环卫车高压清洗系统的设计优化

邢广佩

摘要：结合环卫车高压清洗系统的实际应用情况，对环卫车高压水路系统的结构与控制逻辑关系匹配进行了优化，解决了由于控制逻辑关系造成的系统内压力震荡问题，使得各系统动作换向时，管路内液体流动平稳，压力损失小，提高了高压水泵、安全阀及卸荷阀的使用寿命。

关键词：环卫车 高压水路 控制逻辑 回水管路 压力震荡

中图分类号：U469.6+91.03 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2018）03-0090-05

1 前言

随着国家经济的不断发展，越来越多的环卫车走进人们的生活。为了提高车辆的清洁能力，避免二次扬尘，部分环卫车上加装了高压清洗系统，如洗扫车、高压清洗车、路面养护车、地下管网疏通车等。高压清洗系统的应用使城市环卫清洁更加高效，但大流量、高压力的水在作业过程中对系统可靠性要求更高。系统设计的合理性不仅会影响产品的使用性能，同时有坷能由于系统结构、控制設计的匹配不合理，导致水泵泵体、水路中的阀、喷嘴管路等损坏。因此，在高压水路设计应用过程中，除了注意流量和压力、管路之间的匹配问题外，还应考虑到控制逻辑关系与系统之间的匹配。

2 现有高压清洗系统的工作原理

高压清洗系统主要是利用高压水流的动能，以高压力、低流量的方式清洗路面。具有去污能力强，能清除路面陈旧污渍，工作效率高，较普通洒水车耗水量少的优点。高压清洗系统原理如图1所示，由水箱、高压水泵、水过滤器、自动卸荷阀、安全阀、高压球阀、分水管、高压管路、喷嘴、高压喷枪等组成。以水为工作介质，由柱塞式高压水泵经水过滤器将水吸入泵体，依靠柱塞在缸体中往复运动，将普通的水转化为高压水，经自动卸荷阀进入分水管，然后通过气动控制高压球阀的开关控制高压水流入各作业单元。最后，高压喷嘴把高压水转变为低压高流速的射流。当射流的冲击力大于污垢与物体表面的附着力时，就会将污垢剥离，冲走，从而起到高压清洗的作用。

高压清洗系统的设计，首先要考虑高压清洗系统的应用场所、使用工况、对接水源等因素。该套系统在环卫车上应用十分成熟，广泛应用于高压清洗、洗扫、路面养护、清洗疏通等车辆，工作原理相对成熟规范，本文不再赘述，仅以洗扫车为例，进行系统结构分析。

洗扫车的高压清洗系统主要用于城市道路高压清洗、喷雾降尘、手持喷枪定点冲洗、箱体内部自洁等，车辆一般匹配9m3清水，工作压力≥7MPa，持续作业时间60?90min。洗扫车主要零部件总成为喷嘴、管路、限压阀及水泵等，其工作原理如图1所示。

由图1可见，水箱内的水经过过滤器进入高压水泵，产生的高压水通过自动卸荷阀、溢流阀进入总分水管，然后通过气动控制球阀的执行器控制高压球阀的开关，以控制高压水流入各个作业单元。为避免水泵带负载启动，水泵卸荷阀连接的球阀处于常开状态，即在不工作时，系统内的高压水通过水泵卸荷阀直接流回水箱；其余各分水器工作单元连接的高压球阀处于常闭状态，只有当某个工作单元需要工作时，与之对应的气缸电磁阀得电才能使得高压球阀打开。当各路工作单元任意一路动作时，水泵卸荷阀同时关闭，确保高压水流到各相应工作装置。整套系统的控制方式是采用电磁阀控制气缸动作，再由气缸开关各管路球阀实现水路系统的自动控制。详细情况可见电气原理图2，高压清洗系统气阀组电气控制逻辑关系表1。

由高压水气路原理图3解析得知，气动系统气源取自底盘车制动系统的储气筒。取气口后设有一个手动气阀，它是气动系统的气源总开关，正常工作时，该阀总是开启的。维修气动系统前，应先关闭该阀，维修后打开该阀。在该阀附近还装有一个同型号的手动气阀，该阀出口与高压水路吹气管相连，用于冬季高压水路排水。整套气动系统总共分为6路，分别通过电磁换向阀控制气缸的伸缩，实现控制水路球阀的启闭。其中左侧第1路是控制水泵卸荷阀，其余5路是通往各动作单元的启闭，依次为自洁球阀开关、喷雾球阀开关、中喷杆球阀开关、右喷杆球阀开关及左喷杆球阀开关。

由表1以及图2解析得知，当操作人员选择左清洗作业时，通过控制器输出控制左喷杆喷水，电磁阀YV19、吸嘴喷杆喷水电磁阀YV21得电，通过外部线束控制高压水卸荷阀YV26同时得电，电磁阀YV19、YV21所控制气缸推出，YV26所控制气缸收回，各个气缸动作同步完成；当选择右清洗作业时，通过控制器输出控制右喷杆喷水电磁阀YV20、吸嘴喷杆喷水电磁阀YV21，通过外部线束控制高压水卸荷阀YV26同时得电，电磁阀YV20、YV21所控制气缸推出，YV26所控制气缸收回，各个气缸动作同步完成；当选择全清洗作业时，通过控制器输出控制左喷杆喷水，电磁阀YV19、右喷杆喷水电磁阀YV20、吸嘴喷杆喷水电磁阀YV21同时得电，通过外部外部线束控制高压水卸荷阀YV26同时得电，电磁阀YV19、YV20、YV21所控制气缸推出，YV26所控制气缸收回，各个气缸动作同步完成；当选择自洁作业时，自洁电磁阀YV25与高压水卸荷阀YV26同时得电，电磁阀YV25所控制气缸推出，YV26所控制气缸收回，两气缸动作同步完成；当选择喷雾作业时，喷雾电磁阀YV24与高压水卸荷阀YV26同时得电，电磁阀YV24所控制气缸推出，YV26所控制气缸收回，两个气缸动作同步完成；当从任意一种作业模式切换到“作业停止”时，YV26与相应的动作电磁阀同时断电，YV19、YV20、YV2丨所控制气缸收回，YV26所控气缸推出，各个气缸动作同步完成。

3 常见高压水路及问题分析

3.1 现有高压水路存在的问题

目前市场上常见的高压水路供水系统基本动作平稳，无过大异常，只是在动作单元启动时发现测压表针有轻微震荡，但经过长时间运行，使用超过1年后，发现水泵泵头损坏、安全阀、自动卸荷阀的故障率偏高。水泵陶瓷泵头出现开裂、安全阀、卸荷阀出现卡滞现象，如图4所示。

3.2 故障原因分析

在检查水泵进水过滤器完好性后，排除了因水质问题造成的损坏，经过对高压水路结构和控制逻辑关系分析，并跟踪车辆实际使用工况，发现引起此故障的原因主要有如下2个方面：

一是当高压水路中的各电磁阀YV19、YV20、YV21所控制气缸推出动作时，水泵卸荷阀YV26同时动作，当两路水路同时动作时，由于卸荷球阀YV26关闭时，VY19、VY20、VY21开启存在延后现象，在卸荷阀关闭工作球阀开启的过程中，会出现短暂的管路通径封闭、或半封闭状态，形成相对封闭的空腔，由水泵泵出的高压水持续向管路内输送，在封闭腔内管路水压瞬间升高，形成压力震荡。尽管这种压力震荡现象持续时间较短，肉眼观察不明显，但采用电子压力传感器测压反馈到压力曲线图中，可以看出各水路动作换向均会引起明显的压力震荡。高压振荡的反作用力通过液体高压水反馈到水泵泵头上，造成水泵泵头处于长时间的震动中，容易引起泵头疲劳破坏。

经现场测试水泵出口压力，印证了该分析，详见水泵工作压力震荡曲线图5。由图5可见，每次水路动作转换会存在23的压力震荡：高压清洗系统水路压力提升是结合使用工况和输入转速设计的，为避免发动机负载启动，0?t1时间内，发动机在启动到转速达到怠速状态，柱塞水泵处于卸荷状态，系统压力为0；t1～t2时间内进入作业启动模式后，发动机保持怠速，经过5s压力缓慢提升期，系统压力升到2M Pa；t2～t3时间内进入压力提升期，发动机怠速状态，系统压力保持2MPa，稳定5s；t3～t4时间为系统压力上升期，经过10s时长，发动机转速提升到1550r/min，持续10s，系统压力最高达8MPa；t4～t5时间段为高压稳压期，发动机转速稳定在1550r/min，系统压力经过1?2s压力震荡期，最后稳定在安全阀设定压力7MPa。

图5中，0?t1为怠速（800r/min），系统卸荷状态；t1～t2为怠速，作业启动过程中状态，持续5s，系统压力升到2MPa；t2～t3为怠速，作业启动过程完转速开始提高前状态，持续5s；t3～t4为副发动机转速提高到作业转速（1550r/min）状态，持续10s；系统压力最高达8MPa；t4～t5为系统调压阀调压过程状态，压力震荡持续1?2s，最后调定在7MPa；t5?t6为系统压力稳定正常作业状态；t6～t7为作业开始，气缸推动清洗球阀打开，同时气缸推动水泵卸荷球阀关闭，压力震荡持续1?2s，最后调定在7MPa；t8～t9为作业停止，气缸推动清洗球阀关闭，同时气缸推动水泵卸荷球阀打开，压力震荡持续1?2秒，最后调定在7MPa。

可见该套系统的控制逻辑关系存在设计缺陷。

二是由于环卫类的高压清洗车每天作业完毕后，车辆操作人员在手持点喷枪进行清洗作业时，水泵卸荷阀YV26处于关闭状态，后喷雾电磁阀YV24处于开启状态，点喷枪的开关通过手动控制，当点喷枪处于开启状态时，高压水流持续稳定输送到点喷枪外，压力稳定，安全阀处于设定工作压力；当点喷枪瞬间关闭时，由于高压水泵仍处于工作状态，依然持续向点喷枪管路供水，引起管路内的压力瞬间升高，当压力超过安全阀设定值时，安全阀处于溢流状态，极限状态下可能引起自动卸荷阀的快速卸荷，在此工作过程中水泵到点喷枪之间水压处于震动状态。该震荡经过高压水反馈到水泵泵头，从而影响水泵的寿命，同时大大降低了安全阀和自动卸荷阀的使用寿命。

当车辆操作人员手持点喷枪作业时，如果手持电喷枪处于关闭状态，则从水泵出口到分水器、管路、喷枪内腔，整体形成封闭腔，腔体内充满高压水，但高压水泵仍处于额定工作状态，即高压水泵持续向封闭腔内注水，由于腔体内容积不变，不断増多的高压水必然引起封闭腔内的水压升高，当封闭腔内的水压高于设定的安全阀压力时，高压水推动安全阀阀芯，阀体溢流卸荷，在极限状态下，瞬间压力骤升会将卸荷阀阀芯顶开，达到快速卸荷。由于一般在高压清洗系统中，手持点喷枪位于水泵出水口远端，管路内的超压溢流如果通过安全阀溢流的话，卸荷阀动作会有延时，可能存在卸荷不及时的问题。下面通过高压水泵的排量公式进行分析：

式中，Q为泵体在单位时间内流量，q为每转泵体的排量，n为泵的输入转速，t为工作时间。由于柱塞泵排量q为一个定值，而单位工作时长t=60s，属于常量，由此可见高压柱塞水泵在每分钟排量Q與水泵输入转速n成线性关系。

输入转速n为1000 r/min，水栗的排量为98 L/min，点喷枪在作业时，高压水流从喷枪喷嘴流出，喷嘴流量公式如下：

式中，Qp为体积流量，m3/S；Cd为流量系数，0计算可得，Qp=31.5L。对比水泵排量Q泵与水枪流量Qp可见，Q泵>Qp，即当手持点喷枪作业时，水泵供水量远大于喷枪需求量，造成大量高压水流浪费，系统压力高压安全阀压力，近30%左右的高压水通过溢流阀回流到水箱，由于手持喷枪距离水泵较远，卸荷响应相对延后，容易引起系统内压力震荡。

4 结构改进优化

4.1 控制逻辑关系改进

通过故障分析可知，现有高压水路系统开始工作或停止工作时，高压水卸荷阀YV26跟电磁阀YV19、YV20、YV21同时得电，即YV19、YV20、YV21所控制气缸伸缩与YV26所控气缸伸缩是同时动作。由电磁阀得电到气缸的响应动作时间大约间隔约0.2s，在这短暂的时间内，水泵出水口到管路、分水管会形成短暂的封闭腔。由于水泵持续供水，造成腔体内的液体不断增加，从而引起管路内水压升高，当压力超过安全阀设定压力后，安全阀卸荷，腔体内的压力下降，安全阀关闭；继而腔体内压力上升，安全阀打开，如此反复2?3个回合，使得整个管路达到内部平衡，压力稳定。

因此要想解决在高压水路开始工作或停止工作时的压力震荡问题，最核心的是要将这个动作过程中的封闭腔打破，即在各动作单元开闭球阀时，需与卸荷阀开关有一定的时间重叠。针对上述控制逻辑关系存在的问题，对其进行优化设计，当各水路单元动作时，在水泵卸荷阀动作时增加一个延时保护，优化后的高压水电气原理图如图7所示。

图7控制原理图解析：左喷杆喷水电磁阀YV19、右喷喷杆喷水电磁阀YV20、吸嘴喷杆喷水电磁阀YV21在开启“作业启动”后三个电磁阀YV19、YV20、YV21得电，相应高压球阀打开；高压水卸荷阀YV26延时2s后得电，此时高压卸荷球阀关闭。两个气缸动作延时相差2s，YV19、YV20、YV21所控制气缸推出，YV26所控气缸收回。“作业停止”时YV26电磁阀先得电，高压卸荷球阀打幵，YV19、YV20、YV21延时2s得电，相应高压球阀关闭，三路电磁阀断电，YV19、YV20、YV21所控制气缸收回，YV26所控气缸推出。

4.2 水泵多余流量疏导

通过故障原因分析可见，针对操作人员手持点喷枪作业工况，引起系统内压力震荡的主要原因是，水泵排量大于喷枪需求水流量，多余的高压水需要通过安全阀卸荷达到使用需求，并且手持点喷枪距离安全阀位置较远，安全阀卸荷响应延迟，造成系统内部压力震荡。为解决该压力震荡，需要解决水泵多余流量疏导的问题。因此针对高压水路结构进行改进，在手动点喷枪水路接口处增加一个固定的回流管路，确保在远处作业端直接卸荷，管路长度短，响应快，相比泵端而言，不易对泵头冲击，元件寿命得到相应提高。改进方案如图8所示。

5 结语

通过结构设计、控制逻辑关系优化，利用气动球阀启闭的动作延时、增加手持喷枪回流管结构，使得整套高压水路系统的换向动作平稳，降低了由于高压水震荡引起的安全阀、自动卸荷阀、高压水泵泵头的疲劳破坏，提高了高压水路系统的使用可靠性，大大延长了水泵及相关附件的使用寿命，经济效益可观。

参考文献

[1]刘洋.洗扫车高压水路系统的设计分析[J].专用汽车，2010（2）：50-52.

[2]张晓东，策志国.郝鹏飞等.扁平扇形喷嘴设计及实验研究[J].机械设计与研究，2008（1）：89-92.