混凝土攪拌輸送車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2006-05-19 00:00
摘要： 對(duì)目前混凝土攪拌輸送車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題———攪拌筒的恒速控制問(wèn)題和液壓系統(tǒng)沖擊問(wèn)題進(jìn)行了探討?？偨Y(jié)了目前存在的各種恒速控制方式，進(jìn)行了分析比較，得出了在目前條件下實(shí)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(dá)、減速機(jī)、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(hù)和伺服排量控制。
關(guān)鍵詞： 混凝土；攪拌車；液壓；控制系統(tǒng)
1 工況特點(diǎn)及對(duì)液壓控制系統(tǒng)要求
1.1 攪拌筒恒速控制
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(gè)運(yùn)輸過(guò)程中都必須轉(zhuǎn)動(dòng)，且攪拌筒的攪動(dòng)轉(zhuǎn)速必須恒定，不受汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速變化的影響，與車輛的行走速度無(wú)關(guān)，從而避免運(yùn)輸過(guò)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(dòng)轉(zhuǎn)速忽高忽低，筒內(nèi)混凝土流動(dòng)不均勻，從而產(chǎn)生嚴(yán)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(shí)使攪拌筒加速，增加能耗的同時(shí)減少了車輛加速所需功率儲(chǔ)備。
這就勢(shì)必要求液壓系統(tǒng)能夠保證攪拌筒的轉(zhuǎn)速不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，也就是攪拌筒的恒速控制問(wèn)題。
1.2 液壓沖擊
由于攪拌筒的運(yùn)動(dòng)慣量較大，故攪拌筒在各種工況之間轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)對(duì)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(dòng)元件(泵、馬達(dá)、減速機(jī))的壽命，降低了系統(tǒng)的可靠性。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)必須考慮到攪拌筒工況轉(zhuǎn)換時(shí)液壓系統(tǒng)的承受能力以及如何減小液壓沖擊的強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的可靠性。
為了解決上述2個(gè)問(wèn)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(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2 恒速控制問(wèn)題解決方案
目前，實(shí)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(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，而其余3種都是通過(guò)取力器(PTO)從汽車底盤(pán)上引取動(dòng)力。
(1) 配置單獨(dú)驅(qū)動(dòng)攪拌筒的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率來(lái)滿足不同工況下攪拌筒的轉(zhuǎn)速要求。對(duì)于單獨(dú)配置發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌筒的方式，雖然能夠有效解決攪拌筒的恒速問(wèn)題，并能夠保證在任何行車工況下始終保持?jǐn)嚢柰驳暮闼?，但?shí)際上因?yàn)樘嘿F而很少被使用。攪拌車的早期發(fā)展曾有過(guò)這種配置方式，但其原因在于當(dāng)時(shí)缺乏理想的全功率取力方式，而非專門(mén)考慮恒速傳動(dòng)之需。此外，這種驅(qū)動(dòng)方式往往是以減少混凝土裝載量為代價(jià)，以換取單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)動(dòng)力源，不必配置單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌筒，使整車經(jīng)濟(jì)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(jī)械廠家設(shè)計(jì)過(guò)32 m3 (有效容積20 m3)混凝土攪拌輸送車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用的就是這種驅(qū)動(dòng)方式。這主要是因?yàn)榛炷寥莘e太大，其所需的驅(qū)動(dòng)功率也非常大，只有采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的方式才能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率，同時(shí)又能夠保證攪拌筒的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2) 常規(guī)的液壓傳動(dòng)方案是通過(guò)控制手柄改變液壓泵斜盤(pán)的角度，從而使液壓泵實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)級(jí)變量，在液壓泵的斜盤(pán)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(dòng)方式?jīng)]有加裝攪拌筒恒速攪動(dòng)裝置，這主要是因?yàn)樯a(chǎn)廠家有一種錯(cuò)誤的看法。他們認(rèn)為攪拌筒攪動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速很低，反映在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，攪拌筒轉(zhuǎn)速似乎變化不大。如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，拌筒轉(zhuǎn)速為1 r/min；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，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(duì)值只增加了2 r/min。他們所采用的減速機(jī)的減速比很大，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變量很小時(shí)，攪拌筒的速度不會(huì)有太大的改變，故也不會(huì)對(duì)混凝土的品質(zhì)有較大的改變。然而采用這樣的傳動(dòng)方式省去了恒速控制裝置，在價(jià)格上取得了優(yōu)勢(shì)，故很受廠家和用戶的歡迎。
但是，我們從專業(yè)的角度來(lái)看，這種方案的缺陷是很明顯的。雖然攪動(dòng)時(shí)攪拌筒轉(zhuǎn)速的絕對(duì)值似乎受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響不大。但是，由于攪拌筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，攪拌筒的轉(zhuǎn)速隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，從而就會(huì)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(duì)混凝土質(zhì)量要求也越來(lái)越高。至于可靠性和價(jià)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(lái)越小。
(3) 采用電子恒速傳動(dòng)(CSD)方式，通過(guò)控制電流來(lái)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(dòng)的方式已經(jīng)有多年的歷史，最早是德國(guó)Rexroth公司于20世紀(jì)90年代中期開(kāi)發(fā)的攪拌車專用泵A4VTG，其加裝CSD電子恒速傳動(dòng)裝置，即可實(shí)現(xiàn)攪拌筒的恒速驅(qū)動(dòng)。德國(guó)Sauer-Danfoss公司于2001年也設(shè)計(jì)出了能實(shí)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(dòng)方案與常規(guī)液壓系統(tǒng)傳動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)帶位移- 力反饋的比例閥的輸入電流，驅(qū)動(dòng)液壓泵斜盤(pán)角度變化，從而使液壓泵實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)級(jí)變量，液壓泵輸出流量與輸入電流成正比。
恒速的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)傳感器檢測(cè)拌筒的轉(zhuǎn)速，電子裝置根據(jù)實(shí)測(cè)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(guó)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(lái)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(jī)械機(jī)電一體化的現(xiàn)代發(fā)展趨勢(shì)。但由于價(jià)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(guò)附加在液壓變量柱塞泵上的恒速閥控制液壓泵斜盤(pán)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(jià)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(jì)8 m3混凝土攪拌輸送車液壓系統(tǒng)時(shí)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(bǔ)償器、控制節(jié)流口、順序閥等。當(dāng)攪拌車處于攪動(dòng)工況時(shí)，壓力補(bǔ)償器開(kāi)始工作，形成一個(gè)負(fù)荷傳感控制信號(hào)，使得液壓泵輸出流量恒定，攪拌筒轉(zhuǎn)速不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。
該系統(tǒng)為容積式變量無(wú)級(jí)調(diào)速，除了完成工作所必須的主回路(由變量柱塞泵和定量柱塞馬達(dá)組成)外，泵帶有補(bǔ)油泵，馬達(dá)帶有集成閥。補(bǔ)油泵一路通過(guò)2個(gè)補(bǔ)油單向閥，向主回路低壓區(qū)補(bǔ)油，一路經(jīng)排量控制閥與調(diào)節(jié)主泵斜盤(pán)傾斜角度的伺服液壓缸相通，組成液壓泵的伺服變量機(jī)構(gòu)油路，還有一路經(jīng)補(bǔ)油溢流閥，通入主泵殼體經(jīng)冷卻器回油箱，對(duì)工作中的泵進(jìn)行冷卻保護(hù)。2個(gè)高壓溢流閥(安全閥)可防止主回路在任何一個(gè)方向超載時(shí)，損壞泵和馬達(dá)。梭形閥確保工作時(shí)給主回路低壓區(qū)提供一個(gè)溢流通道，并由補(bǔ)油溢流閥保持低壓區(qū)壓力，同時(shí)也使其溢流油經(jīng)馬達(dá)、泵殼體加入冷卻油路。
由于采用了液壓恒速閥控制，故當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在輸送途中變化時(shí)，和它相連接的液壓泵轉(zhuǎn)速也將變化，此時(shí)恒速閥動(dòng)作，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵斜盤(pán)角度，使其輸出流量保持不變，從而使攪拌筒的轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)功率保持恒定，進(jìn)而保證了混凝土的品質(zhì)。
綜上所述，4種恒速控制方式各有利弊。采用單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式一般用在攪拌容積較大的場(chǎng)合，這種方式的恒速控制效果最好，但費(fèi)用最高。液壓恒速閥控制方式由于是通過(guò)壓力反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)，平穩(wěn)性稍差；受溫度影響大，流量控制精度不高，費(fèi)用居中；電子恒速控制方式則具有較好的平穩(wěn)性和較高的控制精度，功率損失也較小，但費(fèi)用相對(duì)也較高。常規(guī)的液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案，筆者認(rèn)為最好不要使用，這種方案終究會(huì)隨著現(xiàn)代施工工藝對(duì)混凝土要求的不斷提高而逐步淘汰。
筆者個(gè)人認(rèn)為，相比其他工程機(jī)械而言，攪拌輸送車液壓系統(tǒng)的控制精度要求并非太高，故考慮到費(fèi)用、效益等因素，在目前條件下實(shí)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(dá)、減速機(jī)、雙向緩沖閥的配置為最佳，這樣不僅能夠滿足混凝土品質(zhì)的要求，而能夠最大限度的降低價(jià)格，提高經(jīng)濟(jì)性。
3 液壓沖擊問(wèn)題解決方案
筆者在設(shè)計(jì)8 m3混凝土攪拌輸送車時(shí)發(fā)現(xiàn)，在攪拌車滿載的情況下，攪拌筒的驅(qū)動(dòng)阻力矩是比較大的(45 454.52 N·m)，這還是在正常滿載工況下的扭矩，若是在換向時(shí)阻力矩會(huì)更大，一般而言為正常滿載工況下的1.2～1.4倍，即54 545.42～63 636.32 N·m，這將對(duì)液壓系統(tǒng)造成較大的負(fù)擔(dān)，尤其是在攪拌筒換向卸料工況時(shí)，液壓系統(tǒng)會(huì)有比較大的液壓沖擊。
而完全消除系統(tǒng)的液壓沖擊是很困難的，也是沒(méi)有必要的，這樣將勢(shì)必降低系統(tǒng)的工作效率。這樣我們就只能在保證效率的前提下適當(dāng)降低液壓沖擊的峰值，以減小其對(duì)系統(tǒng)的危害。
為此，筆者在綜合考慮了系統(tǒng)工作效率和液壓沖擊對(duì)系統(tǒng)的危害后，提出了以下2種解決方案。
(1) 系統(tǒng)高壓溢流保護(hù)
在主回路中設(shè)置2個(gè)主溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最高工作壓力，一旦工作壓力超過(guò)系統(tǒng)允許值時(shí)，其中對(duì)應(yīng)高壓回路的溢流閥就會(huì)打開(kāi)，把油引入低壓油路中，防止高壓油路承受異常的液壓沖擊，低壓回路產(chǎn)生空穴。
(2) 伺服排量控制(響應(yīng)時(shí)間)
產(chǎn)生液壓沖擊的一個(gè)原因就是攪拌筒的換向時(shí)間太短，液壓油從一個(gè)方向最大流量改變?yōu)橄喾捶较蜃畲罅髁克璧臅r(shí)間(斜盤(pán)越過(guò)中位)取決于伺服控制閥輸油口上的控制阻尼口的大小。阻尼口越大，液壓油的換向時(shí)間越短，從而攪拌筒的換向時(shí)間就越短，液壓沖擊也就會(huì)越嚴(yán)重?？梢酝ㄟ^(guò)增大伺服閥上阻尼口的大小來(lái)降低液壓峰值，從而使系統(tǒng)性能得到改善。
通過(guò)對(duì)8 m3攪拌車做的仿真和試驗(yàn)研究表明，選用阻尼口直徑為1.05 mm的伺服閥效果最好，此時(shí)換向時(shí)間為3.06 s，能夠滿足系統(tǒng)各方面的性能指標(biāo)要求。
4 結(jié)語(yǔ)
混凝土攪拌輸送車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要解決以下2個(gè)方面的問(wèn)題。
(1) 解決攪拌筒的恒速控制進(jìn)而解決混凝土在運(yùn)
輸途中所產(chǎn)生的離析、坍塌等影響混凝土品質(zhì)的現(xiàn)象。筆者分析了目前并存的幾種液壓系統(tǒng)恒速控制的特點(diǎn)，提出了在目前條件下實(shí)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(dá)、減速機(jī)、雙向緩沖閥的配置為最佳。
(2) 系統(tǒng)液壓沖擊的影響如果不解決這個(gè)問(wèn)題，
將會(huì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)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(hù)和伺服排量控制。
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