混凝土搅拌输送车液压控制系统设计.doc

混凝土搅拌输送车液压控制系统设计
摘要：对目前混凝土搅拌输送车液压控制系统设计中的关键问题———搅拌筒的恒速控制问题和液压系统冲击问题进行了探讨。总结了目前存在的各种恒速控制方式，进行了分析比较，得出了在目前条件下实现搅拌筒的恒速控制，以采用带恒速阀的液压变量柱塞泵、低速大扭矩马达、减速机、双向缓冲阀的配置为最佳；并提出了2种解决液压系统冲击的方法，即高压溢流保护和伺服排量控制。
关键词：混凝土；搅拌车；液压；控制系统
1工况特点及对液压控制系统要求1.1搅拌筒恒速控制
为了保证输送途中混凝土的质量，混凝土搅拌输送车满载预拌混凝土的搅拌筒在整个运输过程中都必须转动，且搅拌筒的搅动转速必须恒定，不受汽车发动机工作转速变化的影响，与车辆的行走速度无关，从而避免运输过程中出现因道路情况变化而使汽车速度频繁变化而导致搅拌筒的搅动转速忽高忽低，筒内混凝土流动不均匀，从而产生严重的离析，坍塌度变大，破坏混凝土品质。而且车辆加速的同时使搅拌筒加速，增加能耗的同时减少了车辆加速所需功率储备。这就势必要求液压系统能够保证搅拌筒的转速不随发动机转速的变化而变化，也就是搅拌筒的恒速控制问题。
1.2液压冲击
由于搅拌筒的运动惯量较大，故搅拌筒在各种工况之间转换时会对液压系统产生较大的液压冲击，造成液压系统的不平稳，缩短了传动元件(泵、马达、减速机)的寿命，降低了系统的可靠性。这就要求我们在设计液压系统时必须考虑到搅拌筒工况转换时液压系统的承受能力以及如何减小液压冲击的强度，提高系统的可靠性。
为了解决上述2个问题，首先我们必须搞清楚搅拌车液压系统的压力、流量以及液压元件扭矩、功率的变化情况，这就要求我们首先要对液压系统进行设计。
2恒速控制问题解决方案
目前，实现搅拌筒的恒速控制，大致有以下4种方式。第一种方式是采用发动机单独驱动，而其余3种都是通过取力器(PTO)从汽车底盘上引取动力。
(1)配置单独驱动搅拌筒的发动机，通过调节发动机输出功率来满足不同工况下搅拌筒的转速要求。对于单独配置发动机驱动搅拌筒的方式，虽然能够有效解决搅拌筒的恒速问题，并能够保证在任何行车工况下始终保持搅拌筒的恒速，但实际上因为太昂贵而很少被使用。搅拌车的早期发展曾有过这种配置方式，但其原因在于当时缺乏理想的全功率取力方式，而非专门考虑恒速传动之需。此外，这种驱动方式往往是以减少混凝土装载量为代价，以换取单独发动机的安装之地。取力器的出现也使得搅拌车能够做到全车共用一个动力源，不必配置单独发动机驱动搅拌筒，使整车经济性有明显提高。
在某些特殊情况下，这种方式还是非常必要的。笔者曾为某港口机械厂家设计过32m3(有效容积20m3)混凝土搅拌输送车的液压驱动系统，采用的就是这种驱动方式。这主要是因为混凝土容积太大，其所需的驱动功率也非常大，只有采用这种发动机单独驱动的方式才能够提供足够的驱动功率，同时又能够保证搅拌筒的恒速转动。
(2)常规的液压传动方案是通过控制手柄改变液压泵斜盘的角度，从而使液压泵实现双向无级变量，在液压泵的斜盘固定的情况下，液压泵输出流量与输入转速成正比。这种方案是目前最普遍采用的方案。这种驱动方式没有加装搅拌筒恒速搅动装置，这主要是因为生产厂家有一种错误的看法。他们认为搅拌筒搅动时转速很低，反映在发动机转速变化时，搅拌筒转速似乎变化不大。如发动机转速为600r/min时，拌筒转速为1r/min；而当发动机转速为1800r/min时，拌筒转速增加为3r/min。转速增加了3倍，但搅拌筒转速的绝对值只增加了2r/min。他们所采用的减速机的减速比很大，当发动机转速改变量很小时，搅拌筒的速度不会有太大的改变，故也不会对混凝土的品质有较大的改变。然而采用这样的传动方式省去了恒速控制装置，在价格上取得了优势，故很受厂家和用户的欢迎。
但是，我们从专业的角度来看，这种方案的缺陷是很明显的。虽然搅动时搅拌筒转速的绝对值似乎受发动机转速变化的影响不大。但是，由于搅拌筒转动惯量大，搅拌筒的转速随发动机转速的变化而变化，从而就会导致如前所述的弊端。而且随着现代建筑技术的发展，对混凝土质量要求也越来越高。至于可靠性和价格，新型恒速方案和常规液压系统方案的差距已经越来越小。
(3)采用电子恒速传动(CSD)方式，通过控制电流来控制液压泵的流量，使之始终与按各工况转速要求所预定的流量一致。采用电子恒速传动的方式已经有多年的历史，最早是德国Rexroth公司于20世纪90年代中期开发的搅拌车专用泵A4VTG，其加装CSD电子恒速传动装置，即可实现搅拌筒的恒速驱动。德国Sauer-Danfoss公司于2001年也设计出了能实现电子恒速控制功能的TM系列搅拌车专用液压元件。
电子恒速传动方案与常规液压系统传动方案大体上是一致的，只是液压泵的控制形式改为了电比例控制。它是通过调节带位移