混凝土攪拌輸送車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計
2006-05-19 00:00
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)
1 工況特點及對液壓控制系統(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。
1.2 液壓沖擊
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。
2 恒速控制問題解決方案
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。
該系統(tǒng)為容積式變量無級調(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組成)外，泵帶有補油泵，馬達帶有集成閥。補油泵一路通過2個補油單向閥，向主回路低壓區(qū)補油，一路經(jīng)排量控制閥與調(diào)節(jié)主泵斜盤傾斜角度的伺服液壓缸相通，組成液壓泵的伺服變量機構(gòu)油路，還有一路經(jīng)補油溢流閥，通入主泵殼體經(jīng)冷卻器回油箱，對工作中的泵進行冷卻保護。2個高壓溢流閥(安全閥)可防止主回路在任何一個方向超載時，損壞泵和馬達。梭形閥確保工作時給主回路低壓區(qū)提供一個溢流通道，并由補油溢流閥保持低壓區(qū)壓力，同時也使其溢流油經(jīng)馬達、泵殼體加入冷卻油路。
由于采用了液壓恒速閥控制，故當汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在輸送途中變化時，和它相連接的液壓泵轉(zhuǎn)速也將變化，此時恒速閥動作，自動調(diào)節(jié)液壓泵斜盤角度，使其輸出流量保持不變，從而使攪拌筒的轉(zhuǎn)速及驅(qū)動功率保持恒定，進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。采用單獨發(fā)動機驅(qū)動的方式一般用在攪拌容積較大的場合，這種方式的恒速控制效果最好，但費用最高。液壓恒速閥控制方式由于是通過壓力反饋來實現(xiàn)，平穩(wěn)性稍差；受溫度影響大，流量控制精度不高，費用居中；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，但費用相對也較高。常規(guī)的液壓系統(tǒng)傳動方案，筆者認為最好不要使用，這種方案終究會隨著現(xiàn)代施工工藝對混凝土要求的不斷提高而逐步淘汰。
筆者個人認為，相比其他工程機械而言，攪拌輸送車液壓系統(tǒng)的控制精度要求并非太高，故考慮到費用、效益等因素，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，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格，提高經(jīng)濟性。
3 液壓沖擊問題解決方案
筆者在設(shè)計8 m3混凝土攪拌輸送車時發(fā)現(xiàn)，在攪拌車滿載的情況下，攪拌筒的驅(qū)動阻力矩是比較大的(45 454.52 N·m)，這還是在正常滿載工況下的扭矩，若是在換向時阻力矩會更大，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，這將對液壓系統(tǒng)造成較大的負擔，尤其是在攪拌筒換向卸料工況時，液壓系統(tǒng)會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，也是沒有必要的，這樣將勢必降低系統(tǒng)的工作效率。這樣我們就只能在保證效率的前提下適當降低液壓沖擊的峰值，以減小其對系統(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
在主回路中設(shè)置2個主溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最高工作壓力，一旦工作壓力超過系統(tǒng)允許值時，其中對應高壓回路的溢流閥就會打開，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(響應時間)
產(chǎn)生液壓沖擊的一個原因就是攪拌筒的換向時間太短，液壓油從一個方向最大流量改變?yōu)橄喾捶较蜃畲罅髁克璧臅r間(斜盤越過中位)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，液壓油的換向時間越短，從而攪拌筒的換向時間就越短，液壓沖擊也就會越嚴重。可以通過增大伺服閥上阻尼口的大小來降低液壓峰值，從而使系統(tǒng)性能得到改善。
通過對8 m3攪拌車做的仿真和試驗研究表明，選用阻尼口直徑為1.05 mm的伺服閥效果最好，此時換向時間為3.06 s，能夠滿足系統(tǒng)各方面的性能指標要求。
4 結(jié)語
混凝土攪拌輸送車控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要解決以下2個方面的問題。
(1) 解決攪拌筒的恒速控制進而解決混凝土在運
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，提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。
(2) 系統(tǒng)液壓沖擊的影響如果不解決這個問題，
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。
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