基于搅拌筒恒速运转液压电控系统应用与研究.pdf

第21卷第4期2023年8月Vol.21 No.4Aug.2023中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY基于搅拌筒恒速运转液压电控系统应用与研究王文，程晓东，宫琛（中国重汽集团青岛重工有限公司 技术中心，山东 青岛 266114）摘要:为实现搅拌车行驶过程中搅拌筒的低恒速运转，提出了一种新型液压电控系统方案。该方案将液压电控系统与发动机电子控制单元进行串联（ECU），通过液压马达转速传感器将转速信号反馈给发动机ECU，发动机ECU对信号读取判断并对液压泵排量进行调整，从而实现搅拌筒的恒低速运转，达到节能减排的目的。该项技术在8方搅拌车上应用并进行装载试验。实验证明：新型电控液压控制技术可以实现搅拌筒的低恒速运转，转速低至1 r/min，相同时间内混凝土塌落度变化减少16%，综合油耗下降8.1%。该新型电控液压系统在搅拌车上的成功应用在国内尚属首次，对推动行业进步具有重大创新意义。关键词:混凝土搅拌运输车；直联液压泵；液压电控；恒速中图分类号:TU 642 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2023）04-0367-04Application and research of hydraulic electric control system based on constant speed operation of mixing drumWANG Wen，CHENG Xiaodong，GONG Chen（Technical Center，Sinotruk Qingdao Heavy Industry Co.，Ltd，Qingdao 266114，Shandong，China）Abstract：In order to realize the low constant speed operation of the mixing drum during the driving of the mixing truck，a new scheme of hydraulic electric control system is proposed in this paper.In this scheme，the hydraulic electronic control system is connected in series with the engine electronic control unit（ECU），and the speed signal is fed back to the engine ECU through the hydraulic motor speed sensor.The engine ECU reads and judges the signal and adjusts the displacement of the hydraulic pump，so as to realize the constant low speed operation of the mixing drum and achieve the purpose of energy conservation and emission reduction.This technology has been applied to the 8-square mixer truck and the loading experiment has been carried out.The experiment shows that the new electronic hydraulic control technology can realize the low constant speed operation of the mixing drum，the speed is as low as 1 r/min，the change of concrete slump is reduced by 16%and the comprehensive fuel consumption is reduced by 8.1%in the same time.The successful application of the new electric hydraulic system in the mixer is the first time in China，which is of great innovative significance to promote the progress of the industry.Key words：concrete mixer truck；direct hydraulic pump；hydraulic electric control；constant speed 液压控制系统作为搅拌车的核心部件，其主要功能包括输入底盘动力驱动搅拌筒转动并实现搅拌筒的正反转、加减速功能。传统的液压控制系统主要包含液压系统、控制系统两部分。液压系统结构如图1（a）所示，主要包括发动机全功率（power take off，PTO）、机械变量液压泵、定量马达、减速机、散热器等构成。控制系统结构如图1（b）所示，为实现罐体正转装料、反转卸料及罐体的可变转速等工况作业需求，在搅拌车驾驶室内设计了软轴控制器，搅拌车后台设计了两面操纵，通过连杆实现作者简介：程晓东（1978），男，教授级工程师，硕士。E-mail：第21卷中 国 工 程 机 械 学 报三面联动机械式控制系统。传统结构液压动力传动需要经过传动轴等多个部件实现动力输出。双十字节传动轴一般传动效率为 94%97%，传动轴安装夹角带来转动不平衡，产生振动冲击，消耗多余动能。传动轴前后两端连接的过渡接盘、油泵接盘因加工及安装误差也导致系统动平衡变差，传动效率低。因结构位置限制有时传动轴夹角过大，易引发车辆震动。传统机械控制方式罐体转速完全由操作者机械干预，罐体转速随发动机转速变化而改变，行车过程中无法实现罐体最低恒转速精准控制，发动机加速行车时罐体满负荷转速增大也产生了额外功率输出，带来燃油消耗增加1。不规律的罐体转速波动使罐内混凝土不能在相对稳定状态下均匀搅拌，导致混凝土的塌落度发生较大变化，影响混凝土品质。忽快忽慢的罐体转速，导致罐体内混凝土液面搅动幅度加剧，使行车安全稳定性受到影响2。近年来随着国家法规的变化，客户对燃油消耗、运输过程混凝土品质保障、行车安全稳定性等提出了更高的要求，也成为行业亟待解决的问题。本文通过液压电控技术的研究，从智能操控、降低燃油消耗、提高行车稳定性、提升混凝土品质等方面出发，给出了直联式液压电控系统方案，推动搅拌车产品技术进步，为客户带来新的增值体现。1 液压电控系统方案设计 1.1直联式液压系统方案设计直联式液压系统结构及原理如图2所示，相对于传统液压系统（如图1所示），取消了发动机PTO连接盘、传动轴、油泵支架及连接螺栓，液压泵直接连接到发动机内置取力器齿轮上；取消了发动机全功率取力器法兰端输出及传动轴的连接，机械传动效率提高了A5%左右；取消了传动轴结构，减少了车辆震动3。传统液压动力传送及机械三面操纵结构机械构件数量多，制造工序多，装配效率低。按目前主流改装厂通用结构统计，传统结构零部件共160多件（含标准件），总质量约70 kg左右。智能电控直连泵传动技术通过优化组合，大幅减少零部件数量90%以上，节约了成本，提升了装配效率。1.2智能电控系统方案设计智能电控系统（简称智控系统）原理如图3所示，电控变量液压泵代替手动机械液压泵，当控制旋钮确定罐体转速后，在发动机转速实时变化时，电子控制单元（electronic control unit，ECU）根据马达（罐体）转速传回的电信号，自动控制液压泵电磁比例阀行程，并精准调整斜盘角度，从而调整液压泵排量，实现两者智能耦合，保证油泵输出的流量不变，行车时实现罐体恒转速功能4。在罐体转速超过发动机怠速可承受及调整的范围时，ECU控制发动机转速自动提升罐体转速5。图3智能电控原理Fig.3Schematic diagram of intelligent electronic control图2直联泵结构简Fig.2Structure diagram of direct coupled pump图1传统液压及控制系统Fig.1Traditional hydraulic control system368第4期王文，等：基于搅拌筒恒速运转液压电控系统应用与研究2 实验过程及结果分析 2.1试验方案为验证智控搅拌车的各项性能，本文选取两辆 8 m搅拌车作为试验对象，其中一辆为智控搅拌车，一辆为常规搅拌车。在工况相同的状态下通过控制变量对两种车辆的运输性能、燃油消耗等进行综合对比，并对智控搅拌车的恒速控制功能进行试验验证。试验中用到的设备见表 1，试验原料见表2。2.2实验过程及结果分析2.2.1运输性能混凝土拌合物多以和易性及匀质性判定其品质。和易性包括流动性、黏聚性、保水性三方面的含义，通常采用塌落度测定的方法来判定。影响混凝土塌落度的因素很多，剔除混凝土材料品质、配比、天气、罐型结构等因素，罐体以较高转速长时间搅动对混凝土塌落度也有直接影响6。为验证罐体不同转速长时间搅动对混凝土塌落度的影响，对两车辆装载同配比、同塌落度的混凝土，模拟罐体机械控制变转速及电控恒速状态下运转试验，间隔相同时间测量塌落度变化。两种状态下混凝土塌落度变化如图4所示，机械手控式搅拌车转速控制在34 r/min的状态下运转4 h混凝土塌落度的变化率为-22.7%，而智能恒速控制转速在1 r/min的状态下运转4 h混凝土塌落度的变化率为-6.8%。塌落度变化实测证明，搅拌速度及时间长短对混凝土品质有直接影响。罐体低转速状态下恒速运转能保证混凝土的品质，塌落度变化值小于20 mm，且有更好的和易性，满足GB/T 264082020 混凝土搅拌运输车 中对混凝土质量的要求7。为验证混凝土塌落度对系统压力的影响，对两车辆的系统压力进行对比分析，系统压力的变化如图5所示。从图中可以看出，两种车辆的系统压力都随时间呈上升趋势，与塌落度成正相关，智控恒速控制的搅拌车系统压力提升25.0%，机械手控搅拌车的系统压力提升37.5%。根据物理公式，液压系统输出功率为=QP600（1）式中：N为功率，kW；P为压力，100 kPa；Q为流量，L/min。由图4和图5可知，随时间测试的塌落度、压力变化及功率公式可以证明，在罐体某一时间段内转速一定，输入流量不变的情况下，液压系统输出功率随着系统压力的升高而增大，同时也增加了发动表1实验设备及仪器Tab.1Experimental equipment and instruments编号1234型号QDZ5312GJBZHTX30F1FCS-D-570Ipe motion设备名称混凝土搅拌运输车塌落度测量仪油耗仪液压系统测试仪数量2111生产厂家中国重汽集团青岛重工有限公司中国重汽集团青岛重工有限公司德国GRECORYIPETRONIK GmbH&Co.KG表2实验原料Tab.2Experimental materials名称C30混凝土牌号工业级塌落度值/mm18020生产厂家山东中建西部建设有限公司图4罐体机械手控与智能恒速塌落度测试Fig.4Tank manipulator control and intelligent constant speed slump test图5罐体机械手控与智能恒速系统压力测试Fig.5Pressure test of tank manipulator control and intelligent constant speed system369第21卷中 国 工 程 机 械 学 报机功率输出，增加了能耗。2.2.2同工况下燃油消耗传统搅拌车通过发动机取力带动机械操纵控制的变量泵和定量马达液压系统实现罐体转动，随发动机转速的变化罐体转速进行周期波动，通过搅拌车满载在实验场规定路段采集到的发动机转速、车速及罐体转速波动记录如图6所示。图中可看出，随着搅拌车车速变化，发动机转速的不同导致罐体转速随着波动，影响行车稳定性。新液压电控技术是罐体的转速逻辑控制由发动机ECU输出，通过电控变量泵和电控马达，实现罐体恒转速变化，相同路况下采集到的发动机转速、车速及罐体转速波动记录如图7所示。当罐体转速由低转速向高转速升高时，电控系统逻辑判断，先增加变量泵的排量至最大，然后再通过提升发动机转速提高罐体转速，罐体降速遵循相同逻辑关系8。由于罐体转速不再随发动机转速的变化而变化，通过罐体恒定低速控制降低怠速运转速度、轻量化等叠加，电控技术比与传统机械控制节油效果显著9。在重庆大足试验场规定路面，通过对同方量搅拌车行车状态下罐体恒转速与变转速下的全程油耗对比测试，分别对空载状态及装载状态油耗进行统计，结果如图8所示，空载状态下智控搅拌车相比常规搅拌车油耗降低7.57%，满载状态下油耗降低9.42%，行车过程罐体恒速运转状态油耗降低约8.10%。综合上述实验数据及大数据统计计算的综合节油效果见表3。按用户搅拌车营运26 d/月，16 h/d运行计，柴油按6.00 元/L计算，每年节约燃油折合费用约21 800元。3 结论 本文搅拌车采用液压泵直联发动机、电控技术应用，实现了搅拌车液压系统智能控制，通过对比研究分析，搅拌车各项性能均优于传统机械方式。（1）通过整车搅拌性能试验对比，1 r/min电控模式下恒转速控制，与传统机械模式下34 r/min相比，连续运转工况下，相同时间内混凝土塌落度变化减少16%，单位时间内混凝土品质提升显著，能有效提升建筑施工质量。（2）电控操纵系统能始终保证行车过程中罐体处于1 r/min恒转速下运转，罐体不在随发动机的转速变化而进行周期性波动，提高了车辆转弯、急加、急减和上坡工况下的行车稳定性。（下转第376页）图6常规搅拌车发动机转速、罐体转速、车速的波动Fig.6Fluctuation diagram of engine speed，mixing drum speed and vehicle speed of mixer truck图7智控搅拌车发动机转速、罐体转速、车速的波动Fig.7Fluctuation diagram of engine speed，mixing drum speed and vehicle speed of intelligent control mixer图8行车状态下恒速与变速全程油耗测试图表Fig.8Test chart of fuel consumption in the whole process of constant speed and variable speed under driving state表3综合油耗统计Tab.3Comprehensive fuel consumption statisticsL/h怠速工况油耗节省（大数据67.7%）0.40运行工况油耗节省（大数据32.3%）1.40综合油耗节省0.73370第21卷中 国 工 程 机 械 学 报2013，49（11）：153-160.8MA H，ZENG J，FENG R，et al.An improved analytical method for mesh stiffness calculation of spur gears with tip relief J.Mechanism and Machine Theory，2016，98：64-80.9杨长辉，徐涛金，许洪斌，等.基于Weber能量法的直齿轮时变啮合刚度数值计算J.机械传动，2015，39（2）：59-62.YANG C H，XU T J，XU H B，et al.Numerical calculation of time-varying meshing stiffness of 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