混凝土搅拌运输车传动系统选型分析

魏雪玲，徐展

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏　徐州　221000）

混凝土搅拌运输车传动系统选型分析

魏雪玲，徐展

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏徐州221000）

本文介绍了搅拌车用减速机及液压泵、马达的选型匹配，从理论及经济性的角度分析了常用的匹配方法，为市场上搅拌车选用减速机及液压泵、马达提供理论参考。

搅拌运输车；减速机；泵；马达

1　搅拌车的工作原理

混凝土搅拌运输车是一种运输混凝土的专用车辆，其动力源于底盘发动机。通过搅拌车底盘发动机取力口取力，经传动轴将发动机动力传递给液压油泵，产生高压液压油。液压油驱动液压马达高速旋转，经行星齿轮减速机产生很大的扭矩，驱动搅拌筒转动，如图1。

图1　搅拌车动力传动图

在液压系统的选型上，目前广泛采用闭式变量泵－定量马达无级调速液压系统，各类液压阀均组成集成块分别装在液压泵和液压马达上，如图2。它是通过控制杆操纵带位置反馈的伺服阀来驱动变量缸，从而实现油泵双向无级变量，通过减速机驱动搅拌筒正反转及调速的。对于小容量搅拌运输车，早期对其调速精度要求不高时，不少厂家采用开式液压系统，这种系统结构简单，但搅拌筒最大转速与行驶时转速差异较大，使用开式系统功率损失大，系统发热高且调速范围小。

2　减速机的选取

由于减速机直接驱动搅拌筒的转动，搅拌筒的安装大多与水平面有一个向上的倾角，所以选取减速机时最直接的考量参数就是扭矩及轴向力。早期德国力士乐公司在搅拌车上做了大量实验，由实验数据可知，综合减速机的各种工况、效率及寿命，罐体直径 Φ2300mm 时，罐体旋转时所需减速机的扭矩6000N·m/m3，一般选取时，减速机所能提供的扭矩大小为选取的第一参数，14方量以上搅拌车可以在此参数上适当减小，但最小一般不应小于5000N·m/m3。搅拌车的方量越大，所需要的扭矩也就越大，由于搅拌筒是倾斜安装的，其重力在水平方向的分力也越大，对减速机的水平冲击力也越大，所以一般减速机对搅拌筒的安装角度都作了限制。由于整机外形尺寸有一定限制，搅拌筒一般方量越大，直径越大，转动时的线速度也越大，为了控制搅拌筒的线速度，增加安全性，所以大方量搅拌车用减速机速比一般也较大。

图2　常规闭式液压系统方案

3　液压泵、液压马达的选取

液压系统的主要参数是压力和流量，这两个参数是选择液压元件的主要依据。GB/T26408－2011《混凝土搅拌运输车》规定，搅拌筒设计最高转速不得大于16r/min，在设计选型时可按最高转速确定，以10m3为例，驱动搅拌筒以16r/min 的转速转动所需减速机扭矩为60000N·m/m3，如果选定减速机速比为130，则需要马达输出的最大扭矩为：

根据一般情况下液压马达输出轴的最大扭矩并综合考虑系统应用的可靠性、安全性条件，最大工作压力一般可选350bar。

由 T马达=Vq马达×△P×ηm/20π 可知马达的排量：

式中：

T马达——马达输出的最大扭矩，N·m。

Vq马达——马达的最大排量，ml/r。

△P——马达进出油口压力差即所选的系统压力，bar。

ηm——马达的机械效率，取0.95。

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

由于是闭式回路，变量液压泵的最大工作压力由负载的性质决定，根据扭矩计算液压泵排量，公式如下：

式中：

△P——液压系统的最大工作压力，一般取350bar。

P损——液压泵的出口到液压马达的进口之间的沿程损失和局部损失之和，一般可取5bar。

△P泵——液压泵的最大工作压力，bar。

所以，液压泵的最大工作压力为：△P泵=△P+ P损=350+5=355(bar)

由 T泵=Vq泵×△P泵/(20π×ηmh) 可知液压泵的排量

式中：

T泵——液压泵输入的最大扭矩，N·m。

Vq泵——液压泵的最大排量，ml/r。

△P泵——液压泵进出油口压力差，bar。

ηmh——机械液压的效率，取0.95。

根据流量计算液压泵排量，马达的最大转速 n马达不应小于搅拌筒最大转速与减速机速比的乘积，即16×130=2080(rpm)

搅拌筒转速16r/min 时马达的输入流量：

式中：

Q马达——马达输入的最大流量，L/min。

Vq马达——马达的最大排量，ml/r。

ηv——马达的容积效率，取0.95。

n马达——马达的转速，rpm。

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

液压泵的流量：

式中：K——系统泄漏系数，取 K=1.1。

所以，Q泵=KQ马达=1.1×190.9=210(L/min)

液压泵通过传动轴直接连接到发动机取力口，其转速可以默认为与发动机转速相同。从各通用底盘发动机功率及扭矩曲线可知，速度越大功率越大，但超过一定速度后扭矩下降很快，所以一般控制发动机转速不超过2500rpm，泵的转速也为2500rpm。

泵的排量：Vq泵=Q泵×1000/2500=84(ml/r)

从计算方式可以看出，泵、马达的排量有一定差异，而在实际使用中一般选取同样排量的泵马达，即使考虑回路功率损失，泵和马达排量差异一般以不超过10ml/r 为宜。

由于不同生产商有不同的控制方式，为了保证闭式回路的正常工作，在回路中增加的控制系统，一般必须选择同一品牌的泵马达进行匹配。只有双方有合作的生产商才可以互相搭配。

4　经济匹配

从以上可以看出，泵、马达、减速机的选型是一个复杂的匹配过程。当方量一定时，驱动搅拌筒所需的扭矩也就确定了，减速机的型号基本也就确定了，如果想降低泵马达的排量，势必需要增大系统压力。而在液压元件的设计生产中，压力上升到一定的数值后继续升高，其密封方式及工艺手段都需要很大的不同，生产成本大幅提高，考虑到价格因素，匹配不同搅拌筒方量时选择泵马达都是从改变排量的角度考虑。

在8m3以下减速机的匹配时，并不仅仅只是考虑扭矩的问题，同时还需考虑搅拌筒安装角度过大造成的轴向力问题，倾角越大，轴向力越大，所以市面上的8m3搅拌车多选用60000N·m 等级而非48000N·m 等级的减速机。考虑到安全性、价格、寿命等问题，10m3以上可以套用6000N·m/m3的原则选取，而8m3以下应该更多的考量轴向力以及匹配相应泵马达时产生的价格问题。表1为常用三大件匹配规格。

表1　常用三大件匹配规格

5　结论

搅拌运输车液压传动系统的选型不仅是一个以技术参数为主要依据的过程，还是一个综合考量的过程，一般方量大，减速机扭矩大，速比也相对大些，泵、马达的排量也相对增大。减速机由于扭矩变化后重量变化较大，不同型号的减速机价格差异较大，所以各生产商的产品型谱还较完善，但泵、马达产品由于小排量产品同大排量产品生产工艺基本一致，仅仅在重量上有轻微区分，很多生产商出于市场经济性考虑，大多采用生产量较大的大排量产品，总成本反而比生产少量的小排量产品还要降低。所以市场上很多小方量搅拌车用泵、马达虽然从理论上可以用小排量产品，但使用时大多与大方量搅拌车相同。再加上小方量车用减速机为降低制造成本，一般速比偏小，比如匹配6m3时，由于减速机速比也较小，计算下来的泵、马达的排量在系统压力350bar 前提下与匹配10m3相差不多。所以，搅拌运输车用传动件的选型原则应是在满足技术性能的基础上使用经济性为终极目标。

[1] 张国忠，王福良，周淑文，等．现代混凝土搅拌输送车及应用[M]．北京：中国建材工业出版社，2006．

［通讯地址］江苏省徐州市经济开发区桃山路29号 徐州徐工施维英机械有限公司（221000）

魏雪玲，女，江苏徐州人，高级工程师，主要从事混凝土机械产品的总体设计工作。