摘要： 对目前混凝土搅拌输送车液压控制系统设计中的关键问题———搅拌筒的恒速控制问题和液压系统冲击问题进行了探讨。总结了目前存在的各种恒速控制方式，进行了分析比较，得出了在目前条件下实现搅拌筒的恒速控制，以采用带恒速阀的液压变量柱塞泵、低速大扭矩马达、减速机、双向缓冲阀的配置为最佳；并提出了2种解决液压系统冲击的方法，即高压溢流保护和伺服排量控制。
关键词： 混凝土；搅拌车；液压；控制系统
1 工况特点及对液压控制系统要求
1.1 搅拌筒恒速控制
为了保证输送途中混凝土的质量，混凝土搅拌输送车满载预拌混凝土的搅拌筒在整个运输过程中都必须转动，且搅拌筒的搅动转速必须恒定，不受汽车发动机工作转速变化的影响，与车辆的行走速度无关，从而避免运输过程中出现因道路情况变化而使汽车速度频繁变化而导致搅拌筒的搅动转速忽高忽低，筒内混凝土流动不均匀，从而产生严重的离析，坍塌度变大，破坏混凝土品质。而且车辆加速的同时使搅拌筒加速，增加能耗的同时减少了车辆加速所需功率储备。
这就势必要求液压系统能够保证搅拌筒的转速不随发动机转速的变化而变化，也就是搅拌筒的恒速控制问题。
1.2 液压冲击
由于搅拌筒的运动惯量较大，故搅拌筒在各种工况之间转换时会对液压系统产生较大的液压冲击，造成液压系统的不平稳，缩短了传动元件(泵、马达、减速机)的寿命，降低了系统的可靠性。这就要求我们在设计液压系统时必须考虑到搅拌筒工况转换时液压系统的承受能力以及如何减小液压冲击的强度，提高系统的可靠性。
为了解决上述2个问题，首先我们必须搞清楚搅拌车液压系统的压力、流量以及液压元件扭矩、功率的变化情况，这就要求我们首先要对液压系统进行设计。
2 恒速控制问题解决方案
目前，实现搅拌筒的恒速控制，大致有以下4种方式。第一种方式是采用发动机单独驱动，而其余3种都是通过取力器(PTO)从汽车底盘上引取动力。
(1) 配置单独驱动搅拌筒的发动机，通过调节发动机输出功率来满足不同工况下搅拌筒的转速要求。对于单独配置发动机驱动搅拌筒的方式，虽然能够有效解决搅拌筒的恒速问题，并能够保证在任何行车工况下始终保持搅拌筒的恒速，但实际上因为太昂贵而很少被使用。搅拌车的早期发展曾有过这种配置方式，但其原因在于当时缺乏理想的全功率取力方式，而非专门考虑恒速传动之需。此外，这种驱动方式往往是以减少混凝土装载量为代价，以换取单独发动机的安装之地。取力器的出现也使得搅拌车能够做到全车共用一个动力源，不必配置单独发动机驱动搅拌筒，使整车经济性有明显提高。
在某些特殊情况下，这种方式还是非常必要的。笔者曾为某港口机械厂家设计过32 m3 (有效容积20 m3)混凝土搅拌输送车的液压驱动系统，采用的就是这种驱动方式。这主要是因为混凝土容积太大，其所需的驱动功率也非常大，只有采用这种发动机单独驱动的方式才能够提供足够的驱动功率，同时又能够保证搅拌筒的恒速转动。
(2) 常规的液压传动方案是通过控制手柄改变液压泵斜盘的角度，从而使液压泵实现双向无级变量，在液压泵的斜盘固定的情况下，液压泵输出流量与输入转速成正比。
这种方案是目前最普遍采用的方案。这种驱动方式没有加装搅拌筒恒速搅动装置，这主要是因为生产厂家有一种错误的看法。他们认为搅拌筒搅动时转速很低，反映在发动机转速变化时，搅拌筒转速似乎变化不大。如发动机转速为600 r/min时，拌筒转速为1 r/min；而当发动机转速为1 800 r/min时，拌筒转速增加为3 r/min。转速增加了3倍，但搅拌筒转速的绝对值只增加了2 r/min。他们所采用的减速机的减速比很大，当发动机转速改变量很小时，搅拌筒的速度不会有太大的改变，故也不会对混凝土的品质有较大的改变。然而采用这样的传动方式省去了恒速控制装置，在价格上取得了优势，故很受厂家和用户的欢迎。
但是，我们从专业的角度来看，这种方案的缺陷是很明显的。虽然搅动时搅拌筒转速的绝对值似乎受发动机转速变化的影响不大。但是，由于搅拌筒转动惯量大，搅拌筒的转速随发动机转速的变化而变化，从而就会导致如前所述的弊端。而且随着现代建筑技术的发展，对混凝土质量要求也越来越高。至于可靠性和价格，新型恒速方案和常规液压系统方案的差距已经越
来越小。
(3) 采用电子恒速传动(CSD)方式，通过控制电流来控制液压泵的流量，使之始终与按各工况转速要求所预定的流量一致。
采用电子恒速传动的方式已经有多年的历史，最早是德国Rexroth公司于20世纪90年代中期开发的搅拌车专用泵A4VTG，其加装CSD电子恒速传动装置，即可实现搅拌筒的恒速驱动。德国Sauer-Danfoss公司于2001年也设计出了能实现电子恒速控制功能的TM系列搅拌车专用液压元件。
电子恒速传动方案与常规液压系统传动方案大体上是一致的，只是液压泵的控制形式改为了电比例控制。它是通过调节带位移- 力反馈的比例阀的输入电流，驱动液压泵斜盘角度变化，从而使液压泵实现双向无级变量，液压泵输出流量与输入电流成正比。
恒速的实现是通过传感器检测拌筒的转速，电子装置根据实测转速与预选转速的差值，不断调节输出电流，从而使泵的输出流量按预定值保持不变。
从Rexroth、Sauer-Danfoss等国际知名液压件专业公司近期相继推出电子恒速控制装置来看，搅拌筒恒速控制是搅拌车不可或缺的技术，这既适应了汽车电子技术的大方向，又体现了工程机械机电一体化的现代发展趋势。但由于价格方面的原因，在目前很难得到广泛的应用。
(4) 采用液压恒速阀控制(CSV)方式，通过附加在液压变量柱塞泵上的恒速阀控制液压泵斜盘角度，使其流量始终与按各工况转速要求所预定流量一致。
采用恒速液压控制的方式要较采用电子恒速控制的方式早，价格也要便宜很多，CSV代表性厂家是日本Daikin公司。
笔者在设计8 m3混凝土搅拌输送车液压系统时采用的就是液压恒速控制阀方式，方案图如图1所示。液压泵里内置了压力补偿器、控制节流口、顺序阀等。当搅拌车处于搅动工况时，压力补偿器开始工作，形成一个负荷传感控制信号，使得液压泵输出流量恒定，搅拌筒转速不随发动机转速的变化而变化。
该系统为容积式变量无级调速，除了完成工作所必须的主回路(由变量柱塞泵和定量柱塞马达组成)外，泵带有补油泵，马达带有集成阀。补油泵一路通过2个补油单向阀，向主回路低压区补油，一路经排量控制阀与调节主泵斜盘倾斜角度的伺服液压缸相通，组成液压泵的伺服变量机构油路，还有一路经补油溢流阀，通入主泵壳体经冷却器回油箱，对工作中的泵进行冷却保护。2个高压溢流阀(安全阀)可防止主回路在任何一个方向超载时，损坏泵和马达。梭形阀确保工作时给主回路低压区提供一个溢流通道，并由补油溢流阀保持低压区压力，同时也使其溢流油经马达、泵壳体加入冷却油路。
由于采用了液压恒速阀控制，故当汽车发动机的转速在输送途中变化时，和它相连接的液压泵转速也将变化，此时恒速阀动作，自动调节液压泵斜盘角度，使其输出流量保持不变，从而使搅拌筒的转速及驱动功率保持恒定，进而保证了混凝土的品质。
综上所述，4种恒速控制方式各有利弊。采用单独发动机驱动的方式一般用在搅拌容积较大的场合，这种方式的恒速控制效果最好，但费用最高。液压恒速阀控制方式由于是通过压力反馈来实现，平稳性稍差；受温度影响大，流量控制精度不高，费用居中；电子恒速控制方式则具有较好的平稳性和较高的控制精度，功率损失也较小，但费用相对也较高。常规的液压系统传动方案，笔者认为最好不要使用，这种方案终究会随着现代施工工艺对混凝土要求的不断提高而逐步淘汰。
笔者个人认为，相比其他工程机械而言，搅拌输送车液压系统的控制精度要求并非太高，故考虑到费用、效益等因素，在目前条件下实现搅拌筒的恒速控制，以采用带恒速阀的液压变量柱塞泵、低速大扭矩马达、减速机、双向缓冲阀的配置为最佳，这样不仅能够满足混凝土品质的要求，而能够最大限度的降低价格，提高经济性。
3 液压冲击问题解决方案
笔者在设计8 m3混凝土搅拌输送车时发现，在搅拌车满载的情况下，搅拌筒的驱动阻力矩是比较大的(45 454.52 N·m)，这还是在正常满载工况下的扭矩，若是在换向时阻力矩会更大，一般而言为正常满载工况下的1.2～1.4倍，即54 545.42～63 636.32 N·m，这将对液压系统造成较大的负担，尤其是在搅拌筒换向卸料工况时，液压系统会有比较大的液压冲击。
而完全消除系统的液压冲击是很困难的，也是没有必要的，这样将势必降低系统的工作效率。这样我们就只能在保证效率的前提下适当降低液压冲击的峰值，以减小其对系统的危害。
为此，笔者在综合考虑了系统工作效率和液压冲击对系统的危害后，提出了以下2种解决方案。
(1) 系统高压溢流保护
在主回路中设置2个主溢流阀调节系统的最高工作压力，一旦工作压力超过系统允许值时，其中对应高压回路的溢流阀就会打开，把油引入低压油路中，防止高压油路承受异常的液压冲击，低压回路产生空穴。
(2) 伺服排量控制(响应时间)
产生液压冲击的一个原因就是搅拌筒的换向时间太短，液压油从一个方向最大流量改变为相反方向最大流量所需的时间(斜盘越过中位)取决于伺服控制阀输油口上的控制阻尼口的大小。阻尼口越大，液压油的换向时间越短，从而搅拌筒的换向时间就越短，液压冲击也就会越严重。可以通过增大伺服阀上阻尼口的大小来降低液压峰值，从而使系统性能得到改善。
通过对8 m3搅拌车做的仿真和试验研究表明，选用阻尼口直径为1.05 mm的伺服阀效果最好，此时换向时间为3.06 s，能够满足系统各方面的性能指标要求。
4 结语
混凝土搅拌输送车控制系统的设计，主要解决以下2个方面的问题。
(1) 解决搅拌筒的恒速控制进而解决混凝土在运
输途中所产生的离析、坍塌等影响混凝土品质的现象。笔者分析了目前并存的几种液压系统恒速控制的特点，提出了在目前条件下实现搅拌筒的恒速控制，以采用带恒速阀的液压变量柱塞泵、低速大扭矩马达、减速机、双向缓冲阀的配置为最佳。
(2) 系统液压冲击的影响如果不解决这个问题，
将会使系统可靠性大幅度降低，液压元件寿命大幅度缩短。笔者从自己的设计经验出发，提出了2种降低液压系统冲击的办法：高压溢流保护和伺服排量控制。
