混凝土泵的技術(shù)發(fā)展趨勢和市場前景分析

      我國從20世紀70年代開始探索開發(fā)混凝土泵，80年代引進技術(shù)開始制造混凝土泵，但真正意義上的國產(chǎn)混凝土泵制造應該從1993年中聯(lián)重科的前身中聯(lián)公司成立開始。經(jīng)過20多年的發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界上最大的混凝土泵生產(chǎn)國。2007年泵車銷售約3000臺，拖泵約為6500臺。而同期，國外混凝土泵的總產(chǎn)量僅為12000臺左右。
      雖然中國混凝土泵最初引進過日本的技術(shù)，但真正成功的產(chǎn)品是借鑒歐洲技術(shù)自主開發(fā)的。以關(guān)鍵的液壓系統(tǒng)為例，與液壓挖掘機當初走技術(shù)引進——盲目國產(chǎn)化而失敗的道路不同，混凝土泵一開始就采用國外優(yōu)秀的液壓元件。優(yōu)點在于：(1) 產(chǎn)品立足點高；(2) 通過與外國專家的商業(yè)和技術(shù)交流，學到了最先進的技術(shù)和理念。20世紀90年代中國混凝土泵企業(yè)曾經(jīng)百花齊放，涌現(xiàn)過各種各樣的液壓系統(tǒng)，其中有不少獨特的創(chuàng)新。例如，中國制造商獨具匠心開發(fā)了轉(zhuǎn)速為3000r/min的A4V56泵閉式液壓系統(tǒng)。當時國外主流制造商的開式系統(tǒng)用的是A7VO或A8VO斜軸油泵和專用液壓閥，中國制造商卻大量使用大排量的斜盤泵A11VO190/260和工業(yè)閥。此外，中國制造商在全球率先開發(fā)了三級配混凝土泵，雙動力混凝土泵，并首先使用PLC控制油泵的排量。
      目前以三一重工、中聯(lián)重科為代表的制造商所生產(chǎn)的混凝土泵已經(jīng)達到了比較高的水平，但眾多的混凝土泵制造企業(yè)還存在著產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重、技術(shù)創(chuàng)新能力較差、低價競爭等問題。中國的混凝土泵已走向世界，中國其他出口產(chǎn)品因為知識產(chǎn)權(quán)問題在國際上的“不公”待遇，應該引起國內(nèi)廠家的重視。創(chuàng)新是企業(yè)生命之源，混凝土泵的技術(shù)創(chuàng)新大有文章可做。另外，應該看到中國的混凝土機械經(jīng)過十幾年的高速發(fā)展，未來前景仍然非常樂觀，這也為我們混凝土泵技術(shù)的進一步發(fā)展提供了廣闊的舞臺。
 
1  技術(shù)發(fā)展趨勢
      在未來，混凝土泵的發(fā)展主要方向是：提高主機性能和作業(yè)效率，降低使用成本，提高舒適性以及適應法規(guī)要求。
1.1  主液壓系統(tǒng)
      目前國內(nèi)主流泵送液壓系統(tǒng)有3種。一種是全液壓液控信號換向，電控油泵排量調(diào)節(jié)的開式系統(tǒng)，主要為三一重工所采用；第二種是以中聯(lián)重科為代表的電信號換向，液控油泵排量調(diào)節(jié)的開式系統(tǒng)，幾乎成為國內(nèi)大多數(shù)混凝土拖泵的標準配置。絕大多數(shù)的液壓系統(tǒng)均為雙回路系統(tǒng)，即泵送和擺動回路分別由主油泵和恒壓泵(或齒輪泵)供油。第三種系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)成本較高但換向沖擊小，目前主要用在泵車上，在拖泵上基本已被淘汰。開式系統(tǒng)也可以研究出沖擊小的系統(tǒng)，比如三一重工所開發(fā)的。但對其他一些廠家來說，與其花幾年時間研究系統(tǒng)，不如直接采用成熟的閉式系統(tǒng)快速占領(lǐng)市場。這就是為什么國內(nèi)大多數(shù)廠家的泵車采用閉式系統(tǒng)的原因。由于采用PLC控制油泵排量具有調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點，成本也低，以后普通開式系統(tǒng)的油泵排量控制將會全部采用電比例調(diào)節(jié)，即傳統(tǒng)的LRDH2控制方式將會被 LRDU2代替。
      (1) 極限負荷調(diào)節(jié)和自動功率分配。
      目前國內(nèi)外普遍采用的恒功率泵系統(tǒng)有一個很大的缺點，它只對主泵進行恒功率控制。實際上，混凝土泵，尤其是泵車是由多個系統(tǒng)組成的，包括泵送系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、攪拌、臂架控制、冷卻和水泵等；柴油機本身也有冷卻、發(fā)電等輔助功率消耗和備用功率。這些在分配功率時都要予以考慮，這就影響了主泵的功率分配和利用。泵送功率是決定混凝土泵工作效率的重要因素。如何利用其他系統(tǒng)的富余功率提高泵送功率，是提高發(fā)動機功率利用的重要途徑。電子技術(shù)的發(fā)展為泵送功率的提高奠定了基礎。混凝土泵，尤其是泵車，將會朝著極限負荷調(diào)節(jié)和自動功率分配的方向發(fā)展，主泵以外的多余功率將通過柴油機或直接地自動轉(zhuǎn)移到主油泵，從而大大提高泵送功率，并使采用較小的發(fā)動機來降低采購成本和節(jié)省油耗成為可能。
      作為功率利用的一個例子是泵送與臂架泵的功率轉(zhuǎn)移。圖1是博世力士樂公司提出的臂架泵功率向主泵進行轉(zhuǎn)移的原理。
      圖中顯示了2條恒功率曲線。當臂架泵全功率工作的時候，主油泵的恒功率曲線為下面一條(Ps1)，隨著臂架功率的減少，曲線不斷向右上方移動，直至臂架不工作，臂架泵的功率全部為主油泵所吸收。采用電比例控制的油泵和博世力士樂的電控系統(tǒng)很容易實現(xiàn)上述主泵和臂架泵之間按工況不同實現(xiàn)功率自動分配和轉(zhuǎn)換功能。
      (2) 功率模式選擇。
      混凝土泵的載荷按工況(作業(yè)高度和輸送距離等)不同差別很大，液壓系統(tǒng)的壓力和需要的發(fā)動機功率變化往往很大。如果按照不同的工況來設置不同的功率模式(比如輕載節(jié)能、重載滿功率和自適應等)，精確協(xié)調(diào)在不同作業(yè)模式下發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、油泵排量和功率，使發(fā)動機和泵的功率匹配更加合理，就能降低油耗和噪聲, 延長主機的使用壽命。
      以油泵的變功率原理為例。圖2是博世力士樂公司A11VO/LE2S2 油泵的控制原理圖。圖中3是恒功率閥，5是比例電磁鐵，通過改變比例電磁鐵控制電流的大小可以改變油泵的功率值。在混凝土泵高壓大排量工況時，油泵輸出最大設定功率；在輕負荷情況時，比例電磁鐵5的電流上升，油泵的功率值下降(如圖3所示)。如果控制電流由計算機來調(diào)節(jié)，則通過軟件可以實現(xiàn)功率極限負荷調(diào)節(jié)、功率自動分配和功率模式選擇等功能。計算機還同時對發(fā)動機進行功率設定，確定發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和油門開度。這樣，可根據(jù)混凝土泵車不同的泵送工況，采用不同的發(fā)動機特性和液壓泵特性，其特性曲線都是由計算機軟件來決定的。
      在混凝土泵的使用中，油泵的型號為A11VO/LE2DU2或A11VO/EP。后者為純電控比例油泵，功能通過電控系統(tǒng)實現(xiàn)；前者帶機械的功率調(diào)節(jié)裝置，優(yōu)點是電控系統(tǒng)較為簡單，即使發(fā)生故障，油泵仍可以以機械設定的功率和壓力進行工作。國內(nèi)已有制造商成功開發(fā)出混凝土泵的變功率系統(tǒng)，并開始批量投放市場。
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1.2  泵車主機智能化管理系統(tǒng)
      歐3歐4標準的電控發(fā)動機將成為混凝土泵車的標準配置，這不僅意味著排放標準的提高，柴油機的工作轉(zhuǎn)速將有所下降，有利于發(fā)動機在最佳燃油消耗區(qū)附近工作，同時又降低噪聲。相應地為了保持機器作業(yè)效率的不變，油泵的排量將加大。博世力士樂將推出的新一代的閉式和開式系統(tǒng)油泵的排量同比增加16%左右。比如145ml排量的40系列A4VG閉式油泵，將代替32系列的125ml排量; A15VO210將代替A11VO190。由于對油泵的殼體形狀進行了優(yōu)化，泵噪聲也顯著降低。
      除了臂架的無線電遙控，電控系統(tǒng)在混凝土泵車中將得到越來越多的應用。目前混凝土泵的電子控制已經(jīng)可以實現(xiàn)復雜的控制功能和智能功能，包括智能緩沖換向技術(shù)，降低噪聲、沖擊和臂架及尾膠管的抖動, 延長臂架使用壽命，并提高操作的舒適性。
      進一步的發(fā)展，混凝土泵的各個功能，包括臂架和泵送控制，由一個中央計算機進行智能管理，并與電子控制的混凝土攪拌輸送車協(xié)調(diào)，實現(xiàn)泵車、攪拌運輸車的車隊管理，使作業(yè)的效率最大化。
      目前，液壓泵控制裝置與發(fā)動機管理系統(tǒng)基本上沒有關(guān)聯(lián)。發(fā)動機管理系統(tǒng)只按照液壓系統(tǒng)負載的變化而自行作出反應，以便始終提供足夠的功率儲備。由此帶來較高的噪聲和較差的經(jīng)濟性。
      要實現(xiàn)經(jīng)濟的混凝土泵控制，需要計算機通過綜合感應實際工況來自動調(diào)節(jié)發(fā)動機，使發(fā)動機總是恰好提供滿足實際工作所需要的功率。這種系統(tǒng)的液壓泵控制必須能夠影響柴油發(fā)動機管理系統(tǒng)，以便使它能根據(jù)泵的實際功率需求來調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。為此油泵變量裝置需要通過RC控制單元和CAN總線與發(fā)動機的控制器進行通訊(圖4)。

1.3  臂架系統(tǒng)
      混凝土泵送機械正在朝著規(guī)格更全、檔次更高、泵送排量更大、布料臂架更長的方向發(fā)展。過去泵車的泵送排量多在120ｍ3/h左右，未來大型泵車的泵送排量將普遍達到160ｍ3/h以上甚至200ｍ3/h。臂架的長度由過去的37m占主流，逐步過渡到42??45m為主，48m以上同樣受到市場關(guān)注。2007年三一重工成功研制出最大垂直高度達66m的臂架泵車，成為世界之最。僅僅時隔1年多這個紀錄又被德國普茨邁斯特公司打破，后者在最近發(fā)布了臂伸展高度70m的M70-5泵車。但在向長臂架發(fā)展的同時，也存在差異化的傾向。上海鴻得利獨辟蹊徑于2006年率先開發(fā)出來的22m泵車，在2006年的上海bauma上受到媒體的追捧。它集拖泵、車載泵和泵車于一身，特別適用于狹窄工地的作業(yè)，尤其受到個體投資者的青睞。
      提高作業(yè)效率的另一個途徑是優(yōu)化臂架結(jié)構(gòu)，減輕臂架裝置的重量。德國普茨邁斯特公司分析過58m泵車第4節(jié)臂架的作業(yè)重量分配，結(jié)構(gòu)件占30%，輸送管道占21%，液壓缸等占14%，混凝土只占35%。所以減輕臂架系統(tǒng)的重量可以提高泵車的工作效率。國外已有采用高強度玻璃纖維塑料臂架液壓缸的泵車。普茨邁斯特公司的70m泵車的布料桿和液壓缸也采用了特殊的高強度材料。
      目前臂架多路閥的控制幾乎都采用LS負荷傳感系統(tǒng)，優(yōu)點是能精確靈敏地控制布料桿，既可單獨控制任一節(jié)臂架，也可以用不同的速度同時操縱幾節(jié)臂架。但LS負荷傳感系統(tǒng)的問題是，當幾個執(zhí)行元件同時工作時(如回轉(zhuǎn)與臂架伸展)，若泵供油不足，壓力較高的執(zhí)行元件將減慢動作，甚至停止工作。原定的臂架運動軌跡將改變，作業(yè)效率降低，司機操作強度提高。
      博世力士樂公司推出的LUDV系統(tǒng)解決了這個問題。如果油泵供油小于執(zhí)行元件的需求，系統(tǒng)將自動按比例分配流量。臂架的運動軌跡不變，操作輕松簡便。
      負荷傳感系統(tǒng)或LUDV系統(tǒng)與傳統(tǒng)的節(jié)流控制相比雖然改善了臂架的操縱性能，減少了能量損失，但由于需要控制壓差Δp，仍然存在能量的浪費。臂架控制最終將采用電子流量控制。臂架油泵和多路閥均為電比例控制。多路閥的內(nèi)置式電子系統(tǒng)把閥芯位置信號即每片閥的所需流量告知中央計算機，計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及油泵的轉(zhuǎn)速計算出油泵的控制電流。油泵的角度按流量需求變化，提供所需要的流量。這樣執(zhí)行元件的功率需求與實際相匹配，柴油機的油耗降低。采用電比例控制的斜盤式油泵終將代替目前流行的A7VO55負荷傳感斜軸泵。
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1.4  底盤
      泵車國產(chǎn)底盤的市場占有率將提高。幾年前混凝土泵車還是進口底盤一統(tǒng)天下,現(xiàn)在國產(chǎn)底盤已嶄露頭角, 星馬、福田等更是以自有底盤作為主導產(chǎn)品。混凝土攪拌運輸車底盤國產(chǎn)化之路值得借鑒?；炷帘密嚺c攪拌運輸車相比，更具有采用國產(chǎn)底盤的優(yōu)勢?；炷翑嚢柽\輸車以行駛為主,而混凝土泵車的工況與起重機更相似,行駛的時間少,駐地作業(yè)時間長。關(guān)鍵是要配置好的發(fā)動機和變速箱, 而不必非要像國外制造商一樣非使用國際品牌的底盤不可。對于國外公司來說，歐洲或日本的底盤是他們的“國產(chǎn)底盤”。而且，國外泵車廠家沒有能力制造底盤，而我們的一些制造商自己就生產(chǎn)底盤，可以針對性的開發(fā)泵車專用底盤。
      采用國產(chǎn)底盤的優(yōu)點還在于可以針對性地配置合適的發(fā)動機。比如適合汽車行駛工況和工程機械工況的雙特性曲線的電控發(fā)動機。目前國內(nèi)泵車的發(fā)動機多數(shù)偏大。以37m泵車為例，使用290kW的發(fā)動機，無論對行駛或泵送工況都是富余甚至浪費的配置，這只要看看配置同樣主油泵的車載泵或拖泵只有160kW左右的功率就可以理解。降低發(fā)動機配置造成的功率浪費在今天這個對油耗錙銖必較的年代具有重要的意義。上海鴻得利公司新開發(fā)的帶獨立發(fā)動機的37m泵車是一種有益的嘗試。該機采用國產(chǎn)230kW的汽車底盤，泵送部分為180kW的工程機械發(fā)動機。泵送工作能耗大大降低。由于采用了帶臂架泵的4聯(lián)泵組，省去分動箱，整機成本并不高。據(jù)稱，該泵車將在2008年的上海bauma展上亮相。
      普茨邁斯特公司的M70-5泵車采用半掛車作為底盤，泵送排量為200m3/h的70m泵車使用僅為330kW的獨立發(fā)動機。
      不過使用半掛車作為泵車底盤的創(chuàng)意，卻屬于長沙久潤公司。早在2003年久潤就開發(fā)出以半掛車作為底盤的44m泵車(圖5)。采用195kW的沃爾沃發(fā)動機作為獨立泵送用動力。半掛車帶有液壓行走功能，在工地上無需牽引車頭便可作短距離的作業(yè)轉(zhuǎn)移。 
      但由于存在安裝空間和機重增加等原因，雙發(fā)動機方案在大多數(shù)泵車上使用恐怕難以成為現(xiàn)實。國外某著名公司的大型泵車采用了全功率PTO的方案。與傳統(tǒng)的經(jīng)過變速箱和分動箱取力不同，油泵組直接從特制的全功率PTO上取力，避免了傳統(tǒng)取力方式中傳動系引起的功率損失，實際證明這種功率損失是非?？捎^的。用PTO方式，所有的油泵串接在一起，無需分動箱。
      世界上混凝土機械只占工程機械銷售額的3%,而在中國則占到10%左右。國內(nèi)工程機械的兩大巨頭三一重工和中聯(lián)重科，都是從制造混凝土泵起家，靠混凝土泵掘得第一桶金而延伸到其他工程機械產(chǎn)品的，而且至今混凝土泵在公司業(yè)務中仍然占有舉足輕重的地位。包括混凝土泵在內(nèi)的混凝土機械在中國的蓬勃發(fā)展得益于中國良好而獨特的市場機遇，這種機遇和特點也將使中國在未來的混凝土機械市場保持第一大國的地位。
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2  市場前景
2.1  中國是最大的發(fā)展中國家
      (1) 城鎮(zhèn)化率低,人口眾多。
      2007年中國城鎮(zhèn)化率不到45%，未來十幾年,中國的城鎮(zhèn)化率將以每年1個百分點的速度提高。發(fā)達國家的城鎮(zhèn)化率約為80%左右。中國要達到65%左右的比較符合中國國情的城鎮(zhèn)化率至少還需15～20年的時間。
      (2) 大規(guī)?；窘ㄔO。
      橋梁、鐵路、隧道、高速公路、海港、機場和城市建設需要大量混凝土機械。隨著我國經(jīng)濟建設步伐的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，許多大的工程建設項目相繼開工，市場對混凝土機械的需求將呈猛增勢態(tài)。
      (3) 商品混凝土率低。
      目前一些大中城市的商品混凝土使用率已經(jīng)達到較高的水平，但國內(nèi)平均商品混凝土使用率約為20%～30%，與發(fā)達國家70%～80%的水平有較大差距，因此商品混凝土行業(yè)未來一段時期將保持持續(xù)增長的態(tài)勢?；炷翙C械的使用也正在從大中城市延伸到小城鎮(zhèn)，從東部沿海成熟地區(qū)延伸到中西部大開發(fā)地區(qū)。國家禁止城市市區(qū)使用現(xiàn)場攪拌混凝土的政策法規(guī)，更為混凝土泵送機械的發(fā)展提供了廣闊的空間。

2.2  中國特殊的國情
      (1) 人多地少。
      我國土地總面積占世界土地總面積的7.2%，居世界第3位。但人均土地面積0.777公頃，僅相當于世界平均水平的1/3。而且中國70%為山地和沙漠，森林覆蓋率僅15%，不到美國的1/4。這就決定了中國的城市建設不可能走歐美國家粗放型的道路，即城市建設平面化，使用大量的土地和木材。中國的城市建設只能大量使用鋼筋混凝土，采取向空中發(fā)展建設“混凝土森林”的方式，完成城市規(guī)模的擴大。
      (2)“垃圾建筑”時代的到來。
      在歐洲，百年以上的建筑物隨處可見，而在有5000年歷史的中國，古舊建筑鳳毛麟角。除了文化和傳統(tǒng)上的差異，城市規(guī)劃也是一個大問題。
      中國的城市規(guī)劃缺乏科學和一致性，法規(guī)的執(zhí)行也缺乏嚴肅性，建筑物的使用壽命短。使用了二三十年甚至更短的建筑就被拆除屢見不鮮。這種大建大拆的現(xiàn)象盡管受到了許多批評，但在相當長的時間里不會改變。據(jù)有關(guān)資料，美國每年廢棄的混凝土約為3000萬t，日本為1600萬t，而上海一個城市就達到2000萬t以上！大拆需要大建，這也在某種程度上促進了混凝土和混凝土機械工業(yè)的持續(xù)繁榮吧。

2.3  出口的增長
      混凝土機械和其他工程機械一樣是一個技術(shù)相對成熟的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，也是一個技術(shù)密集和勞動密集型的混合產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，中國已經(jīng)形成了比較完善的混凝土機械工業(yè)，依托國內(nèi)廣大的市場，中國一些優(yōu)秀的混凝土泵企業(yè)已經(jīng)走向世界。最近幾年中國混凝土泵的出口持續(xù)快速增長。由于價格優(yōu)勢和產(chǎn)品性能的不斷提高，可以預計，中國成為世界頭號混凝土泵出口大國指日可待。