一种纯电动清洗车水路系统的设计开发

张 冰，秦付华，彭柳柳

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

随着经济的发展以及改革的逐步深化，我国正处在工业化和城市化双加速的发展阶段，城市化水平正朝着从高速发展向高质量发展的深刻转型。从人口的增长率、城市的发展速度以及民众的物质消费水平的大幅度提高等各方面因素来看，城镇人口数量逐年倍增且聚集度高，根据相关机构数据统计，2019 年，我国城镇化率已达到60.6%。各方人源涌入城镇，人数剧增的同时，人员的构成也越来越复杂，面对人口膨胀的压力及人们的生活习惯的多样性已对城镇环境产生了重大的影响，而伴随而来的就是生活垃圾产生量的迅速增长，如今环境隐患问题日益突出，城镇的生活环境压力越来越大[1]。

纯电动车环卫车作为新能源汽车之一，与传统汽油底盘的环卫车相比较，具有零排放的独特优势，越来越受到政府各级环卫系统人员的喜爱。随着国家对新能源汽车的推广和城市环境的升级，环卫车将向新能源化、智能化发展。燃油底盘的环卫车将逐步被新能源环卫车取代，环卫车上装总成所需动力的输入，也将从传统的变速箱取力器取力转变为底盘电池组提供动力。纯电动二类货车底盘的电池组输出电压一般是高压直流，而环卫车上装总成常用的动力电机驱动电压是高压交流。因此，电池组的输出电压不能直接用来驱动上装总成的动力电机，需要开发设计专用的电机控制器，将电池组输出的高压直流电压转化为高压交流电压。对底盘电池组经电机控制器电压转化，进而驱动电机油泵总成的控制方式的研究以及对水路系统电机水泵总成、电机控制器、水过滤器、管道、水箱、洒水机构等主要零部件的匹配设计研究，是纯电动清洗车开发的重要内容。此外，由于车辆厢体空间的局限，纯电动清洗车开发还需要充分做到合理的总体布置，既要考虑方便使用及可维护性，又要考虑环卫工人的实际使用场景，车厢需预留一定的空间以便放置作业工具和随车工具等物品。

在纯电动底盘的基础上开发的环卫车，机、电、液的联合匹配度更高，电气控制系统实现多层逻辑架构，支持CAN 协议、参数采集、远程遥控、无线连接等功能扩展；在电动化、实时监控、高效率、快速响应、安全环保等方面，与燃油底盘的环卫车相比较，具有明显的优势。纯电动汽车采用电机驱动，由于缺少发动机噪声及其掩蔽效应，而使得车内声压级水平总体较低[2]。此外，纯电动汽车还具有零排放、高效率、加速快、电控化、智能化等特点。随着城镇化的不断发展，清洗车作为城市清洁必不可少的重要专用车，市场需求量较大。来自作者所在公司的新产品基于新能源货车底盘的纯电动清洗车开发项目，该项目结合五菱电动货车底盘的相关性能及产品特性开展清洗车的研究工作，主要内容包括：整车布置、电机水泵选型设计、水路管路系统设计等，既保证了产品的关键性能，又缩短了产品的制造周期，使产品整体性能在国内具有较高的水平。

1 纯电动清洗车水路系统设计

1.1 整车总体布置及清洗附件介绍

如图1 所示，纯电动清洗车主要组成部分由汽车底盘、厢体、水路系统等组成；水路系统主要零部件包括电机水泵总成、电机控制器、水管卷管器、高压水枪、水过滤器、前部洒水机构、水箱等。电机水泵总成与水箱之间留有一定的空间，用于存放清洁工具及随车工具。水路系统设计有带快插接头的备用水路，可外接手推式移动清洗器、旋转盘清洗器、旋转清洗刷、清洗杆、水射流旋转风送式雾炮机、冲洗杆、污泥清吸器、手推式移动洗地盘等清洗附件，实现一车多用，适应多种作业需求。

图1 纯电动清洗车总体布置

手推式移动清洗器一般由喷枪、扶杆、万向轮、喷杆、喷头等组成，能快速清洗如人行道、行车道、街道及其他需要快速清洗的表面；旋转盘清洗器是通过高压水射流的作用使远射水流进行高速360°旋转清洗。旋转清洗刷能在更快捷清洗的同时有效地保护清洗对象的表面，适用于清洗小汽车、卡车、瓷砖等表面。水射流旋转风送式雾炮机由风筒、风叶、转轴、喷杆总成、调节底座等组成，通过高压水喷射产生的推力，使风叶高速旋转，从而将喷头喷射的水雾风送到较远的距离，采用高压水作为风叶转动的动力源，将液压能转化为机械能，无需额外电机驱动风叶从而达到节能的目的。污泥清吸器主体采用PP 加强材料，具有很好的耐用性，大口径吸口配合高流水速能产生更大的吸力，可快速清吸污泥、泥浆、污水等。手推式移动洗地盘由高压喷头喷射高压水同时推动喷杆高速旋转，通过每分钟上千次的对地旋转清洗形成清洗环，从而推动洗地盘形成清洗路径；洗地盘配套耐用的可更换铝片压制式硬毛刷，方便使用及操控；使用洗地盘能极大降低操作者的劳动强度，同时增加高压清洗操作的安全性，适用于快速清洗平台、露台、天井、走道、车道、停车场等大面积作业。

1.2 水路系统的设计

1.2.1 电机水泵总成的选型设计

电机水泵总成主要由电机、水泵、连轴器组成，如图2 所示。

图2 电机水泵总成

水泵的选型设计主要考虑的因素：

（1）根据纯电动清洗车水路系统最大工作压力20 MPa 的设计要求，选用高压柱塞泵，最高工作压力可达25 MPa 左右。高压柱塞泵靠活塞往复运动，使得泵腔工作容积周期改动，完成吸入和排出液体，其主要有的优点：一是，构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到较高的配合精度，密封性能好；低中压容积效率可达95%左右，总效率为90%左右，在高压工作时仍有较高的容积效率。二是，能够实现高压、大流量输出，传递功率大，因此广泛地应用于高压系统中。三是，结构紧凑，单位功率消耗的材料量较齿轮泵、叶片泵都少；转动惯量小，体积相对较小，易于布置。四是，容易实现流量调节，只需要改变柱塞的工作行程就能改变流量。五是，可靠性高，使用寿命长。

（2）水泵的排量确定。根据纯电动清洗车水路系统输出流量为大于或等于30 L/min 的设计要求以及电机大扭矩输出时的转速范围来进行水泵的排量确定。在功率一定的情况下，电机转速高，则输出扭矩小；反之，电机转速低，则输出扭矩大。常规电机的转速范围500 ～ 2000 r/min，有较大的扭矩输出；另外，水泵的排量越大，则体积越大。因此，水泵选型不能一味追求大排量低转速或小排量高转速；选定水泵的工作转速为1500 r/min 是较为合理的。

根据流量计算公式：

Q=Vp×n×ηv/1000 = 30 L/min （1）式中，Vp为水 泵 的 排 量（mL/r）；n为 水 泵 的 转 速（rpm），为1500 r/min；ηv为水泵的容积效率，取0.90；代入公式计算，得到水泵的排量Vp= 22 mL/r，根据高压柱塞泵的排量系列，选取水泵的排量为25 mL/r。以排量为25 mL/r 带入公式（1）计算，在1500 r/min 的转速下，水泵的流量输出为34 L/min，符合设计要求。

电机的选型设计主要考虑以下几个方面：

一是，电机的选型，需要考虑可靠性、可维护性及成本等方面，选择生产上用量大的220 V 三相交流异步电机。三相交流异步电机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。

二是，电机功率的确定。电机功率的选择，主要由水路系统水泵的输入功率决定。

根据水泵的最大输入功率计算公式：

式中，Pp为水泵最大工作压力，为20 MPa；ηm为传动效率，取0.90；代入公式计算，得到水泵的最大输入功率为12.6 kW，则选择额定功率为13 kW 的220 V 三相交流异步电机。

1.2.2 电机控制器的选型设计

所选电动货车底盘电池组提供的额定电压是335 V（直流），而电机的工作电压是220 V。底盘的电压无法直接驱动电机，需要设计一款电机控制器，既能在功率输出方面满足设计要求，又能将底盘电压转化成220 V 交流，驱动220 V 的三相交流异步电机，从而驱动水泵。

1.2.3 水过滤器的选型设计

水泵工作寿命的缩短，容积效率的降低以及工作压力的下降，往往是由于内部受到了颗粒、杂物的污染磨损。从水箱出水口出来的水，含有一定的颗粒、杂物，不能直接进入到水泵泵体，需要经过水过滤器的过滤，过滤掉水中的颗粒、杂物以保护水泵，延长水泵的使用寿命。水过滤器从使用压力上区分，一般分为中高压水过滤器和低压水过滤器；从过滤精度区分，一般分为精过滤器和粗过滤器；从使用位置及作用上来区分，可以分为吸水过滤器、压水过滤器及回水过滤器三种。吸水过滤器通常布置在水箱内部底面或水箱出水口与水泵进水口的管路上；布置在水箱内部底面的优点是与水箱成为一体，节约空间，缺点是不方便拆洗更换；布置在水箱出水口与水泵进水口的管路上，优点是方便拆洗更换，缺点是需要专门设计安装支座安装并需要一定的安装空间。环卫用的纯电动清洗车，清洗作业的水来自自来水管道，比较干净，杂质较少。因此，水路系统一般不需要配置过滤精度较高的精过滤器，水泵出水端也无需布置压水过滤器，仅需要在水箱出水管路上设置吸水过滤器、在水箱回水管路上设置回水过滤器即可满足使用要求。

吸水过滤器和回水过滤器都是用在低压的非工作水路上，过滤精度通常有80 目、100 目、150 目、180目、200 目等。根据市场使用经验及水路系统相关可靠性试验的结果，清洗车选用过滤精度为150 目的网式吸水过滤器和回水过滤器即可满足车辆使用要求。吸水过滤器和回水过滤器配置滤芯污染发讯器和水路旁通阀，当滤芯被污染物堵塞到一定的程度时，发讯器发出讯号，提醒操作者及时更换或清洗滤芯。若此时不能马上停机或无人来更换滤芯时，在滤芯上部的水路旁通阀会自动开启，以避免水泵出现吸空故障。但应尽快停机更换或清洗滤芯，以保持水路系统的清洁度，提高水路系统的可靠性。

根据水路系统的设计参数，水泵最大输出流量为34 L/min，吸水过滤器和回水过滤器应该具有足够的通流能力，以便减小压力损失以及延长滤芯清洗或更换的时间间隔。通常选择实际通过流量的2～3 倍，即选用通流能力为100 L/min 的吸水过滤器和回水过滤器较为合适。

1.2.4 水管内径的设计计算

纯电动清洗车的水路系统，包括低压的水泵吸水管路、水箱回水管路以及通往高压水枪、喷嘴的高压管路。低压管路和高压管路内径的确定，由系统的最大水流量、推荐流速进行计算得出，各水管的额定工作压力决定水管的组成材质及壁厚，水管的额定工作压力选择由水路系统在该段管路的最大工作压力确定。

管道内径d（单位：mm），按流速选取

式中，Qp为水泵的最大输出流量（m3/s），34 L/min 转化为0.0005667 m3/s；V为流速（m/s），荐用流速：对于吸水管v≤1 ～ 2 m/s（一般取1 m/s 以下）；对于高压水管v≤3 ～ 6 m/s；对于回水管v≤1.5 ～ 2.5 m/s；则取吸水管流速0.8 m/s，高压水管流速为2 m/s，回水管流速为1.4 m/s，分别代入公式（3）计算得到：吸水管内径计算值为30 mm，高压水管内径计算值为19 mm，回水管内径计算值为23 mm。

1.2.5 水箱的设计

需上牌照在道路上作业的纯电动清洗车，属于专项作业车辆，其水箱的设计，不仅需要考虑整车厢体的空间大小以及溢流、防锈功能，还需要符合国家对于专项作业车辆罐体容积的相关法规要求。本项目所选用的底盘为N1 类的电动货车底盘，其总质量为2690 kg，清洗车整车整备质量为1810 kg，则额定载质量为750 kg。国家相关法规对于罐式车辆的容积有以下3 个规定：

（1）1.0≤罐体总容量（m3）/［额定载质量（kg）/介质密度（kg/m3）］≤1.05；

（2）罐体体积（按外形尺寸计算）×0.85≤罐体总容量；

（3）有效容积×介质密度≤额定载质量。水的密度为1000 kg/m3，清洗车额定载质量为750 kg，因此，要同时符合3 个关于容积的规定，水箱的有效容积确定为0.75 m3。

在设计清洗车的水箱时，其高度、宽度由厢体内部高度、宽度决定，水箱的长度根据有效容积进行设计。由于在水箱与电机水泵之间，还需要预留一定的空间用于放置随车工具和清洗附件等，水箱设计成长方体较为合适，方便布置，减少水箱对车厢长度方向的空间占用。

出于防锈的要求，水箱材质宜选用304 不锈钢。从生产焊接工艺以及自身重量、使用可靠性方面考虑，选择2 mm 厚的304 不锈钢板进行水箱制作。不锈钢板太薄，焊接难度大，焊接质量较难保证，水箱容易漏水；不锈钢板太厚，虽然方便焊接，但会增加成本及整车重量。

1.2.6 前部洒水机构的设计

如图3 所示，前部洒水机构主要由喷杆、喷嘴、电推杆、小电机、点喷头等零部件组成。喷杆、喷嘴、点喷头均选用防锈性能好的304 不锈钢钢管制作。前部洒水机构主要用于纯电动清洗车的洒水作业，喷杆的工作压力一般在1～ 5 MPa，点喷头的工作压力最高可接近水路系统的最大设计压力（管道存在一定的压力损失）。根据安装位置的离地高度以及2 个喷嘴间的距离选择合适的喷嘴，喷嘴喷水角度过小，则无法在地面形成连续的水线，有间断的地方水洒不到；喷嘴喷水角度过大，则影响水压，从而影响喷洒效果。为了扩大喷杆的作业范围，前部洒水机构设计有2 个电推杆，电推杆1 的作用是控制喷杆左右摆动，电推杆2的作用是控制喷杆上下摆动，通过喷杆的摆动来增加洒水范围。前部洒水机构还设计有点喷头，通过三通球阀的切换，可以方便地在喷杆低压洒水作业和点喷头高压喷水作业之间切换。小电机1 的作用是控制点喷头上下摆动，小电机2 的作用是控制点喷头左右摆动，以适应不同的作业要求。

图3 前部洒水机构

2 结语

随着我国经济快速发展，城市的发展非常迅速，我国道路建设也非常迅速，由于环境保护受重视程度越来越高，多功能路面清洗车的需求量越来越大。保持路面洁净的设备主要有路面清扫车和路面清洗车[3]。路面清洗车用于清洗路面较小的覆层物，并且能够保证高的清洗质量和高效率。高速水射流喷射形成的水雾，有降尘、净化空气的作用。多功能路面清洗车具有很多功能，常用的功能是：洒水、浇灌路边花草、高压水流清洗路面、喷雾。洒水是城市中最常用的降尘、给道路表面降温的方法，它在城市环卫中的作用非常重要。高压水流清洗路面可以清除路面的细小碎屑、垃圾，使城市道路更加干净、美观，同时也有降尘的功能，使城市面貌焕然一新[4]。根据城市精细化管理需求，深圳、上海等一些大型城市，已要求人行道、非机动车道等路面实行机械化作业。小型纯电动清洗车产品应运而生，小型纯电动清洗车在开发设计时，产品既要考虑在较小空间下布置一定量的水箱及其他作业装置，也要考虑整车充满电连续作业时间满足一天需求[5]。以最大设计总质量不大于3500 kg 的二类纯电动货车底盘为基础开发的小型纯电动清洗车，整车机动性强，拐弯半径小，进入性好；主要用于城市道路、摊点路面和小广告清洗的专用作业车辆，被广泛应用于中大型车辆难以进入的狭小街道、人行道、步行街、广场等场所的清洗作业。小型纯电动清洗车整车电气化程度高，前部洒水机构采用工业直线电推杆及旋转电机，在驾驶室即可通过控制盒进行作业操作，操作简单方便，工作稳定可靠；整车可配置监视系统，用于观察作业装置的作业情况。纯电动清洗车属于新能源环卫车，其在环保方面具有巨大的优势，发展前景广阔，必将逐步取代传统的燃油清洗车而成为城市卫生清洁中不可或缺的主力军。