃車輛，對于提升養(yǎng)護作業(yè)的施工效率、增進環(huán)保效益和降低施工成本，都具有十分重要的意義，其主要通過盤刷、吸嘴以及滾刷等完成清掃任務[5]。2021年5月26日，生態(tài)環(huán)境部舉行例行發(fā)布會時通報，2021年7月起我國將全面實施重型柴油車國六排放標準，對于工程車輛的節(jié)能環(huán)保性能提出了更進一步的要求，使得應用于路面養(yǎng)護工作的工程清掃車輛迎來新的發(fā)展。

1 工程清掃車輛應用概述

1.1 應用技術概述

工程清掃車輛需滿足清掃作業(yè)和運輸轉場兩種工況[6]：在清掃作業(yè)工況下，行駛系統(tǒng)要能夠實現(xiàn)低速行駛以保證作業(yè)質量，作業(yè)系統(tǒng)執(zhí)行清掃作業(yè)，這種工況下行駛系統(tǒng)僅需要很小的動力，但作業(yè)系統(tǒng)所需的功率很大；在運輸轉場工況下，行駛系統(tǒng)要能夠實現(xiàn)高速行駛以保證轉場效率，所需功率較大，而此時作業(yè)系統(tǒng)不需要工作，不消耗功率。為解決行駛系統(tǒng)在作業(yè)時保持低速和轉場時保證高速的矛盾，目前市場上應用的工程清掃車輛主要有雙動力傳動系統(tǒng)、單動力全液壓式系統(tǒng)、單動力取力分流系統(tǒng)三種。

1.1.1 雙動力傳動系統(tǒng)

采用雙動力傳動系統(tǒng)的專用工程車輛在目前市場上應用最普遍。這種類型的清掃車可以直接在二類汽車底盤的基礎上，加裝吸盤、風機等系統(tǒng)需要的作業(yè)裝置[7]，從而避免了行駛系統(tǒng)的設計制造，降低研發(fā)成本。同時由于兩套動力系統(tǒng)分別負責給行駛系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)提供動力，避免了不同工況下兩套系統(tǒng)之間的相互影響。操作工人也可以依據(jù)工作環(huán)境的不同改變車輛的行駛速度，提高作業(yè)質量。但由于其更多工作在作業(yè)工況下，行駛系統(tǒng)往往工作在低效區(qū)，造成的燃油消耗和廢氣排放較多。

1.1.2 單動力全液壓式系統(tǒng)

單動力全液壓式系統(tǒng)由多個液壓泵分別控制車輛的作業(yè)和行駛，但只通過一個發(fā)動機提供動力。動力系統(tǒng)同時帶動行走泵、風機泵、液壓系統(tǒng)泵等，通過調(diào)整不同液壓泵的排量來改變各個系統(tǒng)的功率，單個液壓泵功率的變化幾乎不影響發(fā)動機轉速的變化，動力耦合性較低。且由于行駛系統(tǒng)能夠實現(xiàn)無級變速，清掃效果好。但由于液壓系統(tǒng)的固有特性，造成了能源消耗和發(fā)熱較大，且轉場速度低，大多只應用于中小型清掃車輛。

1.1.3 單動力取力分流系統(tǒng)

單動力取力分流系統(tǒng)同樣采用單個發(fā)動機來帶動整機工作，但傳動系統(tǒng)采用機械傳動或機械傳動與液壓傳動相結合的型式。早期這種系統(tǒng)通過在變速箱后加裝機械式取力器實現(xiàn)動力分流，以滿足車輛清掃作業(yè)時各個系統(tǒng)動力的需要，但采用這種傳動方式的車輛作業(yè)系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)容易相互影響，當行駛系統(tǒng)換檔操作或調(diào)整轉速時，工作裝置的動力穩(wěn)定性會隨之受到影響，進而影響作業(yè)質量。

因此，動力解耦作為采用單一動力系統(tǒng)的工程車輛的關鍵技術，成為當前亟待解決的難題。實現(xiàn)單發(fā)動機動力解耦后，作業(yè)車動力系統(tǒng)可以采用機械液壓復合傳動的方式：在轉場模式下，發(fā)動機輸出端僅與傳動系統(tǒng)輸入端相連，發(fā)動機全部動力用于驅動車輛高速行駛；在工作模式下，發(fā)動機與原傳動系統(tǒng)輸入端斷開，并與多個取力器重新連接，通過一個取力口帶動泵控馬達閉式回路驅動車輛低速行駛，其他取力口用于驅動作業(yè)裝置和輔助控制系統(tǒng)。這種發(fā)動機取力方案兼顧了液壓傳動可實現(xiàn)無級變速與機械傳動效率高的優(yōu)點，實現(xiàn)了行走與作業(yè)互不干擾，同時轉場速度快。

1.2 國外工程清掃車輛應用概況

自1904年英國研發(fā)出世界上第一臺道路清掃車，清掃車的發(fā)展至今已有百余年。其中比較著名的公司有英國的JOHNSTON公司，美國的ELGIN公司，德國的FAUN-KUKA公司，瑞士的ROLBA公司和意大利RAVO公司等[8]。當前，國外清掃車的主流車型為緊湊型，環(huán)保節(jié)能，安全舒適，能實現(xiàn)多種功能，例如，德國Aebi 公司的MFH系列清掃車不僅能完成清掃路面作業(yè)，還具有除雪、道路清洗等附加功能，實現(xiàn)了一車多用，提高了產(chǎn)品的性價比。

此外，由于清掃車長期應用于人口較多的城市，加上有關工程車輛的排放標準的逐步提高，環(huán)保型清掃車在國外越來越受歡迎。RAVO的清掃車采用壓縮天然氣發(fā)動機，是世界上第一輛滿足歐洲EEV排放標準的清掃車，相較于其他柴油發(fā)動機清掃車，該車輛幾乎沒有廢氣顆粒的產(chǎn)生和排放，還降低了近70%的噪聲；BUCHER公司研發(fā)的氫氣能源清掃車是世界上第一臺使用燃料電池的清掃車，它使用氫氣作為發(fā)動機燃料，工作時不會排放任何污染物，甚至能夠用于室內(nèi)清掃工作。

近年來，通過運用先進制造技術，結合當前智能化、信息化的主流，國外清掃車從節(jié)能環(huán)保進一步向智能化作業(yè)發(fā)展：通過加裝不同用途的傳感器，結合信息傳輸、數(shù)據(jù)處理單元，整車能夠實時實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，并執(zhí)行相應動作，提高了車輛的作業(yè)自動化程度。

1.3 國內(nèi)工程清掃車輛應用概況

國內(nèi)針對清掃車的研發(fā)相比于國外起步較晚，20世紀60年代我國才研發(fā)出第一臺純掃式道路清掃車，但由于其在清掃效率、結構體積等方面都存在巨大缺陷，很快被市場所淘汰。直到20世紀80年代末，建設部長沙建設機械研究院研發(fā)出我國第一臺吸掃式清掃車[9]，由于其極大地提高了清掃效率，依靠技術上的優(yōu)勢迅速占領了清掃車市場，并推動了我國吸掃式垃圾清掃車的發(fā)展。

進入20世紀90年代以后，隨著城市交通發(fā)展和高速公路的不斷建設，清掃車需求量的激增使清掃車迎來蓬勃的發(fā)展。通過自主研發(fā)或技術引進的方式，越來越多不同類型、用途的清掃車相繼問世。在此期間，我國清掃車大多在二類汽車底盤上改裝而成，由于其采用市面上現(xiàn)有的二類汽車底盤，縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本，且由于行駛系統(tǒng)單獨由一個發(fā)動機驅動，轉場速度快、提高了作業(yè)效率，至今仍得到了十分廣泛的應用，代表公司有中聯(lián)重科股份有限公司、徐工環(huán)境技術有限公司等。此外，由于多樣化的需求，現(xiàn)代信息技術的高速發(fā)展，垃圾清掃機朝著多功能趨勢發(fā)展[10]，小型全液壓清掃車、加裝取力器的單發(fā)動機清掃車等也逐步被研制出來，并投入使用。

近年來，伴隨著國家排放標準的逐步升級和落實，大眾的節(jié)能環(huán)保意識不斷提高，以及習近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，純電動和節(jié)能環(huán)保的單發(fā)動機工程車輛越來越受到人們的重視。純電動清掃車工作時噪聲小，不產(chǎn)生廢氣，且使用成本低，在中小型清掃車市場上有著十分廣泛的應用前景。但受限于純電技術的發(fā)展，存在工作連續(xù)性無法保證、造價成本高、配套設施建設不足等缺陷，當前市場占有率十分有限；解決動力解耦問題的單發(fā)動機動力系統(tǒng)，在滿足全部使用需求的前提下，整車燃油消耗節(jié)省30%左右，廢氣排放降低30%左右，取得了卓越的效果[11]，但由于其關鍵技術攻克難度大、需要長期技術積累，近幾年才有相應的產(chǎn)品問世，目前仍在發(fā)展探索階段。

2 工程清掃車輛發(fā)展趨勢

隨著我國排放標準的逐步推進和不同類型工程清掃車輛關鍵技術的不斷突破，筆者認為工程清掃車將朝著以下幾個方向發(fā)展：

1）向著節(jié)能減排、環(huán)境友好型發(fā)展。清掃車需求的持續(xù)增加提高了其對污染排放、能源消耗的敏感性，通過實現(xiàn)關鍵技術的突破，可以提高能源利用率，減少作業(yè)過程產(chǎn)生的二次污染，使道路清掃車更加符合當今社會對于工程車輛節(jié)能環(huán)保的要求。

2）向著單發(fā)動機或電動工程清掃車輛發(fā)展。雙發(fā)動機道路清掃車工作時油耗高、噪聲大、發(fā)動機功率利用率低，且加裝副發(fā)動機占用較大空間，降低了工作裝置的容量，影響清掃車的作業(yè)持續(xù)能力。因此，單發(fā)動機驅動或電力驅動的道路清掃車越來越受到市場的重視，并將在日后成為主流。

3）大型工程清掃車動力系統(tǒng)方案向著機械液壓混合傳動發(fā)展。大型工程清掃車對于工作裝置的功率有較高要求，因此工作裝置需要采用機械傳動，多用于小型車輛的全液壓系統(tǒng)和電動清掃車均不能滿足工作需求。而在惡劣工作條件下，受最低行駛速度的制約，機械傳動的行駛系統(tǒng)一次清掃不能滿足要求，采用可無級變速的液壓系統(tǒng)方案則可以解決這個問題。因此，解決動力解耦問題的機械靜壓混合傳動方案日后將越來越受到廠家的青睞。

4）向著模塊化、多功能發(fā)展。通過將整車的不同結構模塊化，并實現(xiàn)接口的標準化，可提高產(chǎn)品的互換性，用盡可能少的標準模塊組合成具備更多功能與尺寸的專用工程車輛，從而在節(jié)約成本的同時，豐富產(chǎn)品的應用場景和可拓展性。

5）向著智能化、信息化發(fā)展。通過加裝各種類型的傳感器，并對信號進行分析研究和處理，可實現(xiàn)工程清掃車輛的智能化監(jiān)測與故障診斷，通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)車輛工作狀態(tài)下的高效運行。

3 結語

綜上所述，筆者對當前工程清掃車輛的關鍵技術和國內(nèi)外相關產(chǎn)品的應用與發(fā)展進行了總結分析，結合當前節(jié)能減排的主流和國內(nèi)機動車排放標準的逐步提高，探討了未來我國工程清掃車輛的發(fā)展趨勢。作為廣泛應用且仍處于不斷發(fā)展階段的工程機械，隨著我國城市化的推進和公路里程的持續(xù)鋪設，工程清掃車輛將在節(jié)能、環(huán)保等方面被給予更多期望，以符合國家日益推進的有關碳排放的計劃和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。