现行排放标准下工程清扫车辆的发展趋势研究

陈家硕

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

0 引言

高速公路是一个国家经济和社会发展的产物，是衡量一个国家公路交通运输和汽车工业现代化水准的重要标志[1]。自1988年我国修建第一条沪嘉3200高速以来，我国大力推进高速公路及相关设施的建设，高速公路保有量不断增加，取得了举世瞩目的成绩[2]。据交通运输部公布的有关交通运输行业发展统计数据，截至2019年年末，我国公路总里程达到了501.25万公里，较2015年增加了43.52万公里；其中公路密度达到52.21公里/百平方公里，较2015年增加4.53公里/百平方公里。

沥青路面由于具有力学支撑效果好、能够充分保证车辆行驶过程中的平稳性等诸多优势，在高等级公路的占有率高达90%，在高等级公路的建设进程中发挥着越来越重要的作用。普遍而言，沥青路面的有效使用寿命大约为15～20年，但由于自然环境因素、车辆过载、施工质量不同等原因，实际使用寿命往往达不到预期。截至2016年年末，我国公路养护的里程达459万公里，占公路总里程的97.7%[3]。当前，建设与养护齐头并进已然成为我国高速公路的新局面，高速公路养护维护需求旺盛。

相较于沥青路面热再生技术而言，沥青路面冷再生在经济性、节能环保等方面有着诸多优势，在实际施工过程中应用更广泛。沥青碎料对于新摊铺路面中的沥青再生剂与铣刨平面的结合有至关重要的影响，直接影响到两者结合面的相互粘连性[4]。当前主流铣刨机往往具有回收沥青碎料的功能，但难以做到对沥青碎料百分之百的回收。因此，当前沥青路面养护过程中离不开人工进行沥青碎料的清扫等，这极大地影响了施工效率，并增加了人力成本。且人工清扫容易引起扬尘，造成恶劣的施工环境，影响工人的身体健康。使用能够应用于路面养护工作的工程清扫车辆，对于提升养护作业的施工效率、增进环保效益和降低施工成本，都具有十分重要的意义，其主要通过盘刷、吸嘴以及滚刷等完成清扫任务[5]。2021年5月26日，生态环境部举行例行发布会时通报，2021年7月起我国将全面实施重型柴油车国六排放标准，对于工程车辆的节能环保性能提出了更进一步的要求，使得应用于路面养护工作的工程清扫车辆迎来新的发展。

1 工程清扫车辆应用概述

1.1 应用技术概述

工程清扫车辆需满足清扫作业和运输转场两种工况[6]：在清扫作业工况下，行驶系统要能够实现低速行驶以保证作业质量，作业系统执行清扫作业，这种工况下行驶系统仅需要很小的动力，但作业系统所需的功率很大；在运输转场工况下，行驶系统要能够实现高速行驶以保证转场效率，所需功率较大，而此时作业系统不需要工作，不消耗功率。为解决行驶系统在作业时保持低速和转场时保证高速的矛盾，目前市场上应用的工程清扫车辆主要有双动力传动系统、单动力全液压式系统、单动力取力分流系统三种。

1.1.1 双动力传动系统

采用双动力传动系统的专用工程车辆在目前市场上应用最普遍。这种类型的清扫车可以直接在二类汽车底盘的基础上，加装吸盘、风机等系统需要的作业装置[7]，从而避免了行驶系统的设计制造，降低研发成本。同时由于两套动力系统分别负责给行驶系统、作业系统提供动力，避免了不同工况下两套系统之间的相互影响。操作工人也可以依据工作环境的不同改变车辆的行驶速度，提高作业质量。但由于其更多工作在作业工况下，行驶系统往往工作在低效区，造成的燃油消耗和废气排放较多。

1.1.2 单动力全液压式系统

单动力全液压式系统由多个液压泵分别控制车辆的作业和行驶，但只通过一个发动机提供动力。动力系统同时带动行走泵、风机泵、液压系统泵等，通过调整不同液压泵的排量来改变各个系统的功率，单个液压泵功率的变化几乎不影响发动机转速的变化，动力耦合性较低。且由于行驶系统能够实现无级变速，清扫效果好。但由于液压系统的固有特性，造成了能源消耗和发热较大，且转场速度低，大多只应用于中小型清扫车辆。

1.1.3 单动力取力分流系统

单动力取力分流系统同样采用单个发动机来带动整机工作，但传动系统采用机械传动或机械传动与液压传动相结合的型式。早期这种系统通过在变速箱后加装机械式取力器实现动力分流，以满足车辆清扫作业时各个系统动力的需要，但采用这种传动方式的车辆作业系统和行驶系统容易相互影响，当行驶系统换档操作或调整转速时，工作装置的动力稳定性会随之受到影响，进而影响作业质量。

因此，动力解耦作为采用单一动力系统的工程车辆的关键技术，成为当前亟待解决的难题。实现单发动机动力解耦后，作业车动力系统可以采用机械液压复合传动的方式：在转场模式下，发动机输出端仅与传动系统输入端相连，发动机全部动力用于驱动车辆高速行驶；在工作模式下，发动机与原传动系统输入端断开，并与多个取力器重新连接，通过一个取力口带动泵控马达闭式回路驱动车辆低速行驶，其他取力口用于驱动作业装置和辅助控制系统。这种发动机取力方案兼顾了液压传动可实现无级变速与机械传动效率高的优点，实现了行走与作业互不干扰，同时转场速度快。

1.2 国外工程清扫车辆应用概况

自1904年英国研发出世界上第一台道路清扫车，清扫车的发展至今已有百余年。其中比较著名的公司有英国的JOHNSTON公司，美国的ELGIN公司，德国的FAUN-KUKA公司，瑞士的ROLBA公司和意大利RAVO公司等[8]。当前，国外清扫车的主流车型为紧凑型，环保节能，安全舒适，能实现多种功能，例如，德国Aebi 公司的MFH系列清扫车不仅能完成清扫路面作业，还具有除雪、道路清洗等附加功能，实现了一车多用，提高了产品的性价比。

此外，由于清扫车长期应用于人口较多的城市，加上有关工程车辆的排放标准的逐步提高，环保型清扫车在国外越来越受欢迎。RAVO的清扫车采用压缩天然气发动机，是世界上第一辆满足欧洲EEV排放标准的清扫车，相较于其他柴油发动机清扫车，该车辆几乎没有废气颗粒的产生和排放，还降低了近70%的噪声；BUCHER公司研发的氢气能源清扫车是世界上第一台使用燃料电池的清扫车，它使用氢气作为发动机燃料，工作时不会排放任何污染物，甚至能够用于室内清扫工作。

近年来，通过运用先进制造技术，结合当前智能化、信息化的主流，国外清扫车从节能环保进一步向智能化作业发展：通过加装不同用途的传感器，结合信息传输、数据处理单元，整车能够实时实现作业现场的数据采集，并执行相应动作，提高了车辆的作业自动化程度。

1.3 国内工程清扫车辆应用概况

国内针对清扫车的研发相比于国外起步较晚，20世纪60年代我国才研发出第一台纯扫式道路清扫车，但由于其在清扫效率、结构体积等方面都存在巨大缺陷，很快被市场所淘汰。直到20世纪80年代末，建设部长沙建设机械研究院研发出我国第一台吸扫式清扫车[9]，由于其极大地提高了清扫效率，依靠技术上的优势迅速占领了清扫车市场，并推动了我国吸扫式垃圾清扫车的发展。

进入20世纪90年代以后，随着城市交通发展和高速公路的不断建设，清扫车需求量的激增使清扫车迎来蓬勃的发展。通过自主研发或技术引进的方式，越来越多不同类型、用途的清扫车相继问世。在此期间，我国清扫车大多在二类汽车底盘上改装而成，由于其采用市面上现有的二类汽车底盘，缩短了研发周期、降低了研发成本，且由于行驶系统单独由一个发动机驱动，转场速度快、提高了作业效率，至今仍得到了十分广泛的应用，代表公司有中联重科股份有限公司、徐工环境技术有限公司等。此外，由于多样化的需求，现代信息技术的高速发展，垃圾清扫机朝着多功能趋势发展[10]，小型全液压清扫车、加装取力器的单发动机清扫车等也逐步被研制出来，并投入使用。

近年来，伴随着国家排放标准的逐步升级和落实，大众的节能环保意识不断提高，以及习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”的发展理念，纯电动和节能环保的单发动机工程车辆越来越受到人们的重视。纯电动清扫车工作时噪声小，不产生废气，且使用成本低，在中小型清扫车市场上有着十分广泛的应用前景。但受限于纯电技术的发展，存在工作连续性无法保证、造价成本高、配套设施建设不足等缺陷，当前市场占有率十分有限；解决动力解耦问题的单发动机动力系统，在满足全部使用需求的前提下，整车燃油消耗节省30%左右，废气排放降低30%左右，取得了卓越的效果[11]，但由于其关键技术攻克难度大、需要长期技术积累，近几年才有相应的产品问世，目前仍在发展探索阶段。

2 工程清扫车辆发展趋势

随着我国排放标准的逐步推进和不同类型工程清扫车辆关键技术的不断突破，笔者认为工程清扫车将朝着以下几个方向发展：

1）向着节能减排、环境友好型发展。清扫车需求的持续增加提高了其对污染排放、能源消耗的敏感性，通过实现关键技术的突破，可以提高能源利用率，减少作业过程产生的二次污染，使道路清扫车更加符合当今社会对于工程车辆节能环保的要求。

2）向着单发动机或电动工程清扫车辆发展。双发动机道路清扫车工作时油耗高、噪声大、发动机功率利用率低，且加装副发动机占用较大空间，降低了工作装置的容量，影响清扫车的作业持续能力。因此，单发动机驱动或电力驱动的道路清扫车越来越受到市场的重视，并将在日后成为主流。

3）大型工程清扫车动力系统方案向着机械液压混合传动发展。大型工程清扫车对于工作装置的功率有较高要求，因此工作装置需要采用机械传动，多用于小型车辆的全液压系统和电动清扫车均不能满足工作需求。而在恶劣工作条件下，受最低行驶速度的制约，机械传动的行驶系统一次清扫不能满足要求，采用可无级变速的液压系统方案则可以解决这个问题。因此，解决动力解耦问题的机械静压混合传动方案日后将越来越受到厂家的青睐。

4）向着模块化、多功能发展。通过将整车的不同结构模块化，并实现接口的标准化，可提高产品的互换性，用尽可能少的标准模块组合成具备更多功能与尺寸的专用工程车辆，从而在节约成本的同时，丰富产品的应用场景和可拓展性。

5）向着智能化、信息化发展。通过加装各种类型的传感器，并对信号进行分析研究和处理，可实现工程清扫车辆的智能化监测与故障诊断，通过智能控制系统实现车辆工作状态下的高效运行。

3 结语

综上所述，笔者对当前工程清扫车辆的关键技术和国内外相关产品的应用与发展进行了总结分析，结合当前节能减排的主流和国内机动车排放标准的逐步提高，探讨了未来我国工程清扫车辆的发展趋势。作为广泛应用且仍处于不断发展阶段的工程机械，随着我国城市化的推进和公路里程的持续铺设，工程清扫车辆将在节能、环保等方面被给予更多期望，以符合国家日益推进的有关碳排放的计划和可持续发展战略。