（机械设计及理论专业论文）混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究.pdf

学位论文版权使用授权书 7 i i i i j iiiftilt1 1 1 1 1 f ji r l i l l l l l f i j l i l l l fr 1 0 y 18 9 4 9 3 7 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 小学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：哝冲节 年月日 指导教师签名：三z - z 气 知，年么月哆同 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 s t u d yo np o w e r - m a t c h i n g c o n t r o lo ft h ec o n c r e t ep u m p t r u c k sp o w e r s y s t e m 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，我国的基础建设项目和国民经济建设各个方面对于混凝土的需求和 消耗量非常巨大，对混凝土机械的需求也随之急剧增加，而混凝土泵车是一种大 功率、高油耗的工程机械设备，它在我国基础施工建设中占有重要的位置，所以 混凝土泵车的节能问题研究具有非常重要的意义。本文是以国内某公司的混凝土 泵车为研究对象，以它的现有系统为基础，而提出和完成的研究工作。 首先介绍了国内外混凝土泵车的发展状况及趋势，以及目前国内混凝土泵车 的控制技术与控制方法，然后分析混凝土泵车发动机、主油泵特性，以及泵车工 作时能量损失情况。在此分析基础上，结合混凝土泵车自身特点和实际的工作情 况，设计了混凝土泵车的发动、变量泵功率匹配控制方法。 最后根据提出的控制方法对混凝土泵车控制系统进行了设计，并将匹配控制 系统进行装机试验，试验既验证了本文提出的匹配控制方法的可行性，又表明了 其具有良好的节能效果，由此表明此匹配控制系统能使发动机一液压泵一负载达到 良好的匹配，提高了混凝土泵车的燃油利用率，具有一定的实际工程应用意义和 良好的社会经济效益。 关键词：混凝土泵车，功率匹配，发动机，变量泵，斜盘开度 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 a b s t a c t o u rc o u n t r yh a sb e e nf a c i n gag r e a t l ye n o r m o u sd e m a n da n dc o n s u m p t i o nf o r c o n c r e t ef o rt h eb a s i cc o n s t r u c t i o np r o j e c t sa n de c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni nr e c e n ty e a r s ， w h i c hr e s u l t si nar a p i d l yi n c r e a s i n gd e m a n df o rc o n c r e t em a c h i n e s t e c h n i c a l l y , t h e c o n c r e t ep u m pt r u c k sb e l o n gt oak i n do fh i g h - p o w e r , g a s - g u z z l i n ge n g i n e e r i n g e q u i p m e n t s 、析ii t sd o m i n a n tp o s i t i o ni no u ri n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o np r o j e c t s s o t h ee n e r g y s a v i n gp r o b l e mo fc o n c r e t ep u m pt m c k si ss t u d i e df o ri t ss i g n i f i c a n c ei n t h el o n gt e r m t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nc o n c r e t ep u m pt r u c k sa st h eo b j e c to fs t u d y , w i t hi t sp r e s e n ts y s t e ma st h ef o u n d a t i o n ，t of i n i s ht h er e l e v a n tr e s e a r c hw o r k t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt r e n d so fc o n c r e t e p u m pa th o m ea n da b r o a d ，a sw e l la st h ec u r r e n td o m e s t i cc o n c r e t ep u m pc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dc o n t r o lm e t h o d s ，a n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t ep u m pt r u c k s e n g i n ew a sa n a l y z e dt oo b s e r v et h em a i no i l l o s e sa tw o r k b a s e do nt h ea b o v e a n a l y s i s ，c o m b i n i n gt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n c r e t ep u m pt r u c ka n dw o r k i n g e n v i r o n m e n t ，w ed e s i g nam e t h o do ft h ep o w e r - m a t c h i n gc o n t r o lf o rt h ec o n c r e t e p u m p t r u c k se n g i n ea n dt h em a i no i lp u m p f i n a l l y ，b a s e do nt h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o df o rc o n c r e t ep u m pt r u c k , ac o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e da n di n s t a l l e do na c o n c r e t ep u m pt r u c kf o rt e s t i n gt h et e s tn o t o n l yv e r i f i e dt h ec o n t r o lm e t h o dp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ef e a s i b i l i t yo f m a t c h i n g ，b u ta l s ov e r i f i e dt h a ti th a dag o o de n e r g ys a v i n gr e s u l t s s oi ti n d i c a t e st h a t t h em a t c h i n gc a nm a k et h ee n g i n e - h y a r a u l i cp u m p - - l o a d sa c h i e v eag o o db a l a n c et o i m p r o v et h ef u e le f f i c i e n c yo ft h ec o n c r e t ep u m pt r u c k , w h i c hh a ss o m ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ea n dg o o ds o c i a l e c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：c o n c r e t ep u m p t r u c k , p o w e rm a t c h ，e n g i n e ，h y d r a u l i cv a r i a b l ep u m p ， i n c l i n e dd i s h 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 课题的研究意义1 1 2 国内外混凝土泵车发展概况3 1 2 1 国外混凝土泵车发展概况3 1 3 混凝土泵车主要结构6 1 4 混凝土泵车动力匹配及控制技术概况9 1 5 本论文的主要工作内容1 0 第二章混凝土泵车动力系统分析 1 1 2 2 发动机的特性分析1 1 2 2 1 速度特性1 1 2 2 2 负荷特性。1 2 2 2 3 万有特性1 2 2 2 4 调速特性1 3 2 3 主油泵特性分析1 4 2 3 1 轴向柱塞泵的结构组成及工作原理1 4 2 3 2 轴向柱塞泵的排量和流量计算1 6 2 3 3 恒功率变量泵控制机理1 6 2 4 混凝土泵车负载简析1 8 2 5 混凝土泵车功率匹配要求1 8 2 6 本章小结1 8 第三章混凝土泵车动力匹配控制策略 3 1 泵车系统能量损失分析1 9 3 1 1 机械损失2 0 3 1 2 液压元件损失2 0 3 1 3 发动机与泵匹配时的能量损失一2 1 3 2 泵车输出功率测试2 2 3 2 1 测试实验的目的2 2 3 2 2 测试实验的规划及步骤2 2 3 2 2 测试结果处理及分析2 4 3 3 动力系统匹配控制方法2 5 3 3 1 发动机转速感应控制。2 6 3 3 2 匹配控制2 6 3 3 3 功率匹配控制2 7 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 3 4 本章小结2 7 第四章专家p i d 自适应控制系统设计 2 9 4 1 泵车用控制器的介绍2 9 4 1 1p l c 工作原理2 9 4 1 2p l c 的特点3 1 4 2p i d 控制技术研究。3 2 4 2 1 引言3 2 4 2 2p i d 控制基本理论3 2 4 3 专家控制系统3 7 4 4 专家p i d 控制算法3 8 4 4 1 专家p i d 控制算法的产生3 8 4 4 2 专家p i d 控制算法原理3 9 4 5 控制算法的应用4 1 4 6 匹配控制系统工作流程设计4 1 4 7 本章小结4 2 第五章混凝土泵车动力系统匹配控制实验研究 5 1 实验目的及内容安排4 3 5 2 实验器材设备：4 4 5 3 工作负载对比试验4 5 5 3 1 试验步骤4 5 5 3 2 试验结果4 5 5 4 匹配效果试验。4 7 5 4 1 试验步骤4 8 5 4 2 试验结果4 8 5 5 实验结果分析4 9 5 5 1 作业速度对比试验结果分析。4 9 5 5 2 匹配效果试验结果分析4 9 5 6 本章小结5 0 第六章总结与展望 5 1 6 1 本文总结5 1 6 2 展望5 1 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的论文 5 3 5 5 5 6 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 混凝土机械是工程建设机械中的重要行业之一，工业、民用建筑和国防施工 都离不开混凝土机械。由于混凝土材料的使用量大而且范围广，决定了这种加工 设备的数量、质量和高生产率的要求及自动化生产程度。在工业发达国家混凝土 生产的先进程度，象征着一个国家的制造业的发展水平，也是机、电、液一体化 综合水平的一种反映n 1 。 我国的混凝土机械市场需求总体随着商品混凝土使用量不断增长而增加，至 从2 0 0 3 年商务部、公安部、建设部和交通部联合发布了关于限期禁止在城市 城区现扬搅拌混凝土的通知的文件之后乜1 ，各地政府根据国家政策法规，根据 本地实际情况，也纷纷出台了相关文件，这些产业政策有力的推动了国内商品混 凝土市场的发展，从而也使得混凝土机械迎来了发展的春天。另一个方面由于中 国经济建设的步伐加快以及国家一些诸如新农村建设、高铁建设、西电东送、灾 后重建等重大项目的投资也促使商品混凝土市场及混凝土机械市场的有力发展。 近十年来，我国的建筑机械发展很快，目前已形成了较大的规模。据统计， 目前，我国的混凝土泵生产厂家已达到一百多家( 如：湖南三一重工股份有限公 司，长沙中联重工科技发展股份有限公司，山东方圆集团有限公司，湖北建设机 械股份公司，徐州天地重型机械制造有限公司等) ，几乎遍布全国各地，极大程 度地满足了我国的需求量，基本上可以不依赖进口产品，而由国产泵来完成绝大 多数的建筑工程。但是在泵的质量和某些工艺参数方面与发达国家产品相比，仍 存在一定的差距口1 。 自上世纪八十年代中期起，随着我国建设事业的迅速发展，特别是近十多年 来，不断涌现出一些大型和超大型的土木工程，以及大批的高层和超高层建筑物， 因此混凝土的需求和消耗量也在迅速增加。此时，混凝土的连续输送以及垂直和 水平输送速度，往往对工程的进展、施工质量等起着决定性的作用，只有采用混 凝土泵输送，才能比较圆满的解决这个问题h 1 。这样，也就导致了混凝土泵的需 求量急剧增加。且对泵的质量要求越来越高，若单纯的依靠进口设备，势必受到 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 许多条件的限制，另外完全靠进口的设备也不一定能符合我国的具体施工情况。 混凝土泵车是一种用于输送和浇注混凝土的施工设备，是将混凝土泵和臂架 系统集为一体并装在汽车底盘上的，能够一次连续的完成水平输送和垂直输送混 凝土，具有机动性好、转移方便、投入使用快、效率高等特点。其施工过程是： 建筑工地使用的商品用混凝土是从配料车间输送到混凝土搅拌站生产的。然后通 过混凝土搅拌运输车运到建筑工地注入工地上架好的混凝土泵车的料斗中，经过 一个双油缸的活塞泵将混凝土从布料杆输送到末端的软管中，以便使混凝土能浇 注到建筑工地上畸1 。 混凝土泵车本身就属于大功率、高耗油的机械动力设备，目前在基础施工建 设中占有重要地位。我国的混凝土泵车企业刚开始时，主要集中在对泵车性能方 面的研究，为了追求泵车的动力性和稳定性，泵车的常规转速都设定在额定的转 速下，这就是使得泵车在中低负载下的燃油浪费非常的高，直接导致环境污染和 影响其市场的适应能力，因此混凝土泵车的节能问题已经受到了业内人士的普遍 关注4 1 。 从用户的角度来讲，在大功率、高油耗的混凝土泵车上采用合理的动力功率 匹配技术，除了节约能源，更重要的意义在于能够有效地降低燃油消耗率，从而 降低使用过程中的燃油成本，同时采用动力功率匹配技术之后，将提高发动机功 率的利用率，减少液压系统功率损失，降低发动机和液压元件的工作强度，从而 提高设备在使用中的可靠性。特别针对液压系统而言，如果其功率使用效率差， 那么其浪费的能量主要以热量的形式散发，从而导致液压油温度过高，系统的密 封效果变差、液压油的粘度降低、液压油氧化、污染作用明显加剧，从而使系统 泄露增加、容积效率降低，最终造成维修费用增加和误工损失。 从社会、国家的角度来讲，节能减排已被列为我国的一项基本国策。十一五 发展规划对节能、降耗、减排等方面做出了明确要求，单位g d p 能耗降低2 0 左右， 主要污染物的排放总量减少1 0 。因此，环保节能型产品将是今后工程机械主要 的发展趋势。、。 鉴于此现状和发展要求，本文以国内某公司的混凝土泵车为研究对象，深入 研究其泵送系统功率匹配问题，以期望达到节能降耗、简便控制的效果，从而提 高其整机性能，满足市场和用户需求，在提高产品市场竞争力的同时，又促进了 2 江苏大学硕士学位论文 混凝土泵车匹配控制技术的发展，具有非常重要的理论意义与现实意义。 1 2 国内外混凝土泵车发展概况 1 2 1 国外混凝土泵车发展概况 混凝土泵的研究最早开始于德国，1 9 0 7 年德国开始研究混凝土泵，并取得 专利权。此后，1 9 1 3 年美国制造出混凝土泵样机也取得专利。1 9 3 0 年，德国制 造了立式单缸的球阀活塞泵，这种泵靠曲柄和摇杆传动，工作性能较差，使用价 值不大。1 9 3 2 年荷兰人库依曼( j c k o o h n a n ) 制造出卧式缸的库依曼型混凝上泵， 成功的解决了混凝土泵的构造原理问题，大大提高了工作的可靠性。此后混凝土 泵即进入小规模的试用阶段。第二次世界大战之后，各国陆续开始经济恢复工作， 建筑工程规模日益扩大，混凝土泵的销路较好，应用日渐增多。五十年代中叶， 联邦德国的托克里特( t o r k r e t ) 公司首先发展了用水作为工作液体的液压泵，使 混凝土泵车进入一个新的发展阶段。1 9 5 9 年，联邦德国的施文英( s c h w i n g ) 公 司生产出第一台全液压的混凝土泵口3 。1 9 6 8 年推出了4 2 m 布料杆混凝土泵车后， 又推出了5 2 m 布料杆混凝土泵车，并形成了系列化。1 9 8 2 年该公司摒弃了注册 专利的“s ”管阀后，推出了裙阀。与“s 形管阀相比，零部件受力情况得到改 善，阀室流道短，结构紧凑，并一直独家享有其专利。该公司在混凝土泵车的其 它技术研究方面也一直处于世界领先地位，使该公司的混凝土泵车无论从技术性 能上，还是产品质量上，都保持世界领先的水平拍1 。普茨迈斯特公司是德国又一 家专门从事混凝土泵车设计制造的公司。它生产的系列泵车中有世界上最大的混 凝土泵车，该泵车布料杆的垂直布料高度达6 2 m ，共有五节臂，最大输出量达 2 0 0 m 3 h ，整机重量6 2 t 。该公司生产的混凝土泵车采用了最具特点的“c 型管 阀( 又称象鼻阀) ，另外，该公司特别注重液压系统的开发和研究。它研究了适 用于混凝土泵车的f f h 液压系统，特别是大型混凝土泵车，该液压系统具有柔性 启动，降低液压换向的冲击，对提高泵送混凝土的连续性、减少布料杆的振动， 十分有效呻1 。 意大利混凝土泵车最大生产企业是华星顿公司，创建于1 8 9 0 年，6 0 年代开 始研究制造商品混凝土成套机械。该公司重视对产品各个系统进行研究，如对混 3 。 f 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 凝土泵车的泵送系统、液压系统和电气系统。他们开发的眼形摆管阀，其原理吸 收了“s ”型管阀特点，但在构造上、驱动形式上作了较大的改变，改善了驱动 轴的受力，橄榄形的管阀截面，减少了摆动阻力，提高混凝土泵的吸入效率。该 公司混凝土泵车系列中最大的布料杆的垂直布料高度达4 7 m ，共有五节臂架，采 用的液压系统简单实用。此外，意大利c i f a 公司，在中国与方圆集团合作生产混 凝土泵车，同时也在华销售该公司生产的臂架阳棚。 美国是继德国之后发展混凝土泵车最早的国家之一，亦拥有不少混凝土泵车 制造企业。如罗斯( r o s e ) 、伊利( e r i e ) 、霍内( h o r m e t ) 、瑞德( r e e d ) 、福来纳 ( f r e i g h t l i n e r ) 、摩根( m o r g e n ) 、汤姆逊( t h o m s e m ) 等。在6 0 年代和7 0 年代初， 挤压式混凝土泵车在美国应用较多。目i j 主要采用活塞式混凝土泵车岬1 。 日本是亚洲混凝土泵车发展最早、最快的国家。早在1 9 5 0 年，日本石川岛 重工引进了德国陶克莱特公司的技术，研制了第一台机械式混凝土泵。此后三菱 公司从德国施维英公司引进技术生产混凝土泵。目前，日本除上述两家企业外还 有极东开发( k y ok u t o ) 、新泻铁工、首场( k a y a b a ) 、光泽( k o y o ) 、1 日工( n i k k o ) 、 田中( t a n k a ) 等企业生产混凝土泵( 车) 。由于受道路条件的限制，日本长臂架混 凝土泵车的发展受到限制。目前生产的混凝土泵车，最大的布料高度为3 6 m 砸3 。 1 2 2 国内混凝土泵车发展概况 我国在2 0 世纪五十年代也生产过机械式混凝土泵，六十年代则开始研制液 压泵，当时的技术水平很低，生产批量也很少，在1 9 8 0 年初，国产混凝土泵的 总量尚不足2 0 0 台，泵车更是没有。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。如上海宝钢浇灌电站沉井和热风炉基础等。 2 0 世纪八十年代以后，我国混凝土泵研制取得了长足的发展，特别是近十年 来，更是得到了飞速发展，且已形成了较大的规模，据统计，我国的混凝土泵车 生产厂家已达到数十家，几乎遍及全国各地，极大限度地满足了市场需求，几乎 替代了进口产品。但是，各厂家产品的技术水平、制作工艺、生产能力等参差不 齐，差距较大，大致可以分成三个层次，形成了以三一、中联为代表的第一梯队， 为当今国内最高水平，其次是楚天、鸿得利等为代表第二梯队，发展后劲很足， 第三梯队则是其它技术水平、生产能力都相对较小的厂家口1 。 4 江苏大学硕士学位论文 目前我国混凝土泵的主要生产厂家有中联重工科技发展股份有限公司、三一 重工集团有限公司、夹江水工机械厂、沈阳盛港机械有限公司、湖北建设机械有 限公司、山东建设机械股份有限公司、山东方圆集团公司、枫阳液压总厂、华东 建设机械厂、徐州混凝土机械厂、深圳重科机械有限公司和广州五羊建设机械有 限公司等。 在稳定性和某些工艺参数上，国产混凝土泵虽然与世界发达国家的产品还存 在一些差距，但差距并不明显，相反，我们在价格、售后服务等方面具有比较优 势，且更加符合我国的实际施工情况。 1 9 9 9 年以前，国内混凝土泵车产品主要依赖进口。但是随着国内工程机械 技术开发水平的逐步提高，各主要混凝土泵车生产企业在消化国外先进技术的基 础上，开始自主开发研制，并生产了2 6 m 、3 2 m 、3 7 m 、4 3 m 和5 3 m 混凝土泵车。 但仍然存在较多的问题。主要表现在：一是布料杆和臂架的技术含量较高，目前 只有三一重工掌握了并进行了自行生产臂架，已开发出7 2 m 世界最大高度的混凝 土泵车，创造了世界吉尼斯纪录；二是其他主要关键件如主泵、液压关键部件等 也是依赖进口；三是我国尚未有与该产品相匹配的可靠的汽车专用底盘，虽然也 有部分厂家尝试过使用国产底盘，但效果不理想，仍然主要依赖进口的奔驰、沃 尔沃、五十铃、日野等价格较高的底盘产品，限制了该产品的进一步发展：四是 大部分企业仅仅停留在引进消化吸收和二次开发的水平上，缺乏产品的进一步创 新n 0 1 。 纵观国内混凝土泵车行业产品技术状况，基本上还是靠国外厂家配套，国内 组装而发展起来的产品。我国混凝土泵车在产品开发和制造等方面，与国外老牌 公司相比仍然存在差距。 1 2 3 混凝土泵车的发展趋势 从国内外发展泵送混凝土施工技术的经验可以看出混凝上泵车不仅能提高 技术经济效益，而且能够改变施工现场的而貌，是反映一个国家建筑施工水平的 重要指标之一。据近年来国内外的一此调查资料表明，混凝上泵车主要有以下几 个方面的发展趋势盯1 ： ( 1 ) 向大排量方向发展。现在多数排量为8 0 m 3 h 左右，最大可达2 0 4m 3 h 左右。 5 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 ( 2 ) 泵送压力向高压方向发展。目前国产最大泵送压力为1 0 5 m p a 。而国外的最 大压力为2 8 5 m p a 。 ( 3 ) 泵送高度与距离增大。三一重工已生产臂架最长达7 2 m 的泵车。 ( 4 ) 由于混凝土泵送压力的不断提高，输送距高己经能够适应大部分混凝土摊 铺工作，具有良好的机动性的布料杆泵车将占主导地位。 ( 5 ) 混凝上泵车向电气化、多功能化发展。 ( 6 ) 由于道路条件和施上现场建筑物密集，混凝上泵车也向小型化发展，但性 能参数并不低。 ( 7 ) 对布料杆操作采用新技术，如无线遥控技术、计算机技术、电液比例技术、 负荷传感技术等( 机电液一体化) 。 国外企业在泵车液压系统的设计中，除了使用通用液压元件外，还自行开发 泵车专用液压元件。普茨曼斯特公司在泵车液压系统采用闭式回路，利用油泵的 斜盘摆角的正负变化，达到混凝土泵送系统的换向，油泵换向后排量由零到最大， 使油缸换速均匀，启动平缓。在混凝土泵车控制技术方而，国外生产的泵车大多 数都安装了无线遥控系统，有的大型泵车采用了作业电视监控。机电液一体化将 是混凝土泵车今后的主要发展方向。 1 3 混凝土泵车主要结构 当今，在整个建筑行业中使用经济型的带有折叠式布料杆系统的混凝土泵车 输送混凝土已经成为全世界的标准。混凝土泵车的主要结构如图1 1 所示。混 凝土泵车分为汽车底盘、分动装置和液压系统、泵车底架和支腿、料斗和泵送机 构、折叠式臂架，电控系统和遥控装置等几大部分。汽车底盘完成泵车的牵引和 提供动力，分动装置和液压马达是核心的部件，它被放置在底架上。底架和支腿 确保系统的稳定性。料斗和泵送机构是泵车的泵送混凝土的主要机构，臂架将混 凝土输送到指定浇筑点。通常，泵车的操作人员是通过一个无线遥控装置来控制 整个机器的，这不仅应用于多节臂布料杆的所有臂节的运动而且用于浇筑混凝土 体积的控制。混凝土泵车是集机械学、液压传动以及电子学为一体的高科技产品， 涉及多学科交叉的领域n 引。 6 江苏大学硕士学位论文 i 。堡黑苎塞墨i 也曼壁垒i 篓堂熟塑：二 簟孑 图1 1 混凝土泵车主要结构图 f i g 1 1m a i nc o m p o n e n t so f ac o n d o mp u m pt r u c k 1 3 1 泵送系统 由于一些大型工程的施工需要，泵车的砼输送量不断增大，以满足在短时间 内浇灌大量砼的需要。现在一般砼泵车的理论输送量是1 0 0 - - 一1 2 0 m 3 h ，国外最大 理论输送量已达2 0 0 m 3 h ，国内生产的泵车最大理论输送量已达1 5 0 m 3 h 。泵送系 统配置大直径的输送缸( 直径为2 3 0 m m 或2 5 0 m m 甚至2 8 0 m m ) ，具有吸料性能好， 冲程次数少的优点，不仅减少了磨损，而且降低了运营成本。 砼输送泵具有高压小排量和低压大排量2 种泵送方式，因此高低压切换是砼 泵车最重要的操作方式之一。传统的泵车采用换接油缸连接胶管的办法，不仅浪 费时间和液压轴，而且会污染液压系统。而新型泵车采用了全自动高低压切换技 术，切换时无需停机，操作仅在一瞬间完成，大大简化了泵车操作。 砼分配阀形式主要有s 管阀和闸板阀。此外各生产商还开发了一些各具特色 的分配阀，如普茨迈斯特公司的c 型阀、施维茵公司的裙阀等。针对我国施工中 所使用的骨料多为碎石的特点，国内生产商在易损件耐磨性方面进行了一些研 究，采用新耐磨材料、新工艺、新技术，较好地解决了易损件磨损快、更换频繁、 影响设备正常施工等问题，使其寿命大大提高n 。 1 3 2 臂架系统 砼泵车的作业范围受臂架长度的制约，臂架长度越长其作业范围越大，适用 7 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 范围也越广。但臂架越长，车辆行驶尺寸也越长，泵车在市区行驶以及在工地上 施工时往往受到限制。但总的来说，随着商品砼的发展，砼泵车朝档次更高、布 料臂架更长的方向发展。臂架由过去的3 7 m 占主流，逐步过渡到4 2 , - - 一4 5 m 为主， 目前国产泵车臂架的最大长度已达到5 6 m 。普茨迈斯特公司生产的世界上最大泵 车，臂架垂直高度达6 2 m 、5 节臂，其最大砼输送量可达2 0 0 m 3 h 。为了适合城市 狭窄空间臂架展开和对复杂结构的施工作业的需要，国外一些厂家采用多节臂技 术和单侧支撑技术，使得作业更加灵活。 臂架节数有3 、4 、5 节三种。其折叠方式有z 形、r 形、r z 形等几种。由于 z 形折叠臂架的打开空间更低，因此更便于狭窄施工场所作业，见图l 。从生产 制造和使用方便的角度综合考虑，目前臂架的折叠方式大多采用r z 形混合折叠 方式。 由于臂架系统是一多自由度机构，操作人员通过控制每一节布料臂的动作， 使臂架末端到达理想的浇注位置时容易产生偏差。因此，一种智能臂架控制系统 已经出现，它只需要指令末端出口位置，在计算机控制下就能实现多节布料臂协 调动作，使臂架按设定程序连续布料或直接到达末端预定位置n 1 j 。 1 3 3 液压与电控系统 液压系统有开式和闭式两种。一般来说，开式回路具有油液清洁度高、油温 低、液压元件集成化、工作可靠、维修方便等优点，但换向冲击较大；闭式回路 换向平稳，但液压油温度高，影响系统寿命。目前液压系统j 下向集成化方向发展， 普遍采用开式及恒功率系统，采用大流量的变量油泵。同时，全液压控制技术、 计算机控制技术取得了突破性进展，全液压换向和计算机闭环控制系统已经被广 泛应用。 砼泵车电控系统一般采用p l c 控制，除实现泵车控制外还具有故障诊断功 能，配有能直观显示多种信息的多功能液晶显示器，方便操控。同时还配备可操 纵泵车各种功能的无线或有线遥控器，成为操纵泵车的人性化平台。无线遥控技 术、臂架电比例控制系统、泵送排量无级调节技术的应用，使得操控庞大的泵车 变得格外轻松自如1 。 8 江苏大学硕士学位论文 1 3 4 底盘 砼泵车选用的底盘几乎都是进口的，而且主要集中在沃尔沃( v o l v o ) 、五十 铃( i s u z u ) 和奔驰( m e r c e d e s b e n z ) 几种专用底盘上。五十铃底盘技术成熟，在国 内服务完善；沃尔沃和奔驰底盘外观豪华、驾驶舒适、自动化程度高，采用柴油 电喷技术，油耗低。目前砼泵车采用的底盘均达到欧i i 或以上标准，能满足大中 城市对汽车排放的要求n 。 随着我国城市建设的快速发展和交通、水利等基础建设规模的不断扩大，商 品砼的应用日益广泛，用户对商品砼机械的需求会更加旺盛。可以预见，砼泵车 将得到越来越多用户的青睐，国产砼泵车也将继续呈现快速发展的局面。 1 4 混凝土泵车动力匹配及控制技术概况 传统动力匹配及控制技术采用了很多方法，虽然取得了不少效果，但未能从 根本上解决问题。传统的功率控制中，控制系统与柴油机的匹配非常保守，混凝 土泵车正常工作时是将发动机设定在额定的转速下工作，确保泵送系统获得最大 的扭矩和功率，发动机工作在燃油消耗率很高的区域，没有工作在经济运行区， 造成底盘动力系统经济性能下降、机械损耗增加，可靠性降低，但随着人们对混 凝土泵车节能控制的重视以及现在计算机技术的发展，很多公司已将计算机技术 成功地应用到混凝土泵车的节能控制中，并取得了良好的效果。 浙江大学流体传动及控制国家重点试验室新建的节能试验台，采用的是计算 机功率优化控制系统。它设有多种工作模式和怠速工作模式，用户可按照负载的 大小和实际工作需要进行选择，每一个工作模式对应于一定的油门位置。当设定 好一定的工作模式后，电脑发出输出指令，给定一个油门开度，同时控制系统可 根据工作模式，在系统数据库中查出该油门开度下柴油机的目标转速。同时该系 统还有一个输出模式选择，即最大功率模式和最节省燃油模式，在设定了功率模 式和输出模式后，通过检测柴油机工作转速的变化对油门和主泵排量进行电比例 无级控制，从而使发动机始终处于柴油机目标转速范围内工作别。 在混凝土泵车行业，三一重工开发出的柴油机转速闭环控制装置，该装置利 用p i d 控制指令对柴油机的输出转速进行p i d 调节，该控制系统有效地减小了发 9 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 动机工作转速在液压系统输出功率加大后造成的波动，使控制系统在不同负荷 下，都能维持同一工作转速。该控制系统的使用提高了整机的输出功率和工作效 率，使柴油机在较低转速工作时不会因过载而产生掉速或熄火现象，因此使液压 系统和柴油机之间的匹配得以优化n 引。 但该控制系统只是实现了对混凝土泵车柴油机工作转速的闭环控制，在系统 超载柴油机降速后，通过加大油门开度来实现工作转速的恒定，而系统中并没有 涉及到对液压主油泵排量的控制，因此该控制系统并没有真正的全面实现对液压 泵和柴油机之间的功率匹配和控制，液压主油泵的排量和发动机的转速仍没有得 到合理的匹配，而且当柴油机本身处于较大油门开度工作时，控制效果并不理想。 1 5 本论文的主要工作内容 本论文主要以国内某企业生产的混凝土泵车为研究对象。根据国内外的研究 现状和发展趋势，借鉴其他企业和工程机械的研究方法和思路，以提高混凝土泵 车的动力源柴油机的功率利用率、减少能量损失、降低能源消耗为目的，进行了 如下研究： ( 1 ) 了解国内外混凝土泵车的发展状况、结构和工作原理，分析当前混凝土 泵车的动力系统功率匹配方法及控制原理。 ( 2 ) 在分析发动机特性、主油泵的特性以及负载的基础上，提出了根据工作 要求测定泵送系统泵送主缸位移速度和主泵压力来匹配控制发动机转速、主油泵 的排量，使泵送系统可以完全吸收发动机功率，提高发动机功率吸收效率达到提 高燃油使用率降低油耗的目的。 ( 3 ) 分析控制要求，根据控制器硬件选择合适的自适应控制理论。 ( 4 ) 依照文章提出的匹配控制方法设计泵车动力系统匹配控制控制动作流 程。 ( 5 ) 将按照动力系统匹配控制思路方法以及控制程序动作流程，将开发的混 凝土泵车匹配控制系统程序进行装车实验，验证此控制方法的匹配效果，并对其 进行数据分析处理。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章混凝土泵车动力系统分析 2 1 混凝土泵车动力系统的组成 混凝土泵车动力系统及能量转换是由底盘发动机的动力经传动系统传递给 液压泵，液压泵再将底盘发动机的功率传递给液压系统，从而实现泵送工作，其 中转速调节机构是通过调节发动机转速来调节发动机的输出功率，排量调节机构 是通过调节主油泵斜盘的开度来调节主油泵的吸收功率，负载所需功率大小是根 据实际工况变化而变化的，而实际工况是由混凝土塌落度及泵送主缸位移速度及 液压系统压力决定。泵车在额定转速下工作时，整个大系统的功率分配原则是： 发动机输出的功率一部分被主油泵吸收，另一部分功率由于发动机与泵不匹配以 及机械传递效率等原因而被损失掉，而主油泵吸收的功率通过液压系统做功，满 足负载所需功率，下面对发动机、液压系统以及工作负载特性进行分析口1 。 2 2 发动机的特性分析 目前，混凝土泵车的原动力装置采用的是柴油机，因而柴油机的动力性和经 济性是决定泵车使用时油耗性能的基础。在工程机械动力系统的设计中，通常只 关注柴油机的静态特性，混凝土泵车上使用的柴油机是与其底盘一起由专门的泵 车底盘供应厂家提供的。因此，混凝土泵车底盘供应厂家提供的柴油机特性参数 和曲线是泵车设计人员选择柴油机、设计液压系统和进行动力匹配的原始依据。 2 2 1 速度特性 柴油机的特性指标随转速变化的关系称为速度特性。具体是指喷油泵油量调 节杆位置一定时，柴油机的转矩、功率、每小时燃料消耗量和燃料消耗率等参数 随转速变化的关系。喷油泵调节拉杆固定在标定功率循环供油量位置时测得的速 度特性称为标定功率速度特性，通常也称为外特性。喷油泵调节拉杆固定在小于 标定功率循环供油量位置时的速度特性称为部分负荷速度特性。显然部分负荷速 度特性曲线有无数条，柴油机厂家一般只给出外特性曲线n 钔。 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 2 2 2 负荷特性 柴油机的负荷特性是指在保持一定转速不变时，靠改变每循环供油量，此时 柴油机的每小时燃油消耗量、燃油消耗率随负荷变化的关系。如图2 1 ，柴油机 的这种特性曲线清楚地显示了在其转速一定时，负荷的变化和燃油消耗之间的关 系。 2 2 3 万有特性 l i e ( t 鬻) 图2 1 柴油机负荷特性曲线 f i g 2 1c h a r a c t e r i s t i cl o a dc u r v eo f t h ed i e s e le n g i n e 有关速度特性和负荷特性的各种曲线只能表达2 个参数之间的关系，不能较 为全面的描述出柴油的性能，而万有特性则能表示3 个或3 个以上的参数之间的 关系。通常以柴油机的转速r l 为横坐标、输出扭矩m e ( 或平均压力p e ) 为纵坐标， 作出若干条等燃耗率g e 曲线和等功率n e 曲线等，构成一系列的曲线簇，称为万 有特性曲线图，如图2 2 所示。万有特性图可以表示出柴油机在各种转速、各种 负荷下的燃耗率，从等油耗曲线内部越向外，油耗越大，经济性越差。图中的a 线为各平均有效压力下的最低油耗线，b 线为各有效功率下的最低油耗线，c 线 为各转速下的最低油耗线。就柴油机的运行特性而言，工程机械的阻力若按图中 b 线变化，则有良好的匹配性能n 5 l 。 江苏大学硕士学位论文 之t 釜 毒 5 b c 、 1 2 】l 吕 ，砸i n 图2 2 柴油机万有特性曲线 f i g u r e2 2c h a r a c t e r i s t i cp e r f o r m a n c ec i i i n oo ft h ed i e s e le n g i n e 2 2 4 调速特性 柴油机的调速特性是指柴油机装有调速器后的速度特性。因为柴油机转矩曲线比 较平直，遇到外界阻力变化时，转速波动范围较大，适应性较差。当负荷突然减 少时，转速会急剧增高，如不及时减少供油量就会造成飞车，致使柴油机损坏， 所以柴油机上一般加装调速器，使柴油机在负载变化情况下保持转速的稳定。实 际上，调速器不可能将柴油机转速控制在不变的恒定值，而是随外负载的变化有 一定的偏差。柴油机的调速特性是指当调速器操纵手柄处于一定位置时，在调速 器起作用的情况下，功率、转矩、燃油消耗率等与转速和负荷之间的变化关系。 图2 3 所示即为柴油机工作时的调速特性曲线。 柴油机加装不同的调速器后，就有不同的调速特性；而速度特性、负荷特性 和万有特性则表示柴油机的内在特征，尤其是万有特性曲线，更是综合反映了柴 油机的速度和负荷特性，因此，万有特性结合调速特性就能全面反映柴油机的工 作特性，为柴油机高效节能工作和柴油机与液压系统的功率匹配提供有效依据。 可以看出，柴油机在工作过程中，每个调速位置都对应一个最大功率点和一个最 小油耗点。将柴油机的调速特性曲线和万有特性曲线联合，就可以得到柴油机的 经济工作线( 图2 2 中的b 与图2 3 中的i ) 和最大功率工作线( 图2 3 中的i i ) 。 混凝土泵车动力系统功率匹配控制技术研究 柴油机在最大功率工作线工作时，对应此调速位置的最大功率点；在经济工作线 工作时，对应此调速位置的最佳匹配工作点。 扭炬 ( 辫鱼_ ) a 彭靖l 一 l ，。，一、 。7 i 一囊