陳家碩

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

高速公路是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，是衡量一個(gè)國(guó)家公路交通運(yùn)輸和汽車工業(yè)現(xiàn)代化水準(zhǔn)的重要標(biāo)志[1]。自1988年我國(guó)修建第一條滬嘉3200高速以來(lái)，我國(guó)大力推進(jìn)高速公路及相關(guān)設(shè)施的建設(shè)，高速公路保有量不斷增加，取得了舉世矚目的成績(jī)[2]。據(jù)交通運(yùn)輸部公布的有關(guān)交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年年末，我國(guó)公路總里程達(dá)到了501.25萬(wàn)公里，較2015年增加了43.52萬(wàn)公里；其中公路密度達(dá)到52.21公里/百平方公里，較2015年增加4.53公里/百平方公里。

瀝青路面由于具有力學(xué)支撐效果好、能夠充分保證車輛行駛過(guò)程中的平穩(wěn)性等諸多優(yōu)勢(shì)，在高等級(jí)公路的占有率高達(dá)90%，在高等級(jí)公路的建設(shè)進(jìn)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。普遍而言，瀝青路面的有效使用壽命大約為15～20年，但由于自然環(huán)境因素、車輛過(guò)載、施工質(zhì)量不同等原因，實(shí)際使用壽命往往達(dá)不到預(yù)期。截至2016年年末，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)的里程達(dá)459萬(wàn)公里，占公路總里程的97.7%[3]。當(dāng)前，建設(shè)與養(yǎng)護(hù)齊頭并進(jìn)已然成為我國(guó)高速公路的新局面，高速公路養(yǎng)護(hù)維護(hù)需求旺盛。

相較于瀝青路面熱再生技術(shù)而言，瀝青路面冷再生在經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能環(huán)保等方面有著諸多優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)用更廣泛。瀝青碎料對(duì)于新攤鋪路面中的瀝青再生劑與銑刨平面的結(jié)合有至關(guān)重要的影響，直接影響到兩者結(jié)合面的相互粘連性[4]。當(dāng)前主流銑刨機(jī)往往具有回收瀝青碎料的功能，但難以做到對(duì)瀝青碎料百分之百的回收。因此，當(dāng)前瀝青路面養(yǎng)護(hù)過(guò)程中離不開人工進(jìn)行瀝青碎料的清掃等，這極大地影響了施工效率，并增加了人力成本。且人工清掃容易引起揚(yáng)塵，造成惡劣的施工環(huán)境，影響工人的身體健康。使用能夠應(yīng)用于路面養(yǎng)護(hù)工作的工程清掃車輛，對(duì)于提升養(yǎng)護(hù)作業(yè)的施工效率、增進(jìn)環(huán)保效益和降低施工成本，都具有十分重要的意義，其主要通過(guò)盤刷、吸嘴以及滾刷等完成清掃任務(wù)[5]。2021年5月26日，生態(tài)環(huán)境部舉行例行發(fā)布會(huì)時(shí)通報(bào)，2021年7月起我國(guó)將全面實(shí)施重型柴油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于工程車輛的節(jié)能環(huán)保性能提出了更進(jìn)一步的要求，使得應(yīng)用于路面養(yǎng)護(hù)工作的工程清掃車輛迎來(lái)新的發(fā)展。

1 工程清掃車輛應(yīng)用概述

1.1 應(yīng)用技術(shù)概述

工程清掃車輛需滿足清掃作業(yè)和運(yùn)輸轉(zhuǎn)場(chǎng)兩種工況[6]：在清掃作業(yè)工況下，行駛系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)低速行駛以保證作業(yè)質(zhì)量，作業(yè)系統(tǒng)執(zhí)行清掃作業(yè)，這種工況下行駛系統(tǒng)僅需要很小的動(dòng)力，但作業(yè)系統(tǒng)所需的功率很大；在運(yùn)輸轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下，行駛系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)高速行駛以保證轉(zhuǎn)場(chǎng)效率，所需功率較大，而此時(shí)作業(yè)系統(tǒng)不需要工作，不消耗功率。為解決行駛系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)保持低速和轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)保證高速的矛盾，目前市場(chǎng)上應(yīng)用的工程清掃車輛主要有雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、單動(dòng)力全液壓式系統(tǒng)、單動(dòng)力取力分流系統(tǒng)三種。

1.1.1 雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

采用雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的專用工程車輛在目前市場(chǎng)上應(yīng)用最普遍。這種類型的清掃車可以直接在二類汽車底盤的基礎(chǔ)上，加裝吸盤、風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)需要的作業(yè)裝置[7]，從而避免了行駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，降低研發(fā)成本。同時(shí)由于兩套動(dòng)力系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)給行駛系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，避免了不同工況下兩套系統(tǒng)之間的相互影響。操作工人也可以依據(jù)工作環(huán)境的不同改變車輛的行駛速度，提高作業(yè)質(zhì)量。但由于其更多工作在作業(yè)工況下，行駛系統(tǒng)往往工作在低效區(qū)，造成的燃油消耗和廢氣排放較多。

1.1.2 單動(dòng)力全液壓式系統(tǒng)

單動(dòng)力全液壓式系統(tǒng)由多個(gè)液壓泵分別控制車輛的作業(yè)和行駛，但只通過(guò)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)帶動(dòng)行走泵、風(fēng)機(jī)泵、液壓系統(tǒng)泵等，通過(guò)調(diào)整不同液壓泵的排量來(lái)改變各個(gè)系統(tǒng)的功率，單個(gè)液壓泵功率的變化幾乎不影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，動(dòng)力耦合性較低。且由于行駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)變速，清掃效果好。但由于液壓系統(tǒng)的固有特性，造成了能源消耗和發(fā)熱較大，且轉(zhuǎn)場(chǎng)速度低，大多只應(yīng)用于中小型清掃車輛。

1.1.3 單動(dòng)力取力分流系統(tǒng)

單動(dòng)力取力分流系統(tǒng)同樣采用單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)整機(jī)工作，但傳動(dòng)系統(tǒng)采用機(jī)械傳動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)相結(jié)合的型式。早期這種系統(tǒng)通過(guò)在變速箱后加裝機(jī)械式取力器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分流，以滿足車輛清掃作業(yè)時(shí)各個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力的需要，但采用這種傳動(dòng)方式的車輛作業(yè)系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)容易相互影響，當(dāng)行駛系統(tǒng)換檔操作或調(diào)整轉(zhuǎn)速時(shí)，工作裝置的動(dòng)力穩(wěn)定性會(huì)隨之受到影響，進(jìn)而影響作業(yè)質(zhì)量。

因此，動(dòng)力解耦作為采用單一動(dòng)力系統(tǒng)的工程車輛的關(guān)鍵技術(shù)，成為當(dāng)前亟待解決的難題。實(shí)現(xiàn)單發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力解耦后，作業(yè)車動(dòng)力系統(tǒng)可以采用機(jī)械液壓復(fù)合傳動(dòng)的方式：在轉(zhuǎn)場(chǎng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端僅與傳動(dòng)系統(tǒng)輸入端相連，發(fā)動(dòng)機(jī)全部動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)車輛高速行駛；在工作模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)與原傳動(dòng)系統(tǒng)輸入端斷開，并與多個(gè)取力器重新連接，通過(guò)一個(gè)取力口帶動(dòng)泵控馬達(dá)閉式回路驅(qū)動(dòng)車輛低速行駛，其他取力口用于驅(qū)動(dòng)作業(yè)裝置和輔助控制系統(tǒng)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)取力方案兼顧了液壓傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速與機(jī)械傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了行走與作業(yè)互不干擾，同時(shí)轉(zhuǎn)場(chǎng)速度快。

1.2 國(guó)外工程清掃車輛應(yīng)用概況

自1904年英國(guó)研發(fā)出世界上第一臺(tái)道路清掃車，清掃車的發(fā)展至今已有百余年。其中比較著名的公司有英國(guó)的JOHNSTON公司，美國(guó)的ELGIN公司，德國(guó)的FAUN-KUKA公司，瑞士的ROLBA公司和意大利RAVO公司等[8]。當(dāng)前，國(guó)外清掃車的主流車型為緊湊型，環(huán)保節(jié)能，安全舒適，能實(shí)現(xiàn)多種功能，例如，德國(guó)Aebi 公司的MFH系列清掃車不僅能完成清掃路面作業(yè)，還具有除雪、道路清洗等附加功能，實(shí)現(xiàn)了一車多用，提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。

此外，由于清掃車長(zhǎng)期應(yīng)用于人口較多的城市，加上有關(guān)工程車輛的排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，環(huán)保型清掃車在國(guó)外越來(lái)越受歡迎。RAVO的清掃車采用壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，是世界上第一輛滿足歐洲EEV排放標(biāo)準(zhǔn)的清掃車，相較于其他柴油發(fā)動(dòng)機(jī)清掃車，該車輛幾乎沒(méi)有廢氣顆粒的產(chǎn)生和排放，還降低了近70%的噪聲；BUCHER公司研發(fā)的氫氣能源清掃車是世界上第一臺(tái)使用燃料電池的清掃車，它使用氫氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，工作時(shí)不會(huì)排放任何污染物，甚至能夠用于室內(nèi)清掃工作。

近年來(lái)，通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)制造技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前智能化、信息化的主流，國(guó)外清掃車從節(jié)能環(huán)保進(jìn)一步向智能化作業(yè)發(fā)展：通過(guò)加裝不同用途的傳感器，結(jié)合信息傳輸、數(shù)據(jù)處理單元，整車能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，提高了車輛的作業(yè)自動(dòng)化程度。

1.3 國(guó)內(nèi)工程清掃車輛應(yīng)用概況

國(guó)內(nèi)針對(duì)清掃車的研發(fā)相比于國(guó)外起步較晚，20世紀(jì)60年代我國(guó)才研發(fā)出第一臺(tái)純掃式道路清掃車，但由于其在清掃效率、結(jié)構(gòu)體積等方面都存在巨大缺陷，很快被市場(chǎng)所淘汰。直到20世紀(jì)80年代末，建設(shè)部長(zhǎng)沙建設(shè)機(jī)械研究院研發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)吸掃式清掃車[9]，由于其極大地提高了清掃效率，依靠技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了清掃車市場(chǎng)，并推動(dòng)了我國(guó)吸掃式垃圾清掃車的發(fā)展。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著城市交通發(fā)展和高速公路的不斷建設(shè)，清掃車需求量的激增使清掃車迎來(lái)蓬勃的發(fā)展。通過(guò)自主研發(fā)或技術(shù)引進(jìn)的方式，越來(lái)越多不同類型、用途的清掃車相繼問(wèn)世。在此期間，我國(guó)清掃車大多在二類汽車底盤上改裝而成，由于其采用市面上現(xiàn)有的二類汽車底盤，縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本，且由于行駛系統(tǒng)單獨(dú)由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)場(chǎng)速度快、提高了作業(yè)效率，至今仍得到了十分廣泛的應(yīng)用，代表公司有中聯(lián)重科股份有限公司、徐工環(huán)境技術(shù)有限公司等。此外，由于多樣化的需求，現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，垃圾清掃機(jī)朝著多功能趨勢(shì)發(fā)展[10]，小型全液壓清掃車、加裝取力器的單發(fā)動(dòng)機(jī)清掃車等也逐步被研制出來(lái)，并投入使用。

近年來(lái)，伴隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步升級(jí)和落實(shí)，大眾的節(jié)能環(huán)保意識(shí)不斷提高，以及習(xí)近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，純電動(dòng)和節(jié)能環(huán)保的單發(fā)動(dòng)機(jī)工程車輛越來(lái)越受到人們的重視。純電動(dòng)清掃車工作時(shí)噪聲小，不產(chǎn)生廢氣，且使用成本低，在中小型清掃車市場(chǎng)上有著十分廣泛的應(yīng)用前景。但受限于純電技術(shù)的發(fā)展，存在工作連續(xù)性無(wú)法保證、造價(jià)成本高、配套設(shè)施建設(shè)不足等缺陷，當(dāng)前市場(chǎng)占有率十分有限；解決動(dòng)力解耦問(wèn)題的單發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，在滿足全部使用需求的前提下，整車燃油消耗節(jié)省30%左右，廢氣排放降低30%左右，取得了卓越的效果[11]，但由于其關(guān)鍵技術(shù)攻克難度大、需要長(zhǎng)期技術(shù)積累，近幾年才有相應(yīng)的產(chǎn)品問(wèn)世，目前仍在發(fā)展探索階段。

2 工程清掃車輛發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步推進(jìn)和不同類型工程清掃車輛關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，筆者認(rèn)為工程清掃車將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

1）向著節(jié)能減排、環(huán)境友好型發(fā)展。清掃車需求的持續(xù)增加提高了其對(duì)污染排放、能源消耗的敏感性，通過(guò)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破，可以提高能源利用率，減少作業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的二次污染，使道路清掃車更加符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)于工程車輛節(jié)能環(huán)保的要求。

2）向著單發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)工程清掃車輛發(fā)展。雙發(fā)動(dòng)機(jī)道路清掃車工作時(shí)油耗高、噪聲大、發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率低，且加裝副發(fā)動(dòng)機(jī)占用較大空間，降低了工作裝置的容量，影響清掃車的作業(yè)持續(xù)能力。因此，單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或電力驅(qū)動(dòng)的道路清掃車越來(lái)越受到市場(chǎng)的重視，并將在日后成為主流。

3）大型工程清掃車動(dòng)力系統(tǒng)方案向著機(jī)械液壓混合傳動(dòng)發(fā)展。大型工程清掃車對(duì)于工作裝置的功率有較高要求，因此工作裝置需要采用機(jī)械傳動(dòng)，多用于小型車輛的全液壓系統(tǒng)和電動(dòng)清掃車均不能滿足工作需求。而在惡劣工作條件下，受最低行駛速度的制約，機(jī)械傳動(dòng)的行駛系統(tǒng)一次清掃不能滿足要求，采用可無(wú)級(jí)變速的液壓系統(tǒng)方案則可以解決這個(gè)問(wèn)題。因此，解決動(dòng)力解耦問(wèn)題的機(jī)械靜壓混合傳動(dòng)方案日后將越來(lái)越受到廠家的青睞。

4）向著模塊化、多功能發(fā)展。通過(guò)將整車的不同結(jié)構(gòu)模塊化，并實(shí)現(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，可提高產(chǎn)品的互換性，用盡可能少的標(biāo)準(zhǔn)模塊組合成具備更多功能與尺寸的專用工程車輛，從而在節(jié)約成本的同時(shí)，豐富產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景和可拓展性。

5）向著智能化、信息化發(fā)展。通過(guò)加裝各種類型的傳感器，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析研究和處理，可實(shí)現(xiàn)工程清掃車輛的智能化監(jiān)測(cè)與故障診斷，通過(guò)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛工作狀態(tài)下的高效運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，筆者對(duì)當(dāng)前工程清掃車輛的關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)分析，結(jié)合當(dāng)前節(jié)能減排的主流和國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，探討了未來(lái)我國(guó)工程清掃車輛的發(fā)展趨勢(shì)。作為廣泛應(yīng)用且仍處于不斷發(fā)展階段的工程機(jī)械，隨著我國(guó)城市化的推進(jìn)和公路里程的持續(xù)鋪設(shè)，工程清掃車輛將在節(jié)能、環(huán)保等方面被給予更多期望，以符合國(guó)家日益推進(jìn)的有關(guān)碳排放的計(jì)劃和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。