护栏清洗车水路系统的设计分析

周海儒

(注：本文作者单位系江苏悦达专用车有限公司。)

1 前言

随着我国城市建设的快速发展，城市道路建设日趋完善，而隔离护栏是其中非常重要的组成部分。针对隔离护栏清洁保养工作的特点，新型环卫机械产品护栏清洗车应运而生，并得到了市场的认可。本车通过4个立式滚刷转动并夹着护栏，并使用高、低压2套清洗系统对护栏、滚刷进行喷射，实现在多种工况下的保洁工作。由于水路系统对护栏清洗的效果起着关键作用，本文从高效、环保、节约的角度对护栏清洗车的水路系统进行一定的研究与分析。

2 水路系统原理

护栏清洗车水路系统分2套：高压水路系统的原理如图1所示，水箱中的水经过精过滤器进入高压水泵，形成的高压水通过安全阀、溢流阀进入液控高压球阀，然后分别进入4根高压喷杆并通过喷嘴喷出。低压水路系统的原理如图1所示，水经过精过滤器后分别进入2个低压水泵，进入低压水泵a的低压水流入液压油冷却器，然后通过三通球阀进入工作单元，进入低压水泵b的低压水通过球阀直接进入工作单元。

3 关键部件选型和参数计算

根据原理图可以确定水泵、管路、喷嘴为关键部件，需要对其进行参数计算为选型提供依据。

3.1 高压水路系统压力的确定

以市场上常用的洗扫车、高压清洗车为例，通常选用进口的柱塞水泵作为高压水泵，这类水泵具有性能稳定，工作时间长等特点。由于护栏清洗车水源复杂，常常含有较多杂质，因此采用精过滤器以保护高压水泵。由于系统压力大，需要通过安装溢流阀与安全阀。以便根据实际工况进行压力调节，对高压系统起到保护作用。清洗效果好与否，关键在于射流动压在冲击清洗对象表面所产生的冲击压力能否达到或超过清洗对象的屈服强度，此冲击力称为临界冲击压力[1]。

上式中，S为清洗对象的屈服强度极限，与附着层的材料、结构等有关；为应力系数；m为单位作用面积的流量；为流体中声音的传播速度(即微小的压力扰动在流体中的传播速度)。

由于护栏在长期的使用过程中，在自然天气、尾气排放等多种因素作用下，表面形成的附着物质较为复杂。在能有效破坏附着层和不破坏基体层的压力区间，尽可能选择较大的水泵压力，选取额定压力为10 MPa的高压水泵。

3.2 高压水泵、喷嘴选型及系统流量的确定

已知本次设计对象的护栏高度为900 mm。由表1可知，离护栏200 mm理想清洗靶距下，按某一型号的喷嘴考虑喷射重复系数，确定每根喷杆所需的喷嘴数量为4个。如图2所示，255×4×(1—0.1)＞900 mm可满足高度范围(其中0.1为重复系数)。通常将高压清洗水路工作压力设定为略低于高压水泵额定压力。已知一个喷嘴流量与工作压力的关系如表2，假设喷嘴工作压力为7 MPa，根据喷嘴性能参数确定流量为5.3 L/min，那么所需的总流量为Q=Nnq(N为喷杆的数量；n为每根喷杆的数量；q为一个喷嘴的流量(L/min)，Q为91.2 L/min。选择某一型号的高压水泵，流量为93 L/min，压力为10 MPa。

表1 喷雾角度和覆盖范围

表2 一个喷嘴流量与工作压力的关系

3.3 低压水泵、喷嘴的选型及系统流量的确定

低压水需经过液压油冷却器，对液压油进行冷却，需长时间工作。扫路车上常用的直流微型水泵，机泵一体结构紧凑，由电路直接控制，不增加副发动机的能耗，适用于护栏清洗车低压水路系统。某一型号的水泵扬程为30 m，选用一种喷嘴在0.3 MPa压力下，流量为3.6 L/min。由表3可知，离护栏150 mm理想清洗靶距下，按此喷嘴参数考虑喷射重复系数，确定每根喷杆需3个喷嘴，满足护栏的高度范围。由原理图可知，每个低压水泵供2根喷杆，则低压清洗所需的流量为3.6 L/min×2(根)×3(个)=21.6 L/min，考虑油冷却器所需的水流量，选择水泵流量为40 L/min。

3.4 管路设计

由于水体在管道中流动时，受到惯性、重力及粘性摩擦力的影响，其内部各处质点的运动状态各不相同，水体流动时必然有一部分压力损耗。根据流体力学沿程压力损失公式[2]

表3 喷雾角度和覆盖范围

上式中，△P为压力损失；v为水体平均速度，m/s；l为管子长度，m；d管子内径，m；为水的密度，kg/m3；为沿程阻力系数。

当水体流动过程中，边界条件急剧变化，如截面突然扩大或缩小、管道转弯等局部障碍，这使得水体发生变化而引起的局部压力损失。局部压力损失公式

由公式(2)(3)可知，管路内径d越大，长度l越小，弯管局部阻力系数越小，△P压力损失则越小。所以在管路设计中应尽量采用直管，避免弯管，并减少管路的长度。由图3可知，管路在最佳流速5 m/s，流量在70～100 L/min时，可确定高压软管或硬管内径在16～20 mm，取整后确定内径d=19 mm。

4 工况分析

在实际操作中车辆的行驶速度直接影响到了护栏的清洗面积。如果行驶速度过快，虽然护栏清洗的面积增大了，但护栏的洁净率很难保证；反之行驶速度过慢，又会降低清洗的效率，浪费水源。

遇到护栏难以清洗时，高低压水路系统可以同时使用。由图2可知，护栏先经过高压水第一次清洗，低压水射流首先对滚刷起润湿作用，待滚刷工作以后再对本身进行清洁，最后再经高压水第二次清洗。在潮湿、下雨的工作环境下，可以单独使用高压模式，其中低压水泵a常开，通过调节三通球阀后回水箱。当然也可以根据实际工况单独使用低压模式，只需把喷杆微调下角度，低压喷嘴水射流方向便从滚刷转向护栏。

本车对底盘进行了改造，增加了减速机构，清洗时无需半离合操作，保护了底盘摩擦片。选择同一路段进行三种模式下的试验，均达到较好清洗效果。记录数据如表4：

表4 不同清洗模式下的车速

经分析得知，高低压操作模式清洗效果最好，清洗的效率也是比较理想的。

5 结语

本文通过在护栏清洗车上同时安装高低压2套清洗水路系统，满足了各种工况的需要，通过合理选择水路系统，有效降低能耗，提高清洗效率和节约水资源。

[1] 鲁波军,陈杰.基于高压水射流分布特性的清洗参数选择[N].中国安全科学学报.2004(14).

[2] 许福玲,陈尧明主编.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社.2000.