姜 偉，李 銘，白子龍

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

引言

灑水車作為環(huán)境凈化的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于道路沖洗，綠化噴灑，降塵降溫，應(yīng)急消防等工況，在城市以及貨運(yùn)港口、工地、大型廠礦企業(yè)、隧道建設(shè)等區(qū)域隨處可見。隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們保護(hù)意識(shí)不斷提高，灑水車的銷量逐年增高，對(duì)智能化、多功能的灑水車產(chǎn)品需求也越來越多[1-2]。水路系統(tǒng)作為灑水車核心總成直接決定了產(chǎn)品的作業(yè)性能，因此，本文基于流體力學(xué)理論和拋物運(yùn)動(dòng)理論，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，建立灑水作業(yè)性能計(jì)算方法，對(duì)灑水車水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 灑水作業(yè)工作原理

灑水車由載貨車底盤、水罐、水路系統(tǒng)、取力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)和后操縱平臺(tái)等部分組成[3]，如圖1 所示。

圖1 灑水車

灑水車水路系統(tǒng)主要包括水罐、水泵、管路、氣動(dòng)切斷閥、球閥、前沖、后灑、側(cè)沖、水炮等，如圖2 所示。

圖2 灑水作業(yè)工作原理

水泵一般為自吸式離心水泵，動(dòng)力源一般為發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)，如圖3 所示。其工作原理為：水泵內(nèi)部的葉輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，促使水快速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下從葉輪中飛出，輸出水流。

圖3 自吸式離心水泵

水路系統(tǒng)通過氣動(dòng)切斷閥或球閥控制各個(gè)噴頭的開關(guān)，如圖4 所示。

圖4 氣動(dòng)切斷閥

一般情況下，沖為鴨嘴噴頭，后灑為灑水陀、側(cè)沖為三彎沖槍，如圖5 所示。

圖5 灑水車常用噴頭

2 灑水作業(yè)性能基本參數(shù)

灑水車應(yīng)能完成路面沖洗、灑水、水柱沖洗三個(gè)最基本的作業(yè)功能，作業(yè)性能基本參數(shù)包括：沖洗寬度、灑水寬度、灑水量、沖洗射程等。

沖洗寬度為灑水車水泵處于額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行路面行駛沖洗作業(yè)時(shí)，單次能達(dá)到的最大有效、連續(xù)作業(yè)面的寬度。

灑水寬度為灑水車水泵處于額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行路面灑水作業(yè)時(shí)，所噴出的均勻、連貫灑水面的最大寬度。

灑水量為灑水車水泵處于額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行路面灑水作業(yè)時(shí)，單位面積噴灑的水量。

沖洗射程為水柱沖洗（即水炮）水流達(dá)到的最遠(yuǎn)水平距離。

《QC/T 54 灑水車》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了灑水車灑水性能基本參數(shù)，如表1 所示。

表1 灑水作業(yè)性能基本參數(shù)

3 灑水作業(yè)理論分析

3.1 水泵

在水泵轉(zhuǎn)速固定不變的情況下，水泵揚(yáng)程H與泵出流量Q的關(guān)系為H-Q特性曲線[4]，即：

水泵通過試驗(yàn)可得到H-Q特性的離散數(shù)據(jù)，并采用一元二次多項(xiàng)式或者一元三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合就可得出H-Q特性曲線。如圖6 所示為某型號(hào)水泵在額定轉(zhuǎn)速n下的H-Q試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合后的曲線。

圖6 某水泵揚(yáng)程H 流量Q 特性

從通過水泵H-Q特性曲線可以看出，在水泵轉(zhuǎn)速固定的情況下，水泵的實(shí)際輸出流量Q主要由水泵出口阻力揚(yáng)程H決定。

3.2 管路

水泵輸出的流量經(jīng)過各類管道，閥門及噴頭后會(huì)產(chǎn)生壓力損失ΔP，即為水泵的阻力揚(yáng)程H，其關(guān)系式為：

式中：

ρ——水的密度，1 000 kg/m3；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

根據(jù)流體力學(xué)理論，管路中總的壓力損失ΔP為各段直段的沿程壓力損失ΔPf與各個(gè)接頭、閥門、噴頭等的局部壓力損失ΔPr之和[5]，即：

沿程壓力損失計(jì)算公式：

式中：

λ——沿程阻力系數(shù)；

d——管道內(nèi)徑，m；

l——管道長度，m；

v——管內(nèi)液體平均流速，m/s。

沿程阻力系數(shù)λ與管道內(nèi)部光滑程度，以及水在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。對(duì)于灑水車管路來說，一般取沿程阻力系數(shù)為：

其中Re為雷諾數(shù)，計(jì)算公式為：

式中：

v——水的運(yùn)動(dòng)粘度，20 ℃時(shí)?。?.006×10-6）m/s2。

局部壓力損失計(jì)算公式為：

式中：

ζ——局部阻力系數(shù)系數(shù)；

v——局部液體流速，m/s。

3.3 噴頭射程

水泵輸出的實(shí)際流量Q經(jīng)過管路后最終從噴頭射出時(shí)，噴頭出口處的水流流速v0為：

式中：

Q——水泵輸出的實(shí)際流量，L/min；

A——噴頭出口處的面積，m2。

忽略空氣阻力影響的前提下，噴頭噴射水本質(zhì)上是水流束從噴頭出口處以v0的初速度做拋物運(yùn)動(dòng)，如圖7 所示。

圖7 拋物運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)拋物運(yùn)動(dòng)理論得噴頭射程計(jì)算公式為：

式中：

θ——噴頭出口與水平線夾角，°。

4 灑水作業(yè)性能計(jì)算方法

通過上述分析可知，由于離心水泵具有H-Q特性，水泵出口處的阻力揚(yáng)程的大小決定水泵實(shí)際輸出流量，因此計(jì)算灑水作業(yè)性能時(shí)應(yīng)先計(jì)算水泵實(shí)際流量Q，再根據(jù)水泵實(shí)際流量計(jì)算灑水作業(yè)性能，即灑水作業(yè)性能計(jì)算流程如圖8 所示。

圖8 灑水作業(yè)性能計(jì)算流程

4.1 水泵實(shí)際流量計(jì)算

通過上述分析可知，水泵輸出的流量經(jīng)過管路（包括各類管道，閥門及噴頭）產(chǎn)生的壓力損失ΔP與水流流速v相關(guān)，因此，水泵實(shí)際流量計(jì)算步驟如下：

（1）預(yù)設(shè)水泵流量Q0；

（2）根據(jù)Q0計(jì)算管路中的壓力損失ΔP（沿程壓力損失和局部壓力損失之和）；

（3）將壓力損失ΔP根據(jù)公式（2）折算為水泵的阻力揚(yáng)程H；

（4）將折算的水泵阻力揚(yáng)程H根據(jù)水泵H-Q特性曲線，得出對(duì)應(yīng)的水泵實(shí)際輸出流量Q；

（5）對(duì)比初設(shè)水泵流量Q0與水泵實(shí)際輸出流量Q。當(dāng)Q0=Q時(shí)，水泵實(shí)際輸出流量為Q；當(dāng)Q0≠Q(mào)時(shí)，返回第（1）步重新設(shè)置水泵流量Q0的數(shù)值，重新開始計(jì)算，直至Q0=Q為止。

水泵實(shí)際流量計(jì)算流程如圖9 所示。

圖9 水泵實(shí)際流量計(jì)算流程

局部阻力系數(shù)ζ是計(jì)算管路壓力損失中非常重要的參數(shù)。管路中的局部阻力系數(shù)與管路型式和類型相關(guān)。

4.2 灑水作業(yè)性能計(jì)算

計(jì)算灑水寬度時(shí)，先計(jì)算水流經(jīng)過前沖與后灑管路后，水泵的實(shí)際輸出流量Q，然后代入公式（8）（9）中計(jì)算前沖噴頭射程Sq，后灑噴頭射程Sh。左、右前沖噴頭的距離為Lq，左、右后灑噴頭的距離為Lh，則前沖灑寬Bq，后灑灑寬Bh分別為：

灑水車整車灑寬為：

計(jì)算水炮射程時(shí)，先計(jì)算水流經(jīng)過水炮管路后，水泵的實(shí)際輸出流量Q，然后代入式（8）（9）中計(jì)算，得出水炮射程Ss。計(jì)算時(shí)取噴頭出口與水平線夾角θ=45°。

灑水量與車速、灑寬B、水泵流量Q的關(guān)系為：

式中：

q——灑水量，L/m2；

ua——車輛行駛速度，km/h。

5 理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)某款灑水車進(jìn)行灑水寬度、水炮射程、灑水量的理論計(jì)算，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 理論計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

通過理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比分析，灑寬、水炮射程、灑水量的理論計(jì)算與實(shí)測數(shù)值誤差小于6%。

6 結(jié)論

（1）灑水車自吸式離心水泵具有H-Q特性，即在水泵轉(zhuǎn)速恒定的情況下，水泵的實(shí)際輸出流量Q由水泵出口阻力揚(yáng)程H決定；

（2）水泵實(shí)際輸出流量Q的計(jì)算需經(jīng)過多輪次的反復(fù)計(jì)算，直至Q0=Q，或者｜Q0-Q｜≤ΔQ，ΔQ為可接受的最大誤差值；

（3）忽略空氣阻力影響的條件下，噴頭噴射水本質(zhì)上是水流束從噴頭出口處以初速度v0，水平夾角θ做拋物運(yùn)動(dòng)；

（4）通過理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，所建立的灑水車作業(yè)性能計(jì)算方法具有較高的準(zhǔn)確度，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。