摘要：針對傳統(tǒng)帶副發(fā)動機的抑塵車工作過程中噪聲污染大、排放不環(huán)保等問題，設(shè)計了一種霧炮噴霧量可隨環(huán)境監(jiān)測PM值而變化的，且由底盤發(fā)動機全功率取力的單發(fā)抑塵車上裝動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該單發(fā)全液壓抑塵車噴霧系統(tǒng)使用底盤全功率取力實現(xiàn)動力來源；主泵計劃采用變量比例柱塞泵驅(qū)動噴霧機風(fēng)機，以實現(xiàn)柱塞泵的無級調(diào)速；噴霧機水泵齒輪馬達、噴霧機的俯仰油缸、左右回轉(zhuǎn)馬達由雙聯(lián)齒輪泵驅(qū)動；將低壓水路控制系統(tǒng)與霧炮控制系統(tǒng)進行融合，集成到一個控制系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：單發(fā)抑塵車；全功率取力；動力系統(tǒng)；無級調(diào)速

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-05-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.017

1 前言

近年來，我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市人口增長速度和城市化進程逐漸加快，粉塵、PM2.5、PM10等懸浮物已經(jīng)成了主要的環(huán)境污染物，對人們的身體健康、生活、安全等方面都帶來了不少危害，因此，對于粉塵類可吸入顆粒物的整治已經(jīng)刻不容緩。

抑塵車是主要治理設(shè)備之一，其系統(tǒng)控制的優(yōu)化設(shè)計成研究熱點。目前，市場上的多功能抑塵車上裝系統(tǒng)都通過副發(fā)動機驅(qū)動柴油發(fā)電機組為霧炮風(fēng)機、霧炮回轉(zhuǎn)和仰俯提供電力動力源，該套系統(tǒng)由于副發(fā)動機的存在，增大了燃油消耗量，同時還存在噪聲大、環(huán)保性差等缺點。

據(jù)此，本文設(shè)計了一種霧炮噴霧量可隨環(huán)境監(jiān)測PM值而變化的由底盤發(fā)動機全功率取力的單發(fā)抑塵車上裝動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該單發(fā)抑塵車控制系統(tǒng)的設(shè)計摒棄了原先抑塵車噴霧系統(tǒng)采用發(fā)電機組提供動力的模式，轉(zhuǎn)而由底盤發(fā)動機全功率取力，帶動串聯(lián)的無級變量柱塞泵和雙聯(lián)齒輪泵輸出高壓油來驅(qū)動噴霧機風(fēng)機馬達、多級離心式水泵齒輪馬達、噴霧機左右回轉(zhuǎn)馬達和俯仰油缸完成相應(yīng)的動作，上裝還具備一個監(jiān)測PM值的變化進而控制抑塵車霧炮噴霧量大小的功能，整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高、安全性高、噪音小、污染小，亦可達到降低PM2.5、PM10的濃度和污染程度的目的。

單發(fā)抑塵車上裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括上裝動力系統(tǒng)和上裝控制系統(tǒng)，如圖1所示。

上裝動力系統(tǒng)主要包括噴霧機動力系統(tǒng)和低壓水路動力系統(tǒng)。噴霧機動力系統(tǒng)由三部分組成，即風(fēng)機動力系統(tǒng)、離心泵動力系統(tǒng)和液壓站動力系統(tǒng)。這三部分動力系統(tǒng)由底盤取力器全功率取力，驅(qū)動相應(yīng)的齒輪馬達進行動力輸送，為噴霧機完成水霧化、吹霧和噴霧機俯仰和回轉(zhuǎn)工作提供動力，其中選用變量比例柱塞泵驅(qū)動噴霧機風(fēng)機馬達，可實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的無極調(diào)速，雙聯(lián)齒輪泵驅(qū)動多級離心水泵馬達和噴霧機的回轉(zhuǎn)馬達和俯仰油缸；低壓水路動力系統(tǒng)也是通過底盤取力器提供動力驅(qū)動低壓水泵運轉(zhuǎn)。

上裝控制系統(tǒng)主要包括可編程控制器（PLC）控制噴霧機動作閥組、低壓水路控制閥組、各傳感器監(jiān)測，還增加了監(jiān)測PM值的變化進而控制抑塵車霧炮噴霧量大小的功能，其中觸摸屏通過網(wǎng)線與PLC連接，可實現(xiàn)各種上裝動作的操控、參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)監(jiān)控以及故障報警提示等功能。

3 功率匹配性

本系統(tǒng)為兩種液壓回路結(jié)合方式。主泵為變量柱塞泵，副泵選用雙聯(lián)齒輪泵。主泵從底盤發(fā)動機后飛輪上帶的全功率取力器取力，副泵由主泵上帶的輸出法蘭取力，液壓原理如圖2所示。

底盤發(fā)動機功率為202 kW，噴霧機所需功率為風(fēng)機35 kW+高壓水泵7.5 kW+輔助1.5 kW；低壓水泵所需功率為24 kW，因此底盤滿足上裝所需功率要求，能夠?qū)崿F(xiàn)全功率取力為上裝提供動力。

4 變量比例柱塞泵

噴霧系統(tǒng)的以實現(xiàn)柱塞泵的無級調(diào)速主泵計劃采用變量比例柱塞泵，變量比例泵是通過比例控制板將變量泵輸出的壓力和流量進行范圍內(nèi)的調(diào)整實現(xiàn)控制，雖然它具有抗污染能力強、可靠性高等優(yōu)點，但比例控制板存在一定的缺陷，輸出的壓力、流量往往與輸入不呈線性使得比例泵的控制不夠穩(wěn)定，因此采用PLC線性控制算法程序，將整個控制分段化處理，解決了泵口輸出的壓力和流量呈線性可調(diào)特性，實現(xiàn)平穩(wěn)控制［1］。

變量比例柱塞泵控制系統(tǒng)由PLC、MCGS組態(tài)屏、比例控制板以及變量泵構(gòu)成，如圖3所示。

a.PLC與MCGS組態(tài)屏建立通信，將設(shè)定參數(shù)反饋給PLC處理。

b.PLC根據(jù)反饋的信號以及數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊實時輸出0～10 VDC電壓信號。

c.直流電壓信號輸入至比例控制板，比例控制板經(jīng)過內(nèi)部計算將電壓信號轉(zhuǎn)換成0～1 000 mA的比例電流，通過最終得到的電流信號驅(qū)動比例閥，實現(xiàn)對變量泵的壓力、流量輸出控制。

圖4、圖5中，原曲線代表比例控制板控制的效果，調(diào)整后曲線代表基于PLC控制的效果［2］。由圖可知，基于PLC控制系統(tǒng)使得變量比例泵輸出的壓力和流量呈線性，很好地彌補了比例控制板的缺陷，達到斜率穩(wěn)定的效果，實現(xiàn)了柱塞泵的無級調(diào)速，使得整個液壓系統(tǒng)更加平穩(wěn)可靠。

5 PM值監(jiān)測控制模塊

本系統(tǒng)PM值監(jiān)測控制模塊使用車載空氣顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)，由液晶屏顯示，界面友好，系統(tǒng)界面見圖6，能夠使用戶及社會大眾實時了解到空氣中PM2.5和PM10含量，將PM2.5、PM10傳感器采集的模擬量數(shù)值化，通過找到PM2.5、PM10數(shù)值與柱塞泵排量的邏輯關(guān)系，使得柱塞泵的排量在設(shè)定好的閾值內(nèi)變化，從而達到通過監(jiān)測PM2.5、PM10數(shù)值變化量控制噴霧量的目的。

PM2.5、PM10采用RS485變送傳感器，支持Modbus-RTU協(xié)議通信，數(shù)據(jù)接收端使用Modbus-RTU結(jié)構(gòu)環(huán)境下的組態(tài)自主開發(fā)上位機系統(tǒng)，以設(shè)備地址為0×01為例，通過問詢0×03功能碼，從0×00起始連續(xù)問詢兩字節(jié)數(shù)據(jù)長度，應(yīng)答到兩個十六進制字節(jié)碼，通過十六進制轉(zhuǎn)十進制得到實際的模擬量值，在組態(tài)系統(tǒng)中分別讀4區(qū)起始兩個地址，將讀數(shù)顯示在上位機端，該數(shù)據(jù)也可通過RS485寫入到PLC的內(nèi)部寄存器，通過程序設(shè)定的閾值動態(tài)改變輸出到比例閥的電信號，從而實現(xiàn)通過顆粒物的濃度值對泵排量變化的變量控制［3］。

空氣顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)中電比例變量霧炮風(fēng)扇馬達驅(qū)動的工作原理如圖7所示，該系統(tǒng)將捕捉到的PM2.5、PM10顆粒物進行模擬量處理，通過顆粒物變量控制電比例閥閥芯的開度，導(dǎo)致LS口的壓力變化，從而控制變量比例泵的輸出流量，最終實現(xiàn)對風(fēng)扇馬達轉(zhuǎn)速的控制。對這種模擬量變化過程的處理控制達到了自動調(diào)整噴霧機風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。

變量泵總成內(nèi)部負(fù)荷傳感閥的平衡方程為：

p - pLS= pK （1）

式中，p為變量散熱泵出口壓力；pLS為電比例溢流閥控制的LS口壓力；pK為電比例閥預(yù)設(shè)的彈簧力。

當(dāng)控制電比例溢流閥的電流一定，pLS也就一定。當(dāng)變量泵的轉(zhuǎn)速瞬間升高，泵的出口壓力p和流量也會瞬間升高，根據(jù)式（1），勢必引起負(fù)荷傳感閥立刻右移，調(diào)節(jié)缸兩腔都進油。由于無桿腔的作用面積大于有桿腔的作用面積，所以柱塞桿左移，使變量泵排量減小，相應(yīng)的變量泵輸出的流量減少，達到新的平衡后，進入風(fēng)扇馬達的流量基本不變；反之亦然。

根據(jù)上述工作原理，在系統(tǒng)流量飽和的情況下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速不受全功率取力接口轉(zhuǎn)速的限制，從而實現(xiàn)通過外部變量對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進行控制。當(dāng)空氣質(zhì)量良好時，風(fēng)扇電機較低速運轉(zhuǎn)，節(jié)約功率；當(dāng)空氣質(zhì)量惡劣時，或所工作區(qū)域出現(xiàn)集中污染顆粒物時，風(fēng)扇電機加速運轉(zhuǎn)，提升霧炮機工作效率。由于顆粒物變量控制系統(tǒng)可以采集并且處理數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的比較運算與處理將最終的調(diào)節(jié)結(jié)果以電流值發(fā)出，控制LS口的壓力pLS，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

6 低壓水路與噴霧機控制系統(tǒng)融合

傳統(tǒng)的抑塵車低壓水路控制系統(tǒng)與噴霧機控制系統(tǒng)分別為獨立的兩個控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計將低壓水路控制系統(tǒng)與噴霧機控制系統(tǒng)進行融合，集成到一個控制系統(tǒng)中，這將使整車電控系統(tǒng)的布置得到優(yōu)化，方便作業(yè)過程中的操作。相關(guān)界面見圖8、圖9。

系統(tǒng)中還設(shè)計了參數(shù)設(shè)置界面（圖10），該界面能夠?qū)崟r監(jiān)測運行輸出狀態(tài)和各傳感器感應(yīng)，在系統(tǒng)故障時，也能夠幫助快速有效的排查故障類型。

7 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

單發(fā)抑塵車控制系統(tǒng)由核心控制器和執(zhí)行機構(gòu)組成，其中核心控制器選用一種PLC，本系統(tǒng)選用西門子S7-200型PLC，使用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9對其進行編程，內(nèi)部存儲器可讀取組態(tài)設(shè)備寫入的數(shù)值，模擬量輸出端口支持輸出模擬量信號，其性能強大，運行速度快，體積小，通信功能強，性價比高，適合在車載系統(tǒng)下運行。

PLC系統(tǒng)輸入輸出定義表如表1所示，各功能動作控制程序使用梯形圖表示，如圖11～圖18所示。

因此，通過以上PLC的邏輯控制可以實現(xiàn)各動作功能，模擬量信號也能夠快速有效處理，運行速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

8 結(jié)語

本文為單發(fā)抑塵車上裝動力系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用提供了解決方案，并且有多個創(chuàng)新點：a.解決上裝部分系統(tǒng)功率需求與單發(fā)動機功率的匹配性問題；b.噴霧系統(tǒng)主泵采用變量比例柱塞泵，實現(xiàn)噴霧機風(fēng)機的無極調(diào)速；c.將低壓水路控制系統(tǒng)與霧炮控制系統(tǒng)進行融合，使得操作系統(tǒng)更加簡單方便；d.通過PM2.5、PM10數(shù)值變化量來控制噴霧量的大小，可達到降低PM2.5、PM10的濃度和污染程度的目的。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)抑塵車噴霧機系統(tǒng)和低壓水路系統(tǒng)在行車情況下正常工作，并且運行工況較傳統(tǒng)帶副發(fā)動機的抑塵車更為經(jīng)濟和環(huán)保，系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果良好，運行情況穩(wěn)定可靠。

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作者簡介：

王進鈺，女，1997年生，助理工程師，研究方向為專用車上裝電控系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。