混凝土攪拌輸送車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要： 對目前混凝土攪拌輸送車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題———攪拌筒的恒速控制問題和液壓系統(tǒng)沖擊問題進行了探討?？偨Y(jié)了目前存在的各種恒速控制方式，進行了分析比較，得出了在目前條件下實現(xiàn)攪拌筒的恒速控制，以采用帶恒速閥的液壓變量柱塞泵、低速大扭矩馬達、減速機、雙向緩沖閥的配置為最佳；并提出了2種解決液壓系統(tǒng)沖擊的方法，即高壓溢流保護和伺服排量控制。

 

關(guān)鍵詞： 混凝土；攪拌車；液壓；控制系統(tǒng)

 

 

    為了保證輸送途中混凝土的質(zhì)量，混凝土攪拌輸送車滿載預(yù)拌混凝土的攪拌筒在整個運輸過程中都必須轉(zhuǎn)動，且攪拌筒的攪動轉(zhuǎn)速必須恒定，不受汽車發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速變化的影響，與車輛的行走速度無關(guān)，從而避免運輸過程中出現(xiàn)因道路情況變化而使汽車速度頻繁變化而導(dǎo)致攪拌筒的攪動轉(zhuǎn)速忽高忽低，筒內(nèi)混凝土流動不均勻，從而產(chǎn)生嚴重的離析，坍塌度變大，破壞混凝土品質(zhì)。而且車輛加速的同時使攪拌筒加速，增加能耗的同時減少了車輛加速所需功率儲備。

    這就勢必要求液壓系統(tǒng)能夠保證攪拌筒的轉(zhuǎn)速不隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，也就是攪拌筒的恒速控制問題。

 

 

    由于攪拌筒的運動慣量較大，故攪拌筒在各種工況之間轉(zhuǎn)換時會對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生較大的液壓沖擊，造成液壓系統(tǒng)的不平穩(wěn)，縮短了傳動元件(泵、馬達、減速機)的壽命，降低了系統(tǒng)的可靠性。這就要求我們在設(shè)計液壓系統(tǒng)時必須考慮到攪拌筒工況轉(zhuǎn)換時液壓系統(tǒng)的承受能力以及如何減小液壓沖擊的強度，提高系統(tǒng)的可靠性。

 

    為了解決上述2個問題，首先我們必須搞清楚攪拌車液壓系統(tǒng)的壓力、流量以及液壓元件扭矩、功率的變化情況，這就要求我們首先要對液壓系統(tǒng)進行設(shè)計。

 

 

    目前，實現(xiàn)攪拌筒的恒速控制，大致有以下4種方式。第一種方式是采用發(fā)動機單獨驅(qū)動，而其余3種都是通過取力器(PTO)從汽車底盤上引取動力。

 

    (1) 配置單獨驅(qū)動攪拌筒的發(fā)動機，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率來滿足不同工況下攪拌筒的轉(zhuǎn)速要求。對于單獨配置發(fā)動機驅(qū)動攪拌筒的方式，雖然能夠有效解決攪拌筒的恒速問題，并能夠保證在任何行車工況下始終保持攪拌筒的恒速，但實際上因為太昂貴而很少被使用。攪拌車的早期發(fā)展曾有過這種配置方式，但其原因在于當時缺乏理想的全功率取力方式，而非專門考慮恒速傳動之需。此外，這種驅(qū)動方式往往是以減少混凝土裝載量為代價，以換取單獨發(fā)動機的安裝之地。取力器的出現(xiàn)也使得攪拌車能夠做到全車共用一個動力源，不必配置單獨發(fā)動機驅(qū)動攪拌筒，使整車經(jīng)濟性有明顯提高。

 

    在某些特殊情況下，這種方式還是非常必要的。筆者曾為某港口機械廠家設(shè)計過32 m³ (有效容積20 m³)混凝土攪拌輸送車的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，采用的就是這種驅(qū)動方式。這主要是因為混凝土容積太大，其所需的驅(qū)動功率也非常大，只有采用這種發(fā)動機單獨驅(qū)動的方式才能夠提供足夠的驅(qū)動功率，同時又能夠保證攪拌筒的恒速轉(zhuǎn)動。

 

    (2) 常規(guī)的液壓傳動方案是通過控制手柄改變液壓泵斜盤的角度，從而使液壓泵實現(xiàn)雙向無級變量，在液壓泵的斜盤固定的情況下，液壓泵輸出流量與輸入轉(zhuǎn)速成正比。

    這種方案是目前最普遍采用的方案。這種驅(qū)動方式?jīng)]有加裝攪拌筒恒速攪動裝置，這主要是因為生產(chǎn)廠家有一種錯誤的看法。他們認為攪拌筒攪動時轉(zhuǎn)速很低，反映在發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化時，攪拌筒轉(zhuǎn)速似乎變化不大。如發(fā)動機轉(zhuǎn)速為600 r/min時，拌筒轉(zhuǎn)速為1 r/min；而當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，拌筒轉(zhuǎn)速增加為3 r/min。轉(zhuǎn)速增加了3倍，但攪拌筒轉(zhuǎn)速的絕對值只增加了2 r/min。他們所采用的減速機的減速比很大，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速改變量很小時，攪拌筒的速度不會有太大的改變，故也不會對混凝土的品質(zhì)有較大的改變。然而采用這樣的傳動方式省去了恒速控制裝置，在價格上取得了優(yōu)勢，故很受廠家和用戶的歡迎。

 

    但是，我們從專業(yè)的角度來看，這種方案的缺陷是很明顯的。雖然攪動時攪拌筒轉(zhuǎn)速的絕對值似乎受發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的影響不大。但是，由于攪拌筒轉(zhuǎn)動慣量大，攪拌筒的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，從而就會導(dǎo)致如前所述的弊端。而且隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，對混凝土質(zhì)量要求也越來越高。至于可靠性和價格，新型恒速方案和常規(guī)液壓系統(tǒng)方案的差距已經(jīng)越

來越小。

 

    (3) 采用電子恒速傳動(CSD)方式，通過控制電流來控制液壓泵的流量，使之始終與按各工況轉(zhuǎn)速要求所預(yù)定的流量一致。

    采用電子恒速傳動的方式已經(jīng)有多年的歷史，最早是德國Rexroth公司于20世紀90年代中期開發(fā)的攪拌車專用泵A4VTG，其加裝CSD電子恒速傳動裝置，即可實現(xiàn)攪拌筒的恒速驅(qū)動。德國Sauer-Danfoss公司于2001年也設(shè)計出了能實現(xiàn)電子恒速控制功能的TM系列攪拌車專用液壓元件。

 

    電子恒速傳動方案與常規(guī)液壓系統(tǒng)傳動方案大體上是一致的，只是液壓泵的控制形式改為了電比例控制。它是通過調(diào)節(jié)帶位移- 力反饋的比例閥的輸入電流，驅(qū)動液壓泵斜盤角度變化，從而使液壓泵實現(xiàn)雙向無級變量，液壓泵輸出流量與輸入電流成正比。

    恒速的實現(xiàn)是通過傳感器檢測拌筒的轉(zhuǎn)速，電子裝置根據(jù)實測轉(zhuǎn)速與預(yù)選轉(zhuǎn)速的差值，不斷調(diào)節(jié)輸出電流，從而使泵的輸出流量按預(yù)定值保持不變。

    從Rexroth、Sauer-Danfoss等國際知名液壓件專業(yè)公司近期相繼推出電子恒速控制裝置來看，攪拌筒恒速控制是攪拌車不可或缺的技術(shù)，這既適應(yīng)了汽車電子技術(shù)的大方向，又體現(xiàn)了工程機械機電一體化的現(xiàn)代發(fā)展趨勢。但由于價格方面的原因，在目前很難得到廣泛的應(yīng)用。

 

    (4) 采用液壓恒速閥控制(CSV)方式，通過附加在液壓變量柱塞泵上的恒速閥控制液壓泵斜盤角度，使其流量始終與按各工況轉(zhuǎn)速要求所預(yù)定流量一致。

    采用恒速液壓控制的方式要較采用電子恒速控制的方式早，價格也要便宜很多，CSV代表性廠家是日本Daikin公司。

 

    筆者在設(shè)計8 m³混凝土攪拌輸送車液壓系統(tǒng)時采用的就是液壓恒速控制閥方式，方案圖如圖1所示。液壓泵里內(nèi)置了壓力補償器、控制節(jié)流口、順序閥等。當攪拌車處于攪動工況時，壓力補償器開始工作，形成一個負荷傳感控制信號，使得液壓泵輸出流量恒定，攪拌筒轉(zhuǎn)速不隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化。

 

    

 

    將會使系統(tǒng)可靠性大幅度降低，液壓元件壽命大幅度縮短。筆者從自己的設(shè)計經(jīng)驗出發(fā)，提出了2種降低液壓系統(tǒng)沖擊的辦法：高壓溢流保護和伺服排量控制。