護欄清洗車水路系統的設計分析

周海儒

(注：本文作者單位系江蘇悅達專用車有限公司。)

1 前言

隨著我國城市建設的快速發展，城市道路建設日趨完善，而隔離護欄是其中非常重要的組成部分。針對隔離護欄清潔保養工作的特點，新型環衛機械產品護欄清洗車應運而生，并得到了市場的認可。本車通過4個立式滾刷轉動并夾著護欄，并使用高、低壓2套清洗系統對護欄、滾刷進行噴射，實現在多種工況下的保潔工作。由于水路系統對護欄清洗的效果起著關鍵作用，本文從高效、環保、節約的角度對護欄清洗車的水路系統進行一定的研究與分析。

2 水路系統原理

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

3 關鍵部件選型和參數計算

根據原理圖可以確定水泵、管路、噴嘴為關鍵部件，需要對其進行參數計算為選型提供依據。

3.1 高壓水路系統壓力的確定

以市場上常用的洗掃車、高壓清洗車為例，通常選用進口的柱塞水泵作為高壓水泵，這類水泵具有性能穩定，工作時間長等特點。由于護欄清洗車水源復雜，常常含有較多雜質，因此采用精過濾器以保護高壓水泵。由于系統壓力大，需要通過安裝溢流閥與安全閥。以便根據實際工況進行壓力調節，對高壓系統起到保護作用。清洗效果好與否，關鍵在于射流動壓在沖擊清洗對象表面所產生的沖擊壓力能否達到或超過清洗對象的屈服強度，此沖擊力稱為臨界沖擊壓力[1]。

上式中，S為清洗對象的屈服強度極限，與附著層的材料、結構等有關；為應力系數；m為單位作用面積的流量；為流體中聲音的傳播速度(即微小的壓力擾動在流體中的傳播速度)。

由于護欄在長期的使用過程中，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較為復雜。在能有效破壞附著層和不破壞基體層的壓力區間，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、噴嘴選型及系統流量的確定

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

表1 噴霧角度和覆蓋范圍

表2 一個噴嘴流量與工作壓力的關系

3.3 低壓水泵、噴嘴的選型及系統流量的確定

低壓水需經過液壓油冷卻器，對液壓油進行冷卻，需長時間工作。掃路車上常用的直流微型水泵，機泵一體結構緊湊，由電路直接控制，不增加副發動機的能耗，適用于護欄清洗車低壓水路系統。某一型號的水泵揚程為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，離護欄150 mm理想清洗靶距下，按此噴嘴參數考慮噴射重復系數，確定每根噴桿需3個噴嘴，滿足護欄的高度范圍。由原理圖可知，每個低壓水泵供2根噴桿，則低壓清洗所需的流量為3.6 L/min×2(根)×3(個)=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 管路設計

由于水體在管道中流動時，受到慣性、重力及粘性摩擦力的影響，其內部各處質點的運動狀態各不相同，水體流動時必然有一部分壓力損耗。根據流體力學沿程壓力損失公式[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為管子長度，m；d管子內徑，m；為水的密度，kg/m3；為沿程阻力系數。

當水體流動過程中，邊界條件急劇變化，如截面突然擴大或縮小、管道轉彎等局部障礙，這使得水體發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，管路內徑d越大，長度l越小，彎管局部阻力系數越小，△P壓力損失則越小。所以在管路設計中應盡量采用直管，避免彎管，并減少管路的長度。由圖3可知，管路在最佳流速5 m/s，流量在70～100 L/min時，可確定高壓軟管或硬管內徑在16～20 mm，取整后確定內徑d=19 mm。

4 工況分析

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

遇到護欄難以清洗時，高低壓水路系統可以同時使用。由圖2可知，護欄先經過高壓水第一次清洗，低壓水射流首先對滾刷起潤濕作用，待滾刷工作以后再對本身進行清潔，最后再經高壓水第二次清洗。在潮濕、下雨的工作環境下，可以單獨使用高壓模式，其中低壓水泵a常開，通過調節三通球閥后回水箱。當然也可以根據實際工況單獨使用低壓模式，只需把噴桿微調下角度，低壓噴嘴水射流方向便從滾刷轉向護欄。

本車對底盤進行了改造，增加了減速機構，清洗時無需半離合操作，保護了底盤摩擦片。選擇同一路段進行三種模式下的試驗，均達到較好清洗效果。記錄數據如表4：

表4 不同清洗模式下的車速

經分析得知，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 結語

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

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

[2] 許福玲,陳堯明主編.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社.2000.