混凝土攪拌運輸車傳動系統選型分析

魏雪玲，徐展

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇　徐州　221000）

混凝土攪拌運輸車傳動系統選型分析

魏雪玲，徐展

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇徐州221000）

本文介紹了攪拌車用減速機及液壓泵、馬達的選型匹配，從理論及經濟性的角度分析了常用的匹配方法，為市場上攪拌車選用減速機及液壓泵、馬達提供理論參考。

攪拌運輸車；減速機；泵；馬達

1　攪拌車的工作原理

混凝土攪拌運輸車是一種運輸混凝土的專用車輛，其動力源于底盤發動機。通過攪拌車底盤發動機取力口取力，經傳動軸將發動機動力傳遞給液壓油泵，產生高壓液壓油。液壓油驅動液壓馬達高速旋轉，經行星齒輪減速機產生很大的扭矩，驅動攪拌筒轉動，如圖1。

圖1　攪拌車動力傳動圖

在液壓系統的選型上，目前廣泛采用閉式變量泵－定量馬達無級調速液壓系統，各類液壓閥均組成集成塊分別裝在液壓泵和液壓馬達上，如圖2。它是通過控制桿操縱帶位置反饋的伺服閥來驅動變量缸，從而實現油泵雙向無級變量，通過減速機驅動攪拌筒正反轉及調速的。對于小容量攪拌運輸車，早期對其調速精度要求不高時，不少廠家采用開式液壓系統，這種系統結構簡單，但攪拌筒最大轉速與行駛時轉速差異較大，使用開式系統功率損失大，系統發熱高且調速范圍小。

2　減速機的選取

由于減速機直接驅動攪拌筒的轉動，攪拌筒的安裝大多與水平面有一個向上的傾角，所以選取減速機時最直接的考量參數就是扭矩及軸向力。早期德國力士樂公司在攪拌車上做了大量實驗，由實驗數據可知，綜合減速機的各種工況、效率及壽命，罐體直徑 Φ2300mm 時，罐體旋轉時所需減速機的扭矩6000N·m/m3，一般選取時，減速機所能提供的扭矩大小為選取的第一參數，14方量以上攪拌車可以在此參數上適當減小，但最小一般不應小于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，對減速機的水平沖擊力也越大，所以一般減速機對攪拌筒的安裝角度都作了限制。由于整機外形尺寸有一定限制，攪拌筒一般方量越大，直徑越大，轉動時的線速度也越大，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速比一般也較大。

圖2　常規閉式液壓系統方案

3　液壓泵、液壓馬達的選取

液壓系統的主要參數是壓力和流量，這兩個參數是選擇液壓元件的主要依據。GB/T26408－2011《混凝土攪拌運輸車》規定，攪拌筒設計最高轉速不得大于16r/min，在設計選型時可按最高轉速確定，以10m3為例，驅動攪拌筒以16r/min 的轉速轉動所需減速機扭矩為60000N·m/m3，如果選定減速機速比為130，則需要馬達輸出的最大扭矩為：

根據一般情況下液壓馬達輸出軸的最大扭矩并綜合考慮系統應用的可靠性、安全性條件，最大工作壓力一般可選350bar。

由 T馬達=Vq馬達×△P×ηm/20π 可知馬達的排量：

式中：

T馬達——馬達輸出的最大扭矩，N·m。

Vq馬達——馬達的最大排量，ml/r。

△P——馬達進出油口壓力差即所選的系統壓力，bar。

ηm——馬達的機械效率，取0.95。

所以，Vq馬達=T馬達×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載的性質決定，根據扭矩計算液壓泵排量，公式如下：

式中：

△P——液壓系統的最大工作壓力，一般取350bar。

P損——液壓泵的出口到液壓馬達的進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——液壓泵進出油口壓力差，bar。

ηmh——機械液壓的效率，取0.95。

根據流量計算液壓泵排量，馬達的最大轉速 n馬達不應小于攪拌筒最大轉速與減速機速比的乘積，即16×130=2080(rpm)

攪拌筒轉速16r/min 時馬達的輸入流量：

式中：

Q馬達——馬達輸入的最大流量，L/min。

Vq馬達——馬達的最大排量，ml/r。

ηv——馬達的容積效率，取0.95。

n馬達——馬達的轉速，rpm。

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

液壓泵的流量：

式中：K——系統泄漏系數，取 K=1.1。

所以，Q泵=KQ馬達=1.1×190.9=210(L/min)

液壓泵通過傳動軸直接連接到發動機取力口，其轉速可以默認為與發動機轉速相同。從各通用底盤發動機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，所以一般控制發動機轉速不超過2500rpm，泵的轉速也為2500rpm。

泵的排量：Vq泵=Q泵×1000/2500=84(ml/r)

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

由于不同生產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，一般必須選擇同一品牌的泵馬達進行匹配。只有雙方有合作的生產商才可以互相搭配。

4　經濟匹配

從以上可以看出，泵、馬達、減速機的選型是一個復雜的匹配過程。當方量一定時，驅動攪拌筒所需的扭矩也就確定了，減速機的型號基本也就確定了，如果想降低泵馬達的排量，勢必需要增大系統壓力。而在液壓元件的設計生產中，壓力上升到一定的數值后繼續升高，其密封方式及工藝手段都需要很大的不同，生產成本大幅提高，考慮到價格因素，匹配不同攪拌筒方量時選擇泵馬達都是從改變排量的角度考慮。

在8m3以下減速機的匹配時，并不僅僅只是考慮扭矩的問題，同時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 等級而非48000N·m 等級的減速機。考慮到安全性、價格、壽命等問題，10m3以上可以套用6000N·m/m3的原則選取，而8m3以下應該更多的考量軸向力以及匹配相應泵馬達時產生的價格問題。表1為常用三大件匹配規格。

表1　常用三大件匹配規格

5　結論

攪拌運輸車液壓傳動系統的選型不僅是一個以技術參數為主要依據的過程，還是一個綜合考量的過程，一般方量大，減速機扭矩大，速比也相對大些，泵、馬達的排量也相對增大。減速機由于扭矩變化后重量變化較大，不同型號的減速機價格差異較大，所以各生產商的產品型譜還較完善，但泵、馬達產品由于小排量產品同大排量產品生產工藝基本一致，僅僅在重量上有輕微區分，很多生產商出于市場經濟性考慮，大多采用生產量較大的大排量產品，總成本反而比生產少量的小排量產品還要降低。所以市場上很多小方量攪拌車用泵、馬達雖然從理論上可以用小排量產品，但使用時大多與大方量攪拌車相同。再加上小方量車用減速機為降低制造成本，一般速比偏小，比如匹配6m3時，由于減速機速比也較小，計算下來的泵、馬達的排量在系統壓力350bar 前提下與匹配10m3相差不多。所以，攪拌運輸車用傳動件的選型原則應是在滿足技術性能的基礎上使用經濟性為終極目標。

[1] 張國忠，王福良，周淑文，等．現代混凝土攪拌輸送車及應用[M]．北京：中國建材工業出版社，2006．

［通訊地址］江蘇省徐州市經濟開發區桃山路29號 徐州徐工施維英機械有限公司（221000）

魏雪玲，女，江蘇徐州人，高級工程師，主要從事混凝土機械產品的總體設計工作。