搅拌车液压系统设计

1 绪论

1.1 前言

搅拌泵车集混凝土运输、泵送、布料功能于一身，具有结构紧凑和高效灵活的特点，其自带混凝土可以满足小方量泵送作业的需求；在大方量泵送工作时，它可以补充搅拌车运输过程中缺料的弊端，实现不间断地泵送，省时又经济，从而提供一个全新的混凝土作业方案。[1]在作业中，搅拌泵车的动力装置的动力驱动拌筒的正反转以及转速的变化，来完成进料、搅拌、搅动、出料，再驱动泵送机构、搅拌机构、分配机构和臂架机构等工作装置。而液压系统作为泵车最重要组成部分，随着施工要求的提高，人们对液压系统的要求越来越高。[2]

1.2 课题提出的背景

1.2.1 课题提出的宏观背景

我国搅拌泵车起步较晚，当时靠从国外引进搅拌泵车到国内进行施工。随着我国建筑业的发展，泵车生产厂家逐渐增多，但臂架部分开始大都是进口，如中联中科、辽宁海若从意大利引进臂架，安徽星马从日本极东引进臂架，徐州工程机械厂从普茨迈斯特引进臂架等等，现在逐步改为自制为主和进口为辅生产配套模式。

20世纪50年代我国生产过机械式混凝土泵，由于当时的技术水平很低，生产批量很少，在20世纪80年代初，国产混凝土泵车的总保有量尚不足200台，臂架式混凝土泵车更是一项空白。在此期间，我国的一些大型混凝土浇筑工程，在很大程度上基本依靠进口设备。

从20世纪80年代初开始，经过20余年的努力，我国臂架式混凝土泵车取得了长足的发展，设计水平、制造能力都有了很大提高。据统计，目前我国混凝土输送泵制造商已达100多家，分布于全国各地。但是由于各制造商的技术水平、制作工艺、生产能力等参差不齐，产品差距也较大。目前国内生产能力最强的企业是以三一重工、中联重科、徐州重型及福田重机为代表的第一梯队，第二梯队中以辽宁海诺、湖北建机、安徽星马和上海鸿得利等企业为主，它们的产量占了全行业的90%以上。

我国臂架式混凝土泵车近年来有了快速的发展，在产品的稳定性和工艺方面，虽然还不如国外的产品，但比20世纪的产品有了长足的进步。在性价比、售后服务等方面我国的产品具有明显的竞争优势，且更加符合国内的实际施工情况。 其中，中联重科、三一重工在臂架式混凝土泵车的研发方面走在了同行的前面。中联重科制订了《混凝土泵车》标准，还研发了泵车远程维护与定位系统。三一重工的混凝土泵车，无论在泵送压力、泵送排量，还是在稳定性、可靠性等方面，都可与国外著名品牌产品相媲美，其泵送机械系列产品已热销到中东、北非及南亚等地。

1.2.2 课题提出的行业背景

（1）我国搅拌泵车行业发展现状及存在的问题

国产臂架式混凝土搅拌泵车因为起步较晚，近两年国内各企业纷纷加强了技术引进与质量控制，设计开发了具有自主知识产权的臂架式混凝土搅拌泵车，技术创新成为国内臂架式混凝土搅拌泵车发展的助推器。而各大部件的技术发展趋势也代表了国内臂架式混凝土搅拌泵车整车的发展方向。但随着搅拌泵车行业的急速发展，其中也出现了不少的问题：

①各制造商的技术水平、制作工艺、生产能力等参差不齐，产品差距也较大。目前国内生产能力最强的企业是以三一重工、中联重科、徐州重型及福田重机为代表的第一梯队，第二梯队中以辽宁海诺、湖北建机、安徽星马和上海鸿得利等企业为主，它们的产量占了全行业的90%以上。

②环境污染严重，能耗高。搅拌泵车行业本身属于高能耗、高污染行业，生产过程中消耗大量资源和能源，产生的废气、废水、废渣、等对环境造成严重污染。

近年来，随着全社会环保意识的增强，我国政府出台了一系列政策、措施加大节能、减排力度，各地方政府也制定相应法令、法规，整治行业污染，搅拌泵车行业面临资源、能源和环境问题的严峻挑战。

（2）国外搅拌泵车行业发展现状及今后发展趋势

自动化、智能化是所有设备追求的目标，对于环境恶劣、劳动强度大的混凝土泵送设备尤其重要。目前在国外搅拌泵车自动化技术已取得了一定成就，比如：全自动高低压切换、泵送排量无级调节、砼活塞自动退回、发动机转速闭环控制等，但这些还远远不够。今后混泥土泵车将是电——液高度集成，充分利用数字控制技术、智能传感等技术的高科技产品，主要有以下一些特点：

①防堵管控制 堵管是混凝土泵送经常遇到的事。堵管若能及早发现并采取正确的措施，一般都能排除，但发现太晚或没有采取正确的措施，管道就肯堵死，引起长时间的施工中断，甚至影响建筑质量。防堵管控制采用压力传感器实时监测管道，当堵塞发生时，管道内压力会出现异常，压力传感器会将这异常讯号传到PLC，PLC将立即发出警示，同时自动采取疏通措施：先饭泵2—3次，然后根据堵塞的情况调整泵送参数后进行正泵疏通。由于计算机自动控制，总能在第一时间内采取正确的措施，杜绝堵管的发生，保障施工顺利进行。

②智能臂架

目前泵车臂架只能有操作者直接控制每一节臂架的动作，使臂架运动到理想的工作位置。而智能臂架的每一节臂都安装有位置传感器，通过计算机实现闭环控制和运动协调控制。操作时，只需一个开关命令，控制计算机就能按规定程序控制臂架实现初始时的自动展开和用毕后的自动收拢；只需要给出泵车臂架末端出料口位置，就能实现多节臂的协调动作，使臂架自动以最佳形态平稳移动到目标位置，简化了臂架操控过程，提高了控制精度，也提高了施工效率。也可以预先设定臂架末端出口移动路线，使泵车按程序设定的方式连续布料。[1]

③防倾翻保护

首先混凝土泵车的支腿展开后能自动进行地面、支腿位置及整机水平等一系列检测，发现有问题将会报警并锁住臂架不能展开臂架在运行的时候，PLC仍会时刻监控整车的稳定性，发现四条支腿受力出现不稳定情况时，臂架将会自动停止向危险的方向运动，同时发出警示。最大限度的保障安全。

④故障诊断

由于数字控制技术、智能传感等技术的发展，最终将会出现故障自诊断技术，混凝土泵车将会有一个良好的人机界面。计算机会整机进行监控，出现问题时，计算机能自动识别并通过人机界面与操作者进行交流，明确显示的部位及故障的类型。比如活塞磨损到一定程度，系统会自动提示更换活塞；或者是转速不对、功率不足等，系统都能自动向操作者提示。

2 泵车结构

混凝土泵车在结构上可大致分为底盘、搅拌筒、进出料装置、臂架系统、泵送系统、液压系统及电控系统等五个组成部分。

图2.1 整机图【2】

2.1 底盘部分

2.1.1 底盘

底盘实现泵车的行驶功能，也是工作部分的动力来源。泵车底盘是在通用载重底盘的基础上进行改装：在传动轴中间插入分动箱，并在底盘主梁上增加副梁作为臂架系统的固定基座。SANY系列泵车底盘有日本五十铃（ISUZU）、瑞典沃尔沃（VOLVO）德国奔驰（Mercedes-Benz）三种品牌。五十铃底盘最大吨位为38吨，适合45米以下泵车，排放标准为欧Ⅱ；奔驰底盘最大吨位为41吨，适合48米以下泵车，排放标准为欧Ⅱ；沃尔沃底盘最大吨位为50吨，适合公司所有泵车，排放标准为欧Ⅲ。

此搅拌泵车采用日本五十铃（ISUZU）的底盘。

2.1.2 分动箱

（1）分动箱的用途

泵车分动箱输入轴通过传动轴与汽车变速箱相连，而动力输出有两种方式，一是通过输出轴将动力传到后桥。这种方式用于汽车行驶工况；另一种方式则是通过三轴带动液压泵，液压泵输出压力油驱动各工作机构，这种方式用于泵送工况。两种方式的切换是通过气缸来完成的。将汽车发动机功率分作两种用途：泵车行驶，混凝土泵送，挂行驶档时发动机功率传到后桥，泵车行驶；挂挡在泵送位置时，前、后桥传动轴脱开，汽车不能行驶，发动机功率全部用于泵送。

（2）分动箱的结构

输入轴1通过轴承2和轴承13安装，滑动齿轮11通过花键与输入轴1配合，可在轴上滑动并与始终输入轴1一同转动。齿轮4通过轴承3装在输入轴1上，与输入轴1没有固定传动。齿轮轴（输出轴A）12通过轴承15和轴承14安装在壳体上。齿轮10通过轴承6安装在壳体上。轴8（输出轴B）通过轴承7安装在壳体上，轴的两端为内花键齿套用于联接油泵。齿轮9与轴8由键联接两者共同转动。汽车行驶时滑动齿轮11滑向右边，带动齿轮轴（输出轴A）12将动力传予汽车后桥。泵送时滑动齿轮11滑向左边，带动齿轮4，通过齿轮10将运动传予齿轮9和输出轴B，最后将动力传予油泵。滑动齿轮11的滑动由气缸18控制。压缩空所进入气缸无杆腔时，气缸活塞右移带动拨叉16，拨叉16将滑动齿轮11推向右边与齿轮12啮合。压缩空所进入气缸有杆腔时，气缸活塞左移带动拨叉16，拨叉16将滑动齿轮11推向左边与齿轮4的内齿啮合。

分动箱由以下零、部件组成：

1．联结盘 2．输入轴 3．轴承盖 4．密封圈 5．输入轴轴承 6．汽缸 7．空套齿轮 8．离合套 9．拨叉 10．过桥轴承 11．拨叉杆 12．输出轴 13．静密封圈 14．输出轴轴承 15．二轴小轴承 16．二轴 17．过渡套 18．油泵 19．联结套（油泵、三轴） 20．三轴 21．三轴大轴 22．三轴齿轮 23．三轴小轴承 24．臂架泵 25．二轴齿轮 26．挡圈（二轴） 27．二轴大轴承 28．一轴挡圈 29．箱体 30．滚针轴承 31．油标

2.1.3 搅拌筒

搅拌筒是混凝土搅拌运输车的主要部件，主要用于承载和搅拌混凝土。在筒体内焊有两条互错 180°的螺旋叶片，当筒体顺时针旋转时，混凝土将被叶片连续不断的推送到搅拌筒的底部，到达筒底的混凝土又被搅拌筒的端壁顶转回来，使混凝土得到充份搅拌;当筒体逆时针旋转时，这时混凝土被叶片引导向搅拌筒口方向移动，直至从筒口卸出。搅拌筒的结构如图2.3所示。[5]

1. 前支架 2. 液压马达 3. 减速机 4. 搅拌桶筒体 5. 检修孔

6. 叶片 7. 轨道 8. 进料斗 9. 后支架

图2.3 搅拌筒的结构简图【3】

2.1.4 进出料装置

进出料装置结构如图 2.4所示。主要由进料斗、 卸料斗、 滑料槽和升降机构等组成,主要完成搅拌好的混凝土的装卸,它装在搅拌车的尾部。[5]

1. 进料斗 2. 卸料斗 3. 滑料槽 4. 升降机构 图2.4 进出料装置的结构简图 【3】

2.1.5 液压传动系统

液压传动系统采用原车发动机取力方式，即通过底盘发动机后端输出取力，将动力经传动轴传递到液压泵，液压泵的高压油驱动马达，马达将动力传递到减速器上并驱动搅拌筒作正向或反向旋转，实现进料搅拌，搅动或出料。减速器的输出法兰可在一定范围偏转，能补偿搅拌筒轴线的移位，保证搅拌筒的驱动不受汽车行使过程中扭曲变形的影响。

图2.5 液压系统工作原理图

2.1.6 操作系统

操纵系统示意图如图 3.4所示。操纵系统主要控制搅拌筒的转向和搅拌筒的转速。搅拌筒的转向控制是通过操纵系统的拉杆传动来带动液压泵变量缸摆杆实现换向,同时如果加大或变小变量杆的摆角,可以微量调节泵的流量。搅拌筒的转速控制主要通过操纵系统拉杆来拉动底盘发动机油门拉线, 加大或降低发动机转速来调节液压泵的转速,从而调节了液压泵的流量,实现了搅拌筒的进料、 卸料、 搅拌和停转功能。操作装置分为液压操纵和油门操纵、 锁紧三部分。[5]