混凝土攪拌運(yùn)輸車傳動(dòng)系統(tǒng)選型分析

魏雪玲，徐展

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇　徐州　221000）

混凝土攪拌運(yùn)輸車傳動(dòng)系統(tǒng)選型分析

魏雪玲，徐展

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇徐州221000）

本文介紹了攪拌車用減速機(jī)及液壓泵、馬達(dá)的選型匹配，從理論及經(jīng)濟(jì)性的角度分析了常用的匹配方法，為市場(chǎng)上攪拌車選用減速機(jī)及液壓泵、馬達(dá)提供理論參考。

攪拌運(yùn)輸車；減速機(jī)；泵；馬達(dá)

1　攪拌車的工作原理

混凝土攪拌運(yùn)輸車是一種運(yùn)輸混凝土的專用車輛，其動(dòng)力源于底盤發(fā)動(dòng)機(jī)。通過攪拌車底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力口取力，經(jīng)傳動(dòng)軸將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞給液壓油泵，產(chǎn)生高壓液壓油。液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)行星齒輪減速機(jī)產(chǎn)生很大的扭矩，驅(qū)動(dòng)攪拌筒轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1。

圖1　攪拌車動(dòng)力傳動(dòng)圖

在液壓系統(tǒng)的選型上，目前廣泛采用閉式變量泵－定量馬達(dá)無級(jí)調(diào)速液壓系統(tǒng)，各類液壓閥均組成集成塊分別裝在液壓泵和液壓馬達(dá)上，如圖2。它是通過控制桿操縱帶位置反饋的伺服閥來驅(qū)動(dòng)變量缸，從而實(shí)現(xiàn)油泵雙向無級(jí)變量，通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌筒正反轉(zhuǎn)及調(diào)速的。對(duì)于小容量攪拌運(yùn)輸車，早期對(duì)其調(diào)速精度要求不高時(shí)，不少廠家采用開式液壓系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但攪拌筒最大轉(zhuǎn)速與行駛時(shí)轉(zhuǎn)速差異較大，使用開式系統(tǒng)功率損失大，系統(tǒng)發(fā)熱高且調(diào)速范圍小。

2　減速機(jī)的選取

由于減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)攪拌筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌筒的安裝大多與水平面有一個(gè)向上的傾角，所以選取減速機(jī)時(shí)最直接的考量參數(shù)就是扭矩及軸向力。早期德國力士樂公司在攪拌車上做了大量實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，綜合減速機(jī)的各種工況、效率及壽命，罐體直徑 Φ2300mm 時(shí)，罐體旋轉(zhuǎn)時(shí)所需減速機(jī)的扭矩6000N·m/m3，一般選取時(shí)，減速機(jī)所能提供的扭矩大小為選取的第一參數(shù)，14方量以上攪拌車可以在此參數(shù)上適當(dāng)減小，但最小一般不應(yīng)小于5000N·m/m3。攪拌車的方量越大，所需要的扭矩也就越大，由于攪拌筒是傾斜安裝的，其重力在水平方向的分力也越大，對(duì)減速機(jī)的水平?jīng)_擊力也越大，所以一般減速機(jī)對(duì)攪拌筒的安裝角度都作了限制。由于整機(jī)外形尺寸有一定限制，攪拌筒一般方量越大，直徑越大，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的線速度也越大，為了控制攪拌筒的線速度，增加安全性，所以大方量攪拌車用減速機(jī)速比一般也較大。

圖2　常規(guī)閉式液壓系統(tǒng)方案

3　液壓泵、液壓馬達(dá)的選取

液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，這兩個(gè)參數(shù)是選擇液壓元件的主要依據(jù)。GB/T26408－2011《混凝土攪拌運(yùn)輸車》規(guī)定，攪拌筒設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速不得大于16r/min，在設(shè)計(jì)選型時(shí)可按最高轉(zhuǎn)速確定，以10m3為例，驅(qū)動(dòng)攪拌筒以16r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)所需減速機(jī)扭矩為60000N·m/m3，如果選定減速機(jī)速比為130，則需要馬達(dá)輸出的最大扭矩為：

根據(jù)一般情況下液壓馬達(dá)輸出軸的最大扭矩并綜合考慮系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、安全性條件，最大工作壓力一般可選350bar。

由 T馬達(dá)=Vq馬達(dá)×△P×ηm/20π 可知馬達(dá)的排量：

式中：

T馬達(dá)——馬達(dá)輸出的最大扭矩，N·m。

Vq馬達(dá)——馬達(dá)的最大排量，ml/r。

△P——馬達(dá)進(jìn)出油口壓力差即所選的系統(tǒng)壓力，bar。

ηm——馬達(dá)的機(jī)械效率，取0.95。

所以，Vq馬達(dá)=T馬達(dá)×20π /(△P×ηm)=461.5×20×3.14/ (350×0.95)=87.29(ml/r)。

由于是閉式回路，變量液壓泵的最大工作壓力由負(fù)載的性質(zhì)決定，根據(jù)扭矩計(jì)算液壓泵排量，公式如下：

式中：

△P——液壓系統(tǒng)的最大工作壓力，一般取350bar。

P損——液壓泵的出口到液壓馬達(dá)的進(jìn)口之間的沿程損失和局部損失之和，一般可取5bar。

△P泵——液壓泵的最大工作壓力，bar。

所以，液壓泵的最大工作壓力為：△P泵=△P+ P損=350+5=355(bar)

由 T泵=Vq泵×△P泵/(20π×ηmh) 可知液壓泵的排量

式中：

T泵——液壓泵輸入的最大扭矩，N·m。

Vq泵——液壓泵的最大排量，ml/r。

△P泵——液壓泵進(jìn)出油口壓力差，bar。

ηmh——機(jī)械液壓的效率，取0.95。

根據(jù)流量計(jì)算液壓泵排量，馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速 n馬達(dá)不應(yīng)小于攪拌筒最大轉(zhuǎn)速與減速機(jī)速比的乘積，即16×130=2080(rpm)

攪拌筒轉(zhuǎn)速16r/min 時(shí)馬達(dá)的輸入流量：

式中：

Q馬達(dá)——馬達(dá)輸入的最大流量，L/min。

Vq馬達(dá)——馬達(dá)的最大排量，ml/r。

ηv——馬達(dá)的容積效率，取0.95。

n馬達(dá)——馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，rpm。

所以，Q馬達(dá)=Vq馬達(dá)×n /(1000×ηv)=87.2×2080/ (1000×0.95)=190.9(L/min)。

液壓泵的流量：

式中：K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，取 K=1.1。

所以，Q泵=KQ馬達(dá)=1.1×190.9=210(L/min)

液壓泵通過傳動(dòng)軸直接連接到發(fā)動(dòng)機(jī)取力口，其轉(zhuǎn)速可以默認(rèn)為與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同。從各通用底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩曲線可知，速度越大功率越大，但超過一定速度后扭矩下降很快，所以一般控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不超過2500rpm，泵的轉(zhuǎn)速也為2500rpm。

泵的排量：Vq泵=Q泵×1000/2500=84(ml/r)

從計(jì)算方式可以看出，泵、馬達(dá)的排量有一定差異，而在實(shí)際使用中一般選取同樣排量的泵馬達(dá)，即使考慮回路功率損失，泵和馬達(dá)排量差異一般以不超過10ml/r 為宜。

由于不同生產(chǎn)商有不同的控制方式，為了保證閉式回路的正常工作，在回路中增加的控制系統(tǒng)，一般必須選擇同一品牌的泵馬達(dá)進(jìn)行匹配。只有雙方有合作的生產(chǎn)商才可以互相搭配。

4　經(jīng)濟(jì)匹配

從以上可以看出，泵、馬達(dá)、減速機(jī)的選型是一個(gè)復(fù)雜的匹配過程。當(dāng)方量一定時(shí)，驅(qū)動(dòng)攪拌筒所需的扭矩也就確定了，減速機(jī)的型號(hào)基本也就確定了，如果想降低泵馬達(dá)的排量，勢(shì)必需要增大系統(tǒng)壓力。而在液壓元件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，壓力上升到一定的數(shù)值后繼續(xù)升高，其密封方式及工藝手段都需要很大的不同，生產(chǎn)成本大幅提高，考慮到價(jià)格因素，匹配不同攪拌筒方量時(shí)選擇泵馬達(dá)都是從改變排量的角度考慮。

在8m3以下減速機(jī)的匹配時(shí)，并不僅僅只是考慮扭矩的問題，同時(shí)還需考慮攪拌筒安裝角度過大造成的軸向力問題，傾角越大，軸向力越大，所以市面上的8m3攪拌車多選用60000N·m 等級(jí)而非48000N·m 等級(jí)的減速機(jī)。考慮到安全性、價(jià)格、壽命等問題，10m3以上可以套用6000N·m/m3的原則選取，而8m3以下應(yīng)該更多的考量軸向力以及匹配相應(yīng)泵馬達(dá)時(shí)產(chǎn)生的價(jià)格問題。表1為常用三大件匹配規(guī)格。

表1　常用三大件匹配規(guī)格

5　結(jié)論

攪拌運(yùn)輸車液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的選型不僅是一個(gè)以技術(shù)參數(shù)為主要依據(jù)的過程，還是一個(gè)綜合考量的過程，一般方量大，減速機(jī)扭矩大，速比也相對(duì)大些，泵、馬達(dá)的排量也相對(duì)增大。減速機(jī)由于扭矩變化后重量變化較大，不同型號(hào)的減速機(jī)價(jià)格差異較大，所以各生產(chǎn)商的產(chǎn)品型譜還較完善，但泵、馬達(dá)產(chǎn)品由于小排量產(chǎn)品同大排量產(chǎn)品生產(chǎn)工藝基本一致，僅僅在重量上有輕微區(qū)分，很多生產(chǎn)商出于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性考慮，大多采用生產(chǎn)量較大的大排量產(chǎn)品，總成本反而比生產(chǎn)少量的小排量產(chǎn)品還要降低。所以市場(chǎng)上很多小方量攪拌車用泵、馬達(dá)雖然從理論上可以用小排量產(chǎn)品，但使用時(shí)大多與大方量攪拌車相同。再加上小方量車用減速機(jī)為降低制造成本，一般速比偏小，比如匹配6m3時(shí)，由于減速機(jī)速比也較小，計(jì)算下來的泵、馬達(dá)的排量在系統(tǒng)壓力350bar 前提下與匹配10m3相差不多。所以，攪拌運(yùn)輸車用傳動(dòng)件的選型原則應(yīng)是在滿足技術(shù)性能的基礎(chǔ)上使用經(jīng)濟(jì)性為終極目標(biāo)。

[1] 張國忠，王福良，周淑文，等．現(xiàn)代混凝土攪拌輸送車及應(yīng)用[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，2006．

［通訊地址］江蘇省徐州市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)桃山路29號(hào) 徐州徐工施維英機(jī)械有限公司（221000）

魏雪玲，女，江蘇徐州人，高級(jí)工程師，主要從事混凝土機(jī)械產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)工作。