摘要：傳統(tǒng)灑水車大多是通過(guò)變速箱處取力器連接傳動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行作業(yè)的。當(dāng)車輛掛上取力器作業(yè)時(shí)，換擋較為困難。同時(shí)受變速箱處取力影響，踩下離合器踏板后，取力中斷，水泵無(wú)法連續(xù)噴灑。如果油門過(guò)大，易造成水泵超轉(zhuǎn)速運(yùn)行而損壞。為此，研究了一種配有全功率取力器的灑水車，該車用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水泵，通過(guò)變量泵+電液比例閥控制系統(tǒng)流量，實(shí)現(xiàn)水泵的無(wú)級(jí)調(diào)速，并且上裝工作與底盤行駛完全分離，提高了灑水車駕駛員的駕駛舒適性。

關(guān)鍵詞：灑水車；全功率取力器；液壓系統(tǒng)；低壓水泵

中圖分類號(hào)：U463.1" " " 收稿日期：2025-03-10" " " DOI：1019999/jcnki1004-0226202504017

Design of a Sprinkler Truck Based on a Hydraulic

Motor-Driven Water Pump

Wang Xiaowei

Shijiazhuang Coal Mining Machinery Co.，Ltd.，Shijiazhuang 051431，China

Abstract：Traditional sprinkler trucks mostly use a power take-off （PTO） connected to the transmission to drive the water pump through the drive shaft. When the vehicle engages the PTO for operation， gear shifting becomes challenging. Additionally， due to the power extraction from the transmission， the PTO disengages when the clutch pedal is depressed， interrupting continuous water spraying. Excessive throttle input may cause pump overspeed and damage. To address these issues， a sprinkler truck equipped with a full-power PTO has been developed. This system employs a hydraulic motor to drive the water pump， utilizing a variable displacement pump combined with an electro-hydraulic proportional valve to control flow rates. This achieves stepless speed regulation for the pump while completely decoupling the vehicle-mounted operations from chassis movement. The innovation enhances driving comfort for operators and optimizes operational efficiency.

Key words：Sprinkler truck；Full-power power take-off；Hydraulic system；Low-pressure water pump

1 前言

灑水車是在已定型的二類底盤基礎(chǔ)上加裝水罐總成、水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等而成。它不僅能夠保持城市的清潔，還能依靠本身強(qiáng)大的供水能力，在應(yīng)急防火、城市綠化、工礦抑塵等方面發(fā)揮重要的作用。目前灑水車大多是在變速箱取力口處加裝取力器，通過(guò)傳動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)低壓水泵噴水，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低得到了廣泛應(yīng)用。但當(dāng)車輛在灑水作業(yè)過(guò)程中踩下離合器時(shí)，取力器的動(dòng)力輸出會(huì)中斷，進(jìn)而導(dǎo)致水泵無(wú)法連續(xù)噴水，造成作業(yè)路面遺漏。如果駕駛員深踩油門踏板，在獲得較高行駛速度的同時(shí)，水泵也會(huì)超轉(zhuǎn)速運(yùn)行，易造成過(guò)載損壞，影響車輛使用。同時(shí)，為保護(hù)變速箱與取力器齒輪，作業(yè)時(shí)一般不進(jìn)行換擋，無(wú)法自由匹配到行駛速度。

為提高灑水車駕駛員的駕駛舒適性、提升作業(yè)效率，本文設(shè)計(jì)了一種由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)低壓水泵的灑水車，實(shí)現(xiàn)水泵無(wú)級(jí)調(diào)速、底盤行駛與上裝灑水作業(yè)完全分離，解決了上述問(wèn)題。

2 車輛主要部件設(shè)計(jì)

2.1 取力器

取力器，英文名為Power Take Off（PTO），因此也叫功率取出器，是一種從車輛底盤系統(tǒng)取得動(dòng)力，然后通過(guò)自身的轉(zhuǎn)化，把動(dòng)力傳遞給上裝工作的裝置。

傳統(tǒng)灑水車取力器安裝在變速箱側(cè)面，從變速箱齒輪上取得發(fā)動(dòng)機(jī)部分功率，通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)低壓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，也叫做半功率取力器。這種結(jié)構(gòu)布置較為簡(jiǎn)單，操控也比較方便。但由于安裝在變速箱上，當(dāng)踩下離合器踏板時(shí)，取力中斷形成動(dòng)力真空期，會(huì)使低壓水泵流量下降35%～40%，造成路面噴灑不均勻。

為改善這種情況，選用安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間的全功率取力器，如圖1所示。它的動(dòng)力是通過(guò)飛輪直接傳遞，車輛在運(yùn)行過(guò)程中可以從發(fā)動(dòng)機(jī)獲取全部功率輸出[1]。由于全功率取力器直接從發(fā)動(dòng)機(jī)處取力，故只要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，取力器就可工作，不受車輛踩離合、換擋的影響，可自由匹配作業(yè)時(shí)的行駛速度。

2.2 低壓水泵

根據(jù)QC/T 54—2023灑水車的要求，車輛沖洗寬度需≥12 m，灑水寬度需≥8 m，灑水量需≥0.1 L/m2，水炮射程需≥20 m[2]。灑水車低壓水泵一般采用離心泵，當(dāng)水泵啟動(dòng)后，葉輪就開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，在葉輪進(jìn)口處形成負(fù)壓區(qū)，吸入管路中的氣體與泵內(nèi)液體混合，通過(guò)壓出室進(jìn)入氣液分離室。由于氣體和液體的比重不同，氣體從液體中分離出來(lái)后，從出口管中排出，而液體則在氣液分離室下沉，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，吸入管內(nèi)的氣體排干凈而充滿液體，完成自吸過(guò)程，水泵開(kāi)始正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

低壓水泵主要有流量和揚(yáng)程兩個(gè)參數(shù)。流量是指水泵在單位時(shí)間內(nèi)輸送出的水量，單位是m3/h。流量的大小直接反映了水泵在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的水量；揚(yáng)程是指水泵所抽送的單位重量液體從泵進(jìn)口到泵出口能量的增值，單位是m。揚(yáng)程決定了水能夠被提升到的高度。在一般情況下，水泵的揚(yáng)程與流量是成反比例關(guān)系的。這就意味著當(dāng)揚(yáng)程升高時(shí)，流量會(huì)相應(yīng)減??；反之，當(dāng)揚(yáng)程降低時(shí)，流量會(huì)相應(yīng)增大。

考慮管路局部壓力損失及沿程阻力損失，同時(shí)結(jié)合車輛實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，65QZB—50/110N型水泵可滿足使用要求[3]。該水泵參數(shù)如表1所示。

2.3 低壓水路

灑水車根據(jù)作業(yè)需求，一般需具有路面沖洗、灑水降塵、綠化澆灌等功能。在車輛灑水部件上，設(shè)計(jì)有前沖噴頭、對(duì)沖噴頭、后灑噴頭、高壓水炮等。前沖噴頭一般安裝在前防撞梁下方，采用類似鴨嘴的扁平設(shè)計(jì)，但出水口更窄，水流更集中。該噴頭主要用于高壓沖洗路面，清除頑固泥沙、垃圾。對(duì)沖噴頭一般安裝在車輛中部，噴水方向?yàn)樽笥覍?duì)沖，多采用柱狀水流。該噴頭通過(guò)兩側(cè)高壓水流對(duì)沖，可清除粘附性強(qiáng)的泥土、油漬或護(hù)欄底部積塵，顯著提升道路中央?yún)^(qū)域的清潔效率，是灑水車在復(fù)雜路況下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)的關(guān)鍵部件。后灑噴頭一般安裝在車輛尾部，主要用于道路后灑水作業(yè)，出水口為扇形。均勻橫向噴灑的水流，可覆蓋車道寬度（通常5～8 m），適用于路面保濕、降塵或沖洗。高壓水炮一般安裝在車輛的尾部，噴射水流可調(diào)為直柱狀、大雨、中雨、小雨等模式，可用于綠化樹木澆灌（如行道樹、高架橋植被）或抑塵降溫，射程可達(dá)20～50 m，覆蓋高層區(qū)域。亦可臨時(shí)替代消防水炮，撲滅小型火災(zāi)。高壓水炮憑借其遠(yuǎn)射程、高靈活性和多功能性，成為灑水車應(yīng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)的核心部件，合理使用可大幅提升城市管理效率，尤其在應(yīng)急場(chǎng)景中發(fā)揮關(guān)鍵作用。低壓水路系統(tǒng)如圖2所示。

2.4 水罐總成

水罐總成是灑水車的核心儲(chǔ)水部件，負(fù)責(zé)水的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和穩(wěn)定供給，其設(shè)計(jì)直接影響車輛的載水量、耐用性和作業(yè)效率。一般采用碳鋼板，內(nèi)部涂刷防腐蝕涂料，增加其耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命。目前市政常用的灑水車罐體容積相對(duì)較小，一般采用橢圓形截面，內(nèi)部焊接多個(gè)防波板，減少液體晃動(dòng)對(duì)車輛平衡的影響[4]。在罐體長(zhǎng)軸下方的外側(cè)空間，焊有工具箱，可方便駕駛員使用，同時(shí)也提高車輛外形美觀度。在罐體頂部設(shè)有2個(gè)[?]500 mm的人孔，可方便人員進(jìn)入檢修維護(hù)，同時(shí)罐體頂部?jī)蓚?cè)還設(shè)有防護(hù)欄，防止維護(hù)人員滑落。在罐體后部安裝有液位計(jì)，可隨時(shí)觀察罐體內(nèi)液位高度。

2.5 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是灑水車實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞與精準(zhǔn)控制的核心子系統(tǒng)，通過(guò)液壓油的壓力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成水泵啟停、流量控制等功能，具有功率密度高、響應(yīng)快、控制靈活的特點(diǎn)。該系統(tǒng)主要由液壓油泵、液壓馬達(dá)、電液比例閥、油箱等組成。

上裝工作時(shí)，由取力器驅(qū)動(dòng)液壓油泵，產(chǎn)生的高壓油液經(jīng)閥組進(jìn)入液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)低壓水泵旋轉(zhuǎn)。當(dāng)駕駛員深踩油門踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，系統(tǒng)流量加大，低壓水泵將超過(guò)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這可能會(huì)導(dǎo)致葉輪離心力過(guò)大，加劇與泵體的摩擦，縮短葉輪壽命，作業(yè)效率降低，甚至造成葉片斷裂等情況發(fā)生。為保護(hù)低壓水泵，需控制液壓系統(tǒng)流量，使水泵轉(zhuǎn)速不受油門踏板影響，始終低于額定轉(zhuǎn)速。對(duì)于控制系統(tǒng)流量，一般可采用變量泵+電液比例閥方案[5]。

變量泵是通過(guò)液壓反饋調(diào)節(jié)泵的排量（如斜盤角度或柱塞行程），進(jìn)而改變輸出流量，可直接匹配系統(tǒng)需求，實(shí)現(xiàn)“按需供油”。其系統(tǒng)壓力波動(dòng)小，無(wú)需復(fù)雜閥組，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需溢流，能效高。電液比例閥是通過(guò)其內(nèi)部的比例電磁鐵將輸入的電信號(hào)（如0～10 V或4～20 mA）轉(zhuǎn)換為機(jī)械力，驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)比例閥的開(kāi)度，控制流經(jīng)閥口的流量，間接實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的閥組。其控制精度高，電磁驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短，成本相對(duì)較低。但其多余流量通過(guò)溢流閥或節(jié)流損失消耗，能效較低。將二者結(jié)合使用，變量泵的負(fù)載敏感機(jī)制自動(dòng)平衡壓力波動(dòng)；比例閥的閉環(huán)反饋實(shí)時(shí)修正流量偏差，系統(tǒng)抗負(fù)載突變能力顯著增強(qiáng)，可以兼顧能效與精度[6]。

將變量泵應(yīng)用在灑水車上時(shí)，取力器與變量泵通過(guò)傳動(dòng)軸連接，在變量泵前安裝有氣動(dòng)離合器。在行車與轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，離合器松開(kāi)，變量泵不工作。當(dāng)需要灑水作業(yè)時(shí)，在駕駛室按下開(kāi)關(guān)，與離合器結(jié)合，變量泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電位計(jì)在“0位”時(shí)，電液比例閥的閥芯關(guān)閉，變量泵處于低壓待機(jī)狀態(tài)，只提供足以補(bǔ)償內(nèi)部泄漏的流量，液壓馬達(dá)不旋轉(zhuǎn)，低壓水泵處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)需要啟動(dòng)低壓水泵時(shí)，調(diào)整電位計(jì)位置，電液比例閥的閥芯相應(yīng)移動(dòng)，同時(shí)電液比例閥反饋的壓力信號(hào)傳遞給變量泵，使其調(diào)整斜盤角度，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出流量，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，低壓水泵開(kāi)始工作。根據(jù)路況清潔需求，通過(guò)電位計(jì)調(diào)整電液比例閥開(kāi)度，精確控制液壓馬達(dá)流量，使低壓水泵在合適的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了水泵的無(wú)級(jí)調(diào)速，減少了功率損失，并且系統(tǒng)流量可自動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，使水泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速解耦，上裝工作與底盤行駛互不影響。其液壓原理圖如圖3所示。

2.6 電氣系統(tǒng)

灑水車電氣系統(tǒng)主要由底盤電氣系統(tǒng)和上裝電氣系統(tǒng)兩部分組成。底盤電氣系統(tǒng)是車輛底盤與電子技術(shù)的深度融合，通過(guò)傳感器、控制器（ECU）和執(zhí)行器的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤關(guān)鍵子系統(tǒng)（動(dòng)力、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸掛、驅(qū)動(dòng)）的智能化控制，提升車輛安全性、操控性和舒適性。上裝電氣系統(tǒng)主要是通過(guò)駕駛室內(nèi)的操作屏，對(duì)液壓系統(tǒng)比例閥開(kāi)度、作業(yè)灑水噴頭、作業(yè)警示燈等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)車輛前沖、對(duì)沖、后灑等氣控切斷閥的通斷、低壓水泵的啟停、無(wú)級(jí)調(diào)速、工作時(shí)作業(yè)警示等功能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在組裝完成的灑水車上進(jìn)行試驗(yàn)，效果如圖4所示。駕駛員根據(jù)路面情況，切換不同擋位及行駛速度，灑水作業(yè)均不受影響，水泵輸出平穩(wěn)，作業(yè)路面無(wú)遺漏，滿足了上裝作業(yè)與底盤行駛互不影響的需求。

同時(shí)，通過(guò)電液比例閥的電流-流量特性圖，計(jì)算出在調(diào)定電流下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速，在低壓水泵馬達(dá)處，用轉(zhuǎn)速儀測(cè)量其實(shí)際轉(zhuǎn)速，比較轉(zhuǎn)速誤差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用變量泵+電液比例閥控制的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)灑水車，其水泵轉(zhuǎn)速控制精度較高，誤差在1.5%以內(nèi)，可以滿足日常作業(yè)控制需求。

4 結(jié)語(yǔ)

采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水泵的灑水車，液壓系統(tǒng)控制精度高、工作性能穩(wěn)定、維護(hù)保養(yǎng)方便；水泵轉(zhuǎn)速可以根據(jù)路面情況無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，降低了作業(yè)能耗；實(shí)現(xiàn)了上裝作業(yè)與底盤行駛完全分離，灑水作業(yè)不受踩離合、換擋等影響，大大提高了駕駛員操作舒適性。

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作者簡(jiǎn)介：

王曉偉，男，1991年生，助理工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ密囕v設(shè)計(jì)。