雙缸式混凝土輸送泵泵送機構(gòu)的有限元分析

陳義得， 張立秀， 劉瑞慶， 李大偉， 周遠航

(1. 中鐵隧道局集團有限公司專用設(shè)備中心， 河南 洛陽 471009； 2. 武漢城市職業(yè)學院， 湖北 武漢 430070)

0 引言

混凝土輸送和澆筑是鉆爆法鐵路隧道施工過程中必不可少的工序，混凝土輸送泵是混凝土輸送的專用設(shè)備，能夠?qū)⒈玫囊簤耗苻D(zhuǎn)化成機械能，通過管道輸送混凝土[1-2]。目前，國內(nèi)設(shè)計的雙缸60混凝土輸送泵的結(jié)構(gòu)寬度均在1.8 m以上[3]，單線鐵路隧道二次襯砌之后的寬度約為3.5 m，隧道內(nèi)施工凈剩余寬度約為1.7 m，不能滿足單線鐵路隧道二次襯砌之后其他施工車輛通行的需要，且雙缸60混凝土輸送泵S管閥容易損壞失效[4-5]，制約了混凝土輸送泵的使用壽命。單缸40混凝土輸送泵結(jié)構(gòu)寬度在1.3 m以下[6-7]，能夠滿足單線鐵路隧道施工會錯車需要，但每小時輸送混凝土量僅為40 m3，輸送效率低，泵送距離短，不能滿足輸送量和輸送效率的要求。我國中西部地區(qū)地質(zhì)條件較差，運輸能力要求相對較低，鐵路隧道以單線為主，其設(shè)計斷面窄，洞內(nèi)錯車困難，亟需研制一款輸送量大、泵送距離遠、設(shè)備寬度小的混凝土輸送泵。本文介紹一種窄體雙缸S閥混凝土輸送泵，闡述其結(jié)構(gòu)和工作原理，并采用Ansys軟件對混凝土輸送泵的活塞桿、主油缸、混凝土輸送缸以及S閥體的力學性能進行分析。

1 泵送機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 泵送機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

泵送機構(gòu)是混凝土輸送泵的執(zhí)行機構(gòu)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的液壓能轉(zhuǎn)化成執(zhí)行機構(gòu)的機械能，通過主油缸的活塞桿推動混凝土輸送缸的活塞桿交替往復運動，將攪拌后混凝土連續(xù)不斷輸送至澆筑部位?；炷凛斔捅貌捎秒p缸式泵送機構(gòu)，主要由法蘭、S閥體、混凝土輸送缸、洗滌室及主油缸等組成，如圖1所示。主油缸與混凝土輸送缸之間安裝有洗滌室，用于清洗混凝土輸送缸壁上殘留的混凝土。主油缸的2個活塞桿分別與混凝土輸送缸的活塞桿對應(yīng)連接； 混凝土輸送缸的一端與洗滌室連接，出口端與S閥體連接，通過支撐架固定在機架上。

1—法蘭； 2—S閥體； 3—混凝土輸送缸(一)； 4—混凝土輸送缸(二)； 5—洗滌室； 6—主油缸(一)； 7—主油缸(二)。

圖1泵送機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

Fig. 1 Sketch of pumping structure

泵送機構(gòu)是通過主油缸的液壓油推動活塞桿，進而推動混凝土輸送缸的活塞桿往復運動，實現(xiàn)雙缸式混凝土泵連續(xù)不斷地泵送混凝土。混凝土輸送缸的活塞桿分別與主油缸的活塞桿對應(yīng)連接，在主油缸的作用下，2個混凝土輸送缸處于相反的輸送狀態(tài)。將洗滌室設(shè)在混凝土輸送缸和主油缸之間，在輸送混凝土的同時完成對混凝土輸送缸的清洗，使混凝土輸送缸始終保持清潔狀態(tài)； 減小主油缸和混凝土輸送缸雙缸之間的距離，從而減小整機的寬度，使整機寬度為1.49 m； 在主油缸、混凝土輸送缸與機架連接的位置增加加強筋板，從而消除因減小主油缸和混凝土輸送缸雙缸之間的距離而產(chǎn)生的大頻率震動的危害?；炷凛斔捅玫墓ぷ餍阅苋绫?所示。

表1窄體雙缸混凝土輸送泵工作性能

Table 1 Performance of narrow body double-cylinder concrete pump

寬度/m泵送壓力/MPa水平泵送距離/m混凝土輸送量/(m3/h)1．490．7480042～72

1.2 泵送機構(gòu)的工作原理

當混凝土泵送機構(gòu)處于泵送狀態(tài)時，在主油缸(一)的推進壓力作用下，混凝土輸送缸(一)的活塞桿前進，混凝土輸送缸(一)與S閥連通，將混凝土輸送缸(一)內(nèi)的混凝土輸送至S閥內(nèi)進行攪拌，再經(jīng)閥體上的出料口排出； 而混凝土輸送缸(二)的活塞桿處于后退狀態(tài)，料斗與混凝土輸送缸(二)連通，在主油缸(二)的回程壓力作用下，將料斗中的混凝土吸入混凝土輸送缸(二)內(nèi)。當主油缸帶動混凝土輸送缸(二)退至洗滌室時，將會觸及安裝在洗滌室上的換向閥開關(guān)，使換向開關(guān)接通，控制系統(tǒng)發(fā)出電信號，電磁換向閥接收電信號，控制2主油缸換向，2混凝土輸送缸的活塞桿前進和后退狀態(tài)更換。如此交替往復運動，使混凝土輸送泵完成混凝土的連續(xù)泵送動作。

當混凝土輸送泵發(fā)生故障時，通過控制反泵開關(guān)，使主油缸在后退狀態(tài)下，相對應(yīng)的混凝土輸送缸分別與S閥和料斗連通，將泵送機構(gòu)管道中的混凝土抽回到料斗中。

2 泵送機構(gòu)的有限元分析

2.1 模型建立

泵送機構(gòu)是由多個零件組成的裝配體，在對各個零件進行分析之前應(yīng)對零件進行如下簡化： 1)對于零件上的焊縫，忽略焊縫對零件結(jié)構(gòu)性能的影響； 2)將各零件上的倒角和圓角簡化成直角，工藝孔、裝配孔忽略不計； 3)各零件上的材料視為密度均勻分布材料。

利用Solidworks軟件建立泵送機構(gòu)的三維模型，將簡化后的各關(guān)鍵部件的三維模型導入Ansys軟件，并對導入的模型進行有限元分析。選擇靜力學分析模塊，按照材料屬性表1分別對活塞桿、主油缸和混凝土輸送缸的參數(shù)進行設(shè)定，然后導入三維模型[4]，并將各關(guān)鍵部件三維模型的單元格尺寸設(shè)置為5 mm，對活塞桿、主油缸和混凝土輸送缸進行網(wǎng)格劃分。

表2 材料屬性

2.2 載荷和約束的確定

由于主油缸和混凝土輸送缸的活塞桿主要承受軸向載荷，因此將活塞桿的一端設(shè)置為固定約束，另一端施加軸向載荷； 而主油缸主要承受液壓油的壓力，混凝土輸送缸主要承受混凝土的高壓力，因此將主油缸和混凝土輸送缸的兩端都設(shè)置為固定約束[5-7]，在主油缸和混凝土輸送缸的內(nèi)壁施加徑向壓力，壓力值分別取主油缸設(shè)計理論壓力值和混凝土泵送理論壓力值的1.2倍。在最大受力狀態(tài)下，分析各關(guān)鍵部件的變形量和應(yīng)力，各關(guān)鍵部件的主要靜載荷及施加方式如表3所示。

表3 靜載荷及施加方式

2.3 泵送機構(gòu)的靜力學分析

2.3.1 活塞桿的靜力學分析

在泵送機構(gòu)中，活塞桿承受的壓力為主油缸的最大推力，將活塞桿的一端固定，利用Ansys軟件對活塞桿進行靜力學分析，得到活塞桿的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知： 活塞桿的最大等效應(yīng)力為139.15 MPa，發(fā)生在活塞桿固定端圓周附近； 活塞桿的最大變形量為0.785 64 mm，發(fā)生在活塞桿的固定端。

圖2 活塞桿應(yīng)力云圖(單位： MPa)

圖3 活塞桿變形云圖(單位： mm)

活塞桿材料為40Cr不銹鋼，具有耐腐蝕、耐沖擊的特點，其屈服極限為785 MPa，結(jié)合活塞桿的最大等效應(yīng)力139.15 MPa，參照《機械設(shè)計手冊》選擇安全系數(shù)n1為3，對活塞桿的強度進行校核。

(1)

式中：σ1max為活塞桿的最大等效應(yīng)力，MPa；σb1為活塞桿材料的屈服極限，MPa；σp1為許用應(yīng)力，MPa。

由式(1)可知，活塞桿強度滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求。

2.3.2 主油缸的靜力學分析

在泵送機構(gòu)中，主油缸所承受的壓力取為液壓系統(tǒng)的液壓油對缸內(nèi)壁的最大壓力，將主油缸的兩端固定，利用Ansys軟件對主油缸筒進行靜力學分析，得到主油缸的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知： 主油缸的最大等效應(yīng)力為182.25 MPa，發(fā)生在主油缸的兩固定端內(nèi)表面； 主油缸的最大變形量約為0.024 3 mm，發(fā)生在主油缸的兩固定端的外表面。

圖4 主油缸應(yīng)力云圖(單位： MPa)

圖5 主油缸變形云圖(單位： mm)

主油缸所選材料45鋼的屈服極限為610 MPa，結(jié)合主油缸的最大等效應(yīng)力182.25 MPa，參照《機械設(shè)計手冊》，選擇安全系數(shù)n2為3，對主油缸的強度進行校核。

(2)

式中：σ2max為主油缸的最大等效應(yīng)力，MPa；σb2為主油缸材料的屈服極限，MPa；σp2為許用應(yīng)力，MPa。

由式(2)可知，主油缸強度滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求。

2.3.3 混凝土輸送缸的靜力學分析

在泵送機構(gòu)中，混凝土輸送缸所承受的壓力取為混凝土對缸壁的最大壓力，將混凝土輸送缸的兩端固定，利用Ansys軟件對混凝土輸送缸進行靜力學分析，得到混凝土輸送缸的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知： 混凝土輸送缸的最大等效應(yīng)力為101.25 MPa，發(fā)生在混凝土輸送缸的兩固定端內(nèi)表面； 混凝土輸送缸的最大變形量約為0.019 4 mm，發(fā)生在混凝土輸送缸的兩固定端外表面。

圖6 混凝土輸送缸應(yīng)力云圖(單位： MPa)

圖7 混凝土輸送缸變形云圖(單位： mm)

Fig. 7 Deformation nephogram of concrete pumping cylinder(unit： mm)

混凝土輸送缸所選材料45鋼的屈服極限為610 MPa，結(jié)合混凝土輸送缸的最大等效應(yīng)力101.25 MPa，參照《機械設(shè)計手冊》選擇安全系數(shù)n3為3，對混凝土輸送缸的強度進行校核。

(3)

式中：σ3max為混凝土輸送缸的最大等效應(yīng)力，MPa；σb3為混凝土輸送缸材料的屈服極限，MPa；σp3為許用應(yīng)力，MPa。

由式(3)可知，混凝土輸送缸強度滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求。

2.4 S閥體的動力學分析

在泵送機構(gòu)中，S閥體不僅承受靜載荷的作用，還承受動載荷的作用，而瞬態(tài)分析是在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進行的。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，設(shè)置瞬態(tài)分析的頻率為20～100 Hz[8]，在動載荷的作用下，利用Ansys軟件對S閥體進行動力學分析[9]，得到S閥體的最大等效應(yīng)力隨頻率的變化曲線，如圖8所示。

圖8 應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線

S閥體所選材料ZGMn13高錳耐磨鋼的屈服極限為635 MPa，結(jié)合S閥體的最大等效應(yīng)力為394.78 MPa，參照《機械設(shè)計手冊》，在安全系數(shù)n4為1.5的條件下，對S閥體的強度進行校核。

(4)

式中：σ4max為S閥體的最大等效應(yīng)力，MPa；σb4為S閥體材料的屈服極限，MPa；σp4為許用應(yīng)力，MPa。

由式(4)可知，S閥體強度滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求。

3 S閥體的疲勞壽命計算

利用Ansys軟件對S閥體進行動態(tài)分析，可得S閥體的最大等效應(yīng)力為394.78 MPa、最小等效應(yīng)力為36.04 MPa。結(jié)合S閥體材料的應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線、線性累積損傷理論和應(yīng)力修正法[10-11]，計算平均應(yīng)力的修正應(yīng)力

(5)

式中：σn為修正應(yīng)力，MPa；σ5max為最大應(yīng)力，MPa；σ5min為最小應(yīng)力，MPa；σb5為材料的屈服極限，MPa。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(5)，可計算出修正應(yīng)力為271.38 MPa。

根據(jù)S閥體所選材料ZGMn13高錳耐磨鋼的固有特性，可知lgN0=6、lgσ0=7.94，再由S閥體的應(yīng)力-頻率響應(yīng)曲線圖可得lgN=2、lgσ=9.15，結(jié)合計算出的修正應(yīng)力σn，計算S閥體的疲勞壽命[12-15]，計算公式如下。

(6)

(7)

(8)

式中：N0為循環(huán)次數(shù)，取1×106；σ0為循環(huán)次數(shù)1×106時的應(yīng)力，MPa。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(6)—式(8)，可計算出S閥體的疲勞壽命N1=1.415×106，在疲勞敏感曲線的50%～90%內(nèi)，滿足S閥體疲勞壽命設(shè)計要求。

4 結(jié)論與討論

1) 本文介紹了一種窄體雙缸S閥混凝土輸送泵，通過改變元器件的結(jié)構(gòu)位置及對部分元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，使整機寬度在1.5 m以下，泵送能力達到42～72 m3/h。采用Ansys軟件對該混凝土輸送泵泵送機構(gòu)進行靜動態(tài)分析和疲勞分析，計算疲勞壽命，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

2) 本文采用虛擬仿真技術(shù)分析了窄體雙缸S閥混凝土輸送泵泵送機構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和疲勞壽命，為混凝土輸送泵易損件的疲勞壽命和可靠性分析提供了思路。下一步將對該窄體混凝土輸送泵進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗，并跟蹤試驗情況，以進一步完善該混凝土輸送泵。

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