混凝土泵的技术发展趋势

发展动态 2013-12-13 11:21:28
    我国从20世纪70年代开始探索开发混凝土泵,80年代引进技术开始制造混凝土泵,但真正意义上的国产混凝土泵制造应该从1993年中联重科的前身中联公司成立开始。经过20多年的发展,中国已经成为世界上最大的混凝土泵生产国。2007年泵车销售约3000台,拖泵约为6500台。而同期,国外混凝土泵的总产量仅为12000台左右。

    技术发展趋势

    在未来,混凝土泵的发展主要方向是:提高主机性能和作业效率,降低使用成本,提高舒适性以及适应法规要求。

    1.1主液压系统

    目前国内主流泵送液压系统有3种。一种是全液压液控信号换向,电控油泵排量调节的开式系统,主要为三一重工所采用;第二种是以中联重科为代表的电信号换向,液控油泵排量调节的开式系统,几乎成为国内大多数混凝土拖泵的标准配置。绝大多数的液压系统均为双回路系统,即泵送和摆动回路分别由主油泵和恒压泵(或齿轮泵)供油。第三种系统是闭式系统。闭式系统成本较高但换向冲击小,目前主要用在泵车上,在拖泵上基本已被淘汰。开式系统也可以研究出冲击小的系统,比如三一重工所开发的。但对其他一些厂家来说,与其花几年时间研究系统,不如直接采用成熟的闭式系统快速占领市场。这就是为什么国内大多数厂家的泵车采用闭式系统的原因。由于采用PLC控制油泵排量具有调节方便的优点,成本也低,以后普通开式系统的油泵排量控制将会全部采用电比例调节,即传统的LRDH2控制方式将会被LRDU2代替。

    (1)极限负荷调节和自动功率分配。

    目前国内外普遍采用的恒功率泵系统有一个很大的缺点,它只对主泵进行恒功率控制。

实际上,混凝土泵,尤其是泵车是由多个系统组成的,包括泵送系统、换向系统、搅拌、臂架控制、冷却和水泵等;柴油机本身也有冷却、发电等辅助功率消耗和备用功率。这些在分配功率时都要予以考虑,这就影响了主泵的功率分配和利用。泵送功率是决定混凝土泵工作效率的重要因素。如何利用其他系统的富余功率提高泵送功率,是提高发动机功率利用的重要途径。电子技术的发展为泵送功率的提高奠定了基础。混凝土泵,尤其是泵车,将会朝着极限负荷调节和自动功率分配的方向发展,主泵以外的多余功率将通过柴油机或直接地自动转移到主油泵,从而大大提高泵送功率,并使采用较小的发动机来降低采购成本和节省油耗成为可能。 
    作为功率利用的一个例子是泵送与臂架泵的功率转移。图1是博世力士乐公司提出的臂架泵功率向主泵进行转移的原理。

    图中显示了2条恒功率曲线。当臂架泵全功率工作的时候,主油泵的恒功率曲线为下面一条(Ps1),随着臂架功率的减少,曲线不断向右上方移动,直至臂架不工作,臂架泵的功率全部为主油泵所吸收。采用电比例控制的油泵和博世力士乐的电控系统很容易实现上述主泵和臂架泵之间按工况不同实现功率自动分配和转换功能。

    (2)功率模式选择。

    混凝土泵的载荷按工况(作业高度和输送距离等)不同差别很大,液压系统的压力和需要的发动机功率变化往往很大。如果按照不同的工况来设置不同的功率模式(比如轻载节能、重载满功率和自适应等),精确协调在不同作业模式下发动机的转速、油泵排量和功率,使发动机和泵的功率匹配更加合理,就能降低油耗和噪声,延长主机的使用寿命。

    以油泵的变功率原理为例。图2是博世力士乐公司A11VO/LE2S2油泵的控制原理图。图中3是恒功率阀,5是比例电磁铁,通过改变比例电磁铁控制电流的大小可以改变油泵的功率值。在混凝土泵高压大排量工况时,油泵输出最大设定功率;在轻负荷情况时,比例电磁铁5的电流上升,油泵的功率值下降(如图3所示)。如果控制电流由计算机来调节,则通过软件可以实现功率极限负荷调节、功率自动分配和功率模式选择等功能。计算机还同时对发动机进行功率设定,确定发动机的转速和油门开度。这样,可根据混凝土泵车不同的泵送工况,采用不同的发动机特性和液压泵特性,其特性曲线都是由计算机软件来决定的。

    在混凝土泵的使用中,油泵的型号为A11VO/LE2DU2或A11VO/EP。后者为纯电控比例油泵,功能通过电控系统实现;前者带机械的功率调节装置,优点是电控系统较为简单,即使发生故障,油泵仍可以以机械设定的功率和压力进行工作。国内已有制造商成功开发出混凝土泵的变功率系统,并开始批量投放市场。

    1.2泵车主机智能化管理系统

    欧3欧4标准的电控发动机将成为混凝土泵车的标准配置,这不仅意味着排放标准的提高,柴油机的工作转速将有所下降,有利于发动机在最佳燃油消耗区附近工作,同时又降低噪声。相应地为了保持机器作业效率的不变,油泵的排量将加大。博世力士乐将推出的新一代的闭式和开式系统油泵的排量同比增加16%左右。比如145ml排量的40系列A4VG闭式油泵,将代替32系列的125ml排量;A15VO210将代替A11VO190。

由于对油泵的壳体形状进行了优化,泵噪声也显著降低。 
    除了臂架的无线电遥控,电控系统在混凝土泵车中将得到越来越多的应用。目前混凝土泵的电子控制已经可以实现复杂的控制功能和智能功能,包括智能缓冲换向技术,降低噪声、冲击和臂架及尾胶管的抖动,延长臂架使用寿命,并提高操作的舒适性。

    进一步的发展,混凝土泵的各个功能,包括臂架和泵送控制,由一个中央计算机进行智能管理,并与电子控制的混凝土搅拌输送车协调,实现泵车、搅拌运输车的车队管理,使作业的效率最大化。

    目前,液压泵控制装置与发动机管理系统基本上没有关联。发动机管理系统只按照液压系统负载的变化而自行作出反应,以便始终提供足够的功率储备。由此带来较高的噪声和较差的经济性。

    要实现经济的混凝土泵控制,需要计算机通过综合感应实际工况来自动调节发动机,使发动机总是恰好提供满足实际工作所需要的功率。这种系统的液压泵控制必须能够影响柴油发动机管理系统,以便使它能根据泵的实际功率需求来调节发动机的转速。为此油泵变量装置需要通过RC控制单元和CAN总线与发动机的控制器进行通讯(图4)。

    1.3臂架系统

    混凝土泵送机械正在朝着规格更全、档次更高、泵送排量更大、布料臂架更长的方向发展。过去泵车的泵送排量多在120m3/h左右,未来大型泵车的泵送排量将普遍达到160m3/h以上甚至200m3/h。臂架的长度由过去的37m占主流,逐步过渡到42??45m为主,48m以上同样受到市场关注。2007年三一重工成功研制出最大垂直高度达66m的臂架泵车,成为世界之最。仅仅时隔1年多这个纪录又被德国普茨迈斯特公司打破,后者在最近发布了臂伸展高度70m的M70-5泵车。但在向长臂架发展的同时,也存在差异化的倾向。上海鸿得利独辟蹊径于2006年率先开发出来的22m泵车,在2006年的上海bauma上受到媒体的追捧。它集拖泵、车载泵和泵车于一身,特别适用于狭窄工地的作业,尤其受到个体投资者的青睐。

    提高作业效率的另一个途径是优化臂架结构,减轻臂架装置的重量。德国普茨迈斯特公司分析过58m泵车第4节臂架的作业重量分配,结构件占30%,输送管道占21%,液压缸等占14%,混凝土只占35%。所以减轻臂架系统的重量可以提高泵车的工作效率。国外已有采用高强度玻璃纤维塑料臂架液压缸的泵车。普茨迈斯特公司的70m泵车的布料杆和液压缸也采用了特殊的高强度材料。

    目前臂架多路阀的控制几乎都采用LS负荷传感系统,优点是能精确灵敏地控制布料杆,既可单独控制任一节臂架,也可以用不同的速度同时操纵几节臂架。但LS负荷传感系统的问题是,当几个执行元件同时工作时(如回转与臂架伸展),若泵供油不足,压力较高的执行元件将减慢动作,甚至停止工作。原定的臂架运动轨迹将改变,作业效率降低,司机操作强度提高。

    博世力士乐公司推出的LUDV系统解决了这个问题。如果油泵供油小于执行元件的需求,系统将自动按比例分配流量。臂架的运动轨迹不变,操作轻松简便。

    负荷传感系统或LUDV系统与传统的节流控制相比虽然改善了臂架的操纵性能,减少了能量损失,但由于需要控制压差Δp,仍然存在能量的浪费。

臂架控制最终将采用电子流量控制。臂架油泵和多路阀均为电比例控制。多路阀的内置式电子系统把阀芯位置信号即每片阀的所需流量告知中央计算机,计算机根据这些数据以及油泵的转速计算出油泵的控制电流。油泵的角度按流量需求变化,提供所需要的流量。这样执行元件的功率需求与实际相匹配,柴油机的油耗降低。采用电比例控制的斜盘式油泵终将代替目前流行的A7VO55负荷传感斜轴泵。 
    1.4底盘

    泵车国产底盘的市场占有率将提高。几年前混凝土泵车还是进口底盘一统天下,现在国产底盘已崭露头角,星马、福田等更是以自有底盘作为主导产品。混凝土搅拌运输车底盘国产化之路值得借鉴。混凝土泵车与搅拌运输车相比,更具有采用国产底盘的优势。混凝土搅拌运输车以行驶为主,而混凝土泵车的工况与起重机更相似,行驶的时间少,驻地作业时间长。关键是要配置好的发动机和变速箱,而不必非要像国外制造商一样非使用国际品牌的底盘不可。对于国外公司来说,欧洲或日本的底盘是他们的“国产底盘”。而且,国外泵车厂家没有能力制造底盘,而我们的一些制造商自己就生产底盘,可以针对性的开发泵车专用底盘。

    采用国产底盘的优点还在于可以针对性地配置合适的发动机。比如适合汽车行驶工况和工程机械工况的双特性曲线的电控发动机。目前国内泵车的发动机多数偏大。以37m泵车为例,使用290kW的发动机,无论对行驶或泵送工况都是富余甚至浪费的配置,这只要看看配置同样主油泵的车载泵或拖泵只有160kW左右的功率就可以理解。降低发动机配置造成的功率浪费在今天这个对油耗锱铢必较的年代具有重要的意义。上海鸿得利公司新开发的带独立发动机的37m泵车是一种有益的尝试。该机采用国产230kW的汽车底盘,泵送部分为180kW的工程机械发动机。泵送工作能耗大大降低。由于采用了带臂架泵的4联泵组,省去分动箱,整机成本并不高。据称,该泵车将在2008年的上海bauma展上亮相。

    普茨迈斯特公司的M70-5泵车采用半挂车作为底盘,泵送排量为200m3/h的70m泵车使用仅为330kW的独立发动机。

    不过使用半挂车作为泵车底盘的创意,却属于长沙久润公司。早在2003年久润就开发出以半挂车作为底盘的44m泵车(图5)。采用195kW的沃尔沃发动机作为独立泵送用动力。半挂车带有液压行走功能,在工地上无需牵引车头便可作短距离的作业转移。

    但由于存在安装空间和机重增加等原因,双发动机方案在大多数泵车上使用恐怕难以成为现实。国外某著名公司的大型泵车采用了全功率PTO的方案。与传统的经过变速箱和分动箱取力不同,油泵组直接从特制的全功率PTO上取力,避免了传统取力方式中传动系引起的功率损失,实际证明这种功率损失是非常可观的。用PTO方式,所有的油泵串接在一起,无需分动箱。

    世界上混凝土机械只占工程机械销售额的3%,而在中国则占到10%左右。国内工程机械的两大巨头三一重工和中联重科,都是从制造混凝土泵起家,靠混凝土泵掘得第一桶金而延伸到其他工程机械产品的,而且至今混凝土泵在公司业务中仍然占有举足轻重的地位。包括混凝土泵在内的混凝土机械在中国的蓬勃发展得益于中国良好而独特的市场机遇,这种机遇和特点也将使中国在未来的混凝土机械市场保持第一大国的地位。

    
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