混凝土搅拌运输车液压系统主要元件选型.pdf

T E CH NI C F oR UM ／ 技 术论 坛}2 0 1 1 ／ 0 6 混凝土搅拌运输车液压系统主要元件选型 M a i n Com p one n t s Sel e c t i on f or Conc r e t e M i xe r Hydr a ul i c Sy s t em 曹建永 王铁 雷叶 F E NG T a o e t a I 1 ． 太原理工大学机械工程学院车辆工程系 山西太原0 3 0 0 2 4 2 。 中国重汽集 团柳州运力专 用汽 车有 限公 司 广西柳州 5 4 5 0 0 5 摘要 液压系统是混凝 土搅拌运输车传递动 力的主要部分 。以l O re 混凝土搅拌运输车 为研究对象 ， 通过逆向推理用两种方法确定 搅拌罐 的驱动 阻力矩 。根据驱动阻 力矩通过减速机传动 比确定液压马 达 的型号 ，根据选取的液压马达的型号确 定液压泵的型号 ，最后确定补油泵的型号 。同时改进 了操 纵杆面板 ，减小 了快速切换搅拌罐转向时对液压系统 的冲击 ，提高 了主要液压元件的寿命。 关键词 逆向推理 驱动阻力矩 确定型号 改进操 纵杆面板 中图分类号 U 4 6 9 ．6 5 ．0 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 ． 0 2 2 6 2 0 1 1 0 6 ． 0 0 6 4 0 4 1 前言 混凝土搅拌运输车液压系统是将发动机的动力传递到减速机 的传力装置 ，是整个上装部分的核心组成。 目前国内外几乎所有 的混泥土搅拌运输车都采用液压驱动的方式 ，因为采用液压 系统 驱动有以下优点 a ． 可以使上装部分的布置更加紧凑和灵活，能够有效利用空 间 ； b ． 可以使搅拌罐 的运转更加平稳 ，内部的过载保护装置可以 保护由于搅拌罐工况的变化对发动机的； 中击； C ． 内部的恒速装置可以避免由于汽车发动机转速的变化而引 起搅拌罐转速的变化，从而可以保持搅拌罐的恒速转动，保证了 内部 混凝 土的 质量 ； d ． 易于进行搅拌罐各种转速和方向的变换； C ． 封闭性好，可以适应各种环境 ，维护率低。 由于混凝土搅拌运输车液压系统的制造精度要求很高 ，绝大 多数的液压马达和液压泵都是国外制造 ，所以目前国内几乎所有 生产混凝土搅拌运输车的厂 家都是直接购买液压马达和液压泵 ， 其余液压设备为了降低成本而采购 国内产品。虽然液压泵和液压 第一作者 曹建永 ，男 ，1 9 8 2 年 生 ，硕 士研究生 ，研究方向 汽 车设计 方法。 马达等说明书上注 明了排量和转速等参数 ，但是装配时仍有不匹 配现象发生 ，造成整个液压系统的效率降低或功率浪费。如果散 热油箱选取不合适 ，就会造成液压系统散热下降或成本升高。因 此 ，提 出一套 完整 的液压 系统 选取理 论依 据 ，显得 尤为重 要 。 2 搅拌罐驱动阻力矩的确定 因混凝土在搅拌筒 内混凝土的运动 比较复杂 ，目前尚没有统 一 适用的计算方法，所以通过两种算法对比计算结果择优选取最 佳 。 第一种算法，可以通过对试验数据进行分析、处理 ，推导出 搅拌阻力矩与搅拌容积关系的经验公式。搅拌筒驱动阻力矩与搅 拌筒搅拌容量的数据见表 1 。 表1搅 拌筒 工况载 荷数 据 搅拌筒 装载容 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 量 ，m 搅拌驱 动扭矩 1 2 5 3 0 1 7 5 6 0 2 3 5 4 0 3 0 0 2 5 3 6 0 4 0 4 2 5 6 3 4 6 0 4 7 5 2 0 3 2 5 6 1 0 2 5 8 5 3 5 【N - m 由表1 中的数据 ，在坐标轴上描出相应的l 0 个点 ，得到图l 。 ～ i一 苎 一 一 ㈣ ～ 一 銎 】 哪 一 胁 至 删 ⋯ 三 、 ．三 ㈨ ～ 。 ～ 一 ～ 一 ～ 一 ～ 一 占 ● 督 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 搅拌 容量 ． 图1 搅拌筒 搅拌 容量数 据曲线 由图1 可知，其接近～条直线 ，因此可设想 Co C， V 式中，M为搅拌筒驱动 力矩 ，k N m；V 为搅拌简装载容量 ，m 。 根据最小二乘法，列出拟合曲线表达式⋯ ∑I ∑ ， 1 ， 1 M ] ．．．．． i 』 l 式中 ，i 1 ～ 1 0 。 即 M 2 7 6 4 6 4 5 3 3 6 ． 3 6 V 将搅拌筒容积 1 0 m 带入上式 ，得M 5 6 1 2 8 ． 2 4 N m。 第二种算法，根据德国利勃海尔公司推荐的公式，由于摩擦 阻力的存在 ，搅拌筒内的混凝土重心有偏移 ，它所产生的力矩应 与摩擦阻力矩平衡，如图2 所示。 图2满装拌和料搅拌筒搅拌时横剖示意图 根据利勃海尔公司的公式 Mr2 卜 十 A M 偏 M 商 聱M 计 章 Fx r M 2x Fx rM 通过试验测得 M i㈣≈O 5 Fxr T E CHN I C F OR UM／ 技术 论坛1 2 0 1 1 ／ 0 6 即 M 2 ． 5 x F ／ 式中，r 为偏心距， O ． 】 II I ；尸 为混凝土的重量 ，取混凝土的密度 为2 ．4 5 x 1 0 k g ／m 。 代 人 上述 公式得 M 6 1 2 5 0 N‘ m。 由此可见，按上述两种方法计算的驱动扭矩差别不大 ，说明 所采用的计算方法是可取的。而由于利勃海尔公司推荐的公式只 适合做粗略的估算 ，所以取第一种实验计算结果。 3 液压马达选型 减速机的传动 比为 1 1 3 1 ，搅拌筒的最大 转速为 l 5 r ／ ra i n ，根 据实际卸料 工作情况，同时为了降低成本和减小发动机油耗，取 搅拌筒的转速为1 0 r ／ rai n ，则 n 、 l 31 0 r ／ m i n 、 42 8．5 N m g 6 2 8 M ／ p q 、 式 中，“ 为马达最大输出转速 ， r ／ rai n ； 为马达最 大输 出扭 矩 ，N’ ／T ／ 、 为马达的最大排量 ，ml ／ r , △ 为马达的进出 口压 差，即所选的系统压力 ，MP a ；， 7 为马达的机械效率， 0 ． 9 5。 计算可得 ， 8 8 ． 5 m l ／ r 。 根据伊顿公司提供的资料 ，选取MF 8 9 马达 ，排量为8 9 ml ／ r ， 最高转速为2 6 0 0 r ／ rai n 。 根据所选取的马达，系统的实际工作压力为 △ 6 2 8 M ／ ‰ ， 7 、 1 3 1 ． 8 MP a 。 4 液压泵 的选型 确定液压泵的最大工作压力，液压泵的工作压力由负载的性 质决定。 P ≥ ZP 式中，P 为液压马达最大工作压力，取最大值3 l 8 MP a ；Z P 为液 压泵出 口到液压马达进 口之间的沿程损失和局部损 失之和 ，取 EP 0． 5 MPa。 P ≥ ∑ 3 2- 3 M P a 液压泵的流量Q 按照液压马达的最大工作流量和泄漏量来确 定 。 Qn ⋯ ’ 0 0 0 式中，Ⅳ 为容积效率 ，取 0 ． 9 5 ； 为液压马达的排量。 计算可得Q6 6 4 8 l 0 。 L ／ s 又 由于 K Q 式中 ， 为系统泄漏系数 ，K1 ． 1 。 1 l 1 1 0． 8 7 3l 41 0 L／ s 从而可得到 、 Q， ／ O ． 0 8 6 L ／ r e v 式 中， 为液 压泵 转速 考虑 到 降低油 耗和 实际测 速 ，取 H l 42 0 r ／ mi n。 考虑到液压马达转速一般都处于1 1 3 1 r ／ m i n 以下，最主要是考 ∞ ∞ ∞ 、 ● ●●●●● ● ， ， ， ●．．．． T E CHN I C F oR uM ／ 技术 论坛f 2 0 l 1 ／ 0 6 虑到 发动机 油耗和 液压 泵 的成本 等因素 ，故选取 的伊 顿公司 P V8 9 液压泵 ，其排量为0 ． 0 8 9 L ／ r e v ，最高转速2 6 0 0 r ／ mi n ，可以满 足 需要 。 5补油泵的选型 由于目前厂家把主泵、补油泵和换向阀为集成一体的 ，故选 定了主泵也就将补油泵和换向阀确定了。P V8 9 的标准补油泵压力 排量为1 8 ．0 3 c m ／ r e v ，补油压力为1 - 3 ～2 ． 5 MP a ，由于各个限压阀 的压力设定为1 3 MP a ，所以取补油压力为1 ． 3 MP a 。 6 散热油箱的选型 由于采用的是闭式液压系统 ，液压系统工作时，油液在闭式 回路中往复循环，不能回到油箱冷却 ，而液压泵、液压马达的容 积损失和机械损失 ，或控制元件及管路的压力损失和液体摩擦损 失等消耗的能量，几乎全部转化为热量。这些热量除了一部分散 发到周围空间，大部分使油液的温度及元件 的温度升高。如果油 液温度过高，将严重影响液压系统的正常工作 ，因此必须采取强 制冷却的办法，通过液压油冷却器来严格控制油液的温度，使之 适合系统工作的需要 ，从而保证液压系统的正常工作。 系统单位时间的发热量 为 忽略摩擦和液压元件的散热 中 P 一P 式中，P ， 为液压泵的输出功率，k W ；P 2 为系统的输出功率 ，k W。 2 5 ． 7 k W 油箱单位时间的散热量为 c／ , ’ Cs x A A T 式中， 为油箱散热面积 ；△ 为系统温升 ，A，， ， ℃ i 为系统达到热平衡时的油温 为环境温度，℃C 为油箱散热 系数，k w ／ m ‘ ℃ 。当自然冷却通风很差时 ，C 8 9 x 1 0 ～ ；自 然冷却通风 良好时 ，C 1 5 N 1 7 ． 5 1 0 ～ ；当油箱加专 业冷 却器 时，C ， 8 ～9 1 0 。 液压系统达到热平衡时，庐 ，即 AT4／ C， 如果油箱三个变长的比例在 1 1 1 到1 2 3 范围内，且油面高度 为油箱高度的8 0 ％，其散热面积 近似为 A1自 O 0 6 5 ‘ 式中， 为油箱有效容积 ，L 。 选取伊顿 H y d r a u l i c s 公司H P A T K系列配备有一体式的油 箱且用于冷却 闭式回路液压系统设 备的散热器 ，油箱容积 为1 5 L 。同时加装一个温度敏感开关，即可符合上述要求。即 6 ．0 8 m ，△T ／ C 3 0 ． 2 ℃。 由最高允许油温公式 △丁≤ [ 】 式中，[ ] 为最高允许油温，【 ] 8 O ℃。 求得 6 8 ．2 C≤【 列 8 0 。 C 可见 ，所选取的散热器符合要求。 7连接管道的选型 由于液压泵和马达的布置，所以采用橡胶管道来建立元件之 间的连接 。根据胶管内径与流量、流速的关系，按下式计算 A O ／ 6 式中 ， 为胶管的通流截面积 ，c m ；Q 为管内流量 ，L ／ s 为 管内流速 ，r r d s 通常允许的胶管的流速 I／ 曾 6 r r d s 。 计算可得 ，A 0 ． 0 7 c m ， d 2 A ／ 3 ． 1 4 3 0 m i l l 。 计算得到的数值是系统胶 管的最大值 ，只有在换向的时候 才出现 ，出现的次数 比较少 ，而且可以通过人为的操作减少最 大峰值的出现 ，同时也考虑到成本的原 因。主油路的两段回路 在搅拌筒正反转的时候交替出现高压 ，故主油路的两条胶管都 取 内径是3 0 mm，最大可承 受的压 力是4 0 MP a 。而余下管路都 属于低压 回路 ，故选取 内径 为2 5 mm，最大可承 受的压力是4 0 MP a 。液压泵、液压马达和胶管及其附件 的接法如图3 所示 。 图3液压系统 各元件 连接 图 8 滤油器 的选型 滤油器是液压 系统中非常重要的元件 ，它可以清除液压油中 的污染物 ，保持油液的清洁度，降低液压泵和液压马达之间的摩 擦 ，确保液压系统元件运行的可靠性。 考虑到系统压力过高 ，且要求精过虑，故选用纸质滤油器对 供油进行精过滤 ，并且选用线隙式滤油器对回油进行粗过滤 。 根据 机械设计手册可知 ，高压液压系统一般要求过滤精 度 为 1 0 ta m，然 而 由于 一般 国产 的1 0 m滤油 质 量不 完 全可 靠 ，故 选 用意大利独资企业上海索菲玛液压设备有限公司生 产的A MF 1 ．2 0 0 k P a 精滤器 ，过滤精度为1 0 g m。而粗过滤器的要求则不是很 高 ，故选用一般国产滤油器即可满足要求，根据系统的流量和过 滤精度的要求 选用无锡某厂生产的线隙式滤油器 ，其通径 为6 5 fi lm，额定流量为2 ． 4 1 0 。 L ／ s ，过滤精度为3 0 m。 9其它附属液压元件选型 由于所选液压泵集成了换 向阀、补油溢流阀和单向阀，液压 马达集成了双 向溢流阀和梭 阀，故不再需要选取 ，只需在使用时 设定 目标值就可。 1 0 液压马达 、液压泵和补油泵选取验证 1 O ． 1 马达功率验 证 根据伊顿公司公式 P6 1 0 Jv _ ／ 6 0 0 式中， 为输 出流量 ，L ／ s ；D 为马达压降 ，取J 9 3 l 8 MP a ；JⅣ 『 为 总效 率 ，取 0 ． 9 0 。 得到J D 5 5 ． 6 k W 。 1 0 ． 2 马达扭矩验证 根 据 公式 M 1 ． 5 9 ’D N ／ 1 O O 式中， 为排量，ml ／ r ；N 为机械效率 ，取 O 9 5 。 求得， 4 2 7 ． 5 Nl m。 1 O ． 3 液压泵功率验证 根据 公式P ／ 6 0 0 x 式 中，D ⋯ 为液压 泵压 降 ，取D 、 3 2 l 3 MP a ；Jv为总效率 ，取 J Ⅳ ． 0． 9。 求得 ，P8 0 ． 8 k W 。 1 0 ． 4 液压泵扭矩验证 同理 可得 1 ． 5 9 ’ D，， ⋯ o 0 ’ 4 8 1 ． 1 NI T I 1 0 ． 5 补油泵功率验证 根据 公式 Q 6 0 ； 7 ／1 0 0 0 式中， 为补油泵流量 ， L ／ s ； 为补油泵排量 ， 取1 8 ．0 3 c m3／ r e v ； 为补油泵机械效率 ，取0 ．9 5 ； Ⅳ l 为补油泵转速 ，取 1 3 1 0 r ／ mi n 。 计 算可 得 ，Q 1 3 4 4 L ／ s 。 根 据 公式 P Q “ x D ／ 6 0 0 式中 ， 为补油泵功率；D 为补油泵最大压降 ，取D 1 ． 3 MP a i 为补油泵总效率 ，取IⅣ 0 ． 9 。 计算可得 ， P O ． 5 k W。 1 0 ． 6 补油泵扭矩验证 同理 ，根据伊顿公司的产品说明书可知 1 ． 5 9 V f , D ／ 1 0 0 No 4 ． 0N‘1T I 1 O ． 7 整个液压 系统验证 从整个传动系统功率流程 来看 ，发动机一液压泵 补油泵 8 1 ． 3 k w 一液压马达 5 5 ． 6 k w 一搅拌筒 1 8 ． 7 k W 功率依次递减 ， 能够满足系统各元件的功率要求。 从整个传动系统扭矩流程 来看 ，发动机一液压 泵 补油泵 4 8 5 ． 1 Nl m 一液压马达 4 2 7 ．5 N． m 一减速机 4 2 8 ． 5 N ． m 扭矩依次递 减 ，这里液压马达和减速机的扭矩几乎相等 ，减速机摩擦力很小可 以忽略，由此可见 ，整个液压系统液压元件的选型是合适的。 T E CHN I C F OR U M／ 技 术论 坛f 2 0 1 1 1 0 6 1 1操纵面板的改进 由于混凝土搅拌运输车在停车卸料时 ，搅拌罐由搅拌工况到 反转卸料工况驱动阻力矩达到最大。同时由于操作人员的不当操 作 ，直接切换到卸料工况 ，虽然液压系统 中有泄压和溢流阀等保 护装置 ，但是也不可避免地会对液压系统造成一定的； 中 击。改进 操纵面板 图4 后，可 以大大延长由拌料到卸料的换向时间，从 而降低了搅拌罐的驱动阻力矩 ，同时也可以避免操作人员的不当 操作对液压系统造成的冲击。 鬣j 图 4改 进 前 后 操 纵 面 板 对 比 1 2 结语 根据多年的工厂生产设计经验 ，以1 0 m 混凝土搅拌运输车液 压系统各液压元件选型为例 ，通过逆 向推理法 ，根据搅拌罐的驱 动阻力矩和减速机的传动比逐步确定 了液压泵、液压马达、补油 泵、油管、散热邮箱、滤油器的型号 ，并验证了其正确性 ，为混 凝土搅拌运输车液压系统各元件的选取和相互之间的匹配提供了 理 论依 据 。 参考文献 [ 1 ]蔡应强， 赵铁栓 水泥混凝土搅拌输送车液压传动系统设计_ J 1 l筑路机械与施工 机械化， 2 0 0 5 0 7 7 3 8 4 1 [ 2 ] 王 道峰，郭景全 混凝土搅拌输送车拌筒驱 动阻力矩和驱动功率 的计算[ J 1 _筑路 机械与施工机械化， 2 0 0 4 21 5 3 9 41 [ 3 】许福玲， 陈尧明 液压与气压传 动[ M] 北京 机械工业出版社，2 0 0 4 中国重汽福建1 0 万辆 卡车基地获批复 近 日，福建省经贸委批复了中国重汽集团福建海西汽 车有限公司商用车生产基地建设项 目，同意该公司在国家 汽车产品公告范围内，建设年产中重卡5 万辆、轻卡5 万辆 商用车建设项目。 中国重汽此次进人福建 ，将引入先进的重、中卡产品 和技术 ，建立高、中、低档产品线和产业链 ，形成年产中 重型商用车l 0 万辆 的生产能力。项 目一期总投资8 3 2 9 4 万 元 。据称 ，中国重汽集团将借此项 目实现辐射长三角、珠 三角、中西部地区，并拓展我国台湾和东南亚市场。