小型混凝土泵車泵送行程試驗(yàn)及泵送性能測試研究

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖南長沙 410208; 2.湖南響箭重工科技有限公司,湖南常德 415000)

引言

小型混凝土泵車是指臂架長度在30 m左右，采用二橋底盤的泵車，具有結(jié)構(gòu)緊湊、臂架伸展回收靈活快捷、支腿占地空間小、整車移動(dòng)方便、機(jī)動(dòng)性好的特點(diǎn)。近年來，隨著新農(nóng)村建設(shè)及城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，國內(nèi)小型混凝土泵車進(jìn)入了高速發(fā)展階段，各廠家的競爭也趨于白熱化。由于小型混凝土泵車市場及施工的特殊性，其整機(jī)性能必須具有較高的性價(jià)比，尤其是泵送性能既要能滿足施工需要，又要簡單可靠。對于泵送系統(tǒng)中的油缸、密封、緩沖裝置、擺缸甚至整個(gè)系統(tǒng)，很多工程技術(shù)人員習(xí)慣在軟件中設(shè)置邊界條件進(jìn)行模擬仿真[1-6]。本研究基于一款新型的小型混凝土泵車開發(fā)，利用自行設(shè)計(jì)的行程測試裝置對油缸行程進(jìn)行測試，并使用相關(guān)儀器設(shè)備對其泵送性能進(jìn)行檢測，查找異常情況，為泵送系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 泵送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

泵送系統(tǒng)主要由泵送油缸、混凝土缸、水箱、料斗、擺動(dòng)油缸組成。兩支泵送油缸通過串聯(lián)油路相連，泵送油缸的結(jié)構(gòu)與一般油缸存在較大區(qū)別，油缸前端安裝有一副活塞，置于油缸前面混凝土缸中，油缸與混凝土缸分別安裝在1個(gè)水箱的兩端，當(dāng)1支油缸活塞向前運(yùn)動(dòng)推送混凝土?xí)r，另1支同時(shí)向后運(yùn)動(dòng)吸入混凝土，2支油缸反復(fù)交替，不斷推送混凝土。

小型混凝土泵車泵送液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。電液換向閥3的A，B口分別連接泵送油缸1，2的無桿腔，泵送油缸1，2的有桿腔通過外部管路互連，形成連通腔。在泵送油缸1，2的無桿腔底部均安裝有接近開關(guān)，當(dāng)活塞靠近接時(shí)接近開關(guān)經(jīng)發(fā)送一個(gè)到位信號給控制器。主液壓泵輸出的高壓油通過電液換向閥3的右位A口進(jìn)入泵送油缸1的無桿腔，推動(dòng)泵送油缸1活塞桿伸出。與此同時(shí)泵送油缸1有桿腔內(nèi)液壓油被擠壓，致使2個(gè)泵送主缸連通腔內(nèi)壓力升高；泵送油缸2有桿腔壓力升高，推動(dòng)活塞桿收回，其無桿腔液壓油通過電液換向閥3的B口進(jìn)入液壓油箱。當(dāng)泵送油缸2的活塞收回靠近接近開關(guān)時(shí)，控制器即接收到泵送油缸2的活塞收回到位信號。此時(shí)控制器讓電液換向閥3換向，使其工作在左位；主液壓泵輸出的高壓油通過電液換向閥3的右位B口進(jìn)入泵送油缸2的無桿腔。泵送油缸2活塞桿伸出而泵送油缸1收回， 如此往復(fù)，保證混凝土的持續(xù)輸出。在泵送油缸兩端均設(shè)置有單向閥，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到U形管之間時(shí)，單向閥打開將活塞兩側(cè)的油液短暫接通，完成緩沖制動(dòng)和連通腔內(nèi)油液與外部油液的交換，進(jìn)而降低連通腔內(nèi)的油溫。

1.左泵送油缸 2.右泵送油缸 3.電液換向閥 4.溢流閥圖1 泵送液壓系統(tǒng)原理圖

2 泵送行程試驗(yàn)

由上述泵送系統(tǒng)原理可知，在混凝土泵送的過程中，油缸行程過位會(huì)導(dǎo)致油缸活塞在運(yùn)動(dòng)到位后與止動(dòng)部件發(fā)生機(jī)械撞擊，而行程不到位會(huì)使砼活塞無法退到潤滑區(qū)域，導(dǎo)致活塞壽命和泵送效率降低。另外，行程不到位、分配系統(tǒng)換向與泵送油缸換向時(shí)序不匹配、空行程吸料等問題，也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的泵送方量偏小[7-8]。小型混凝土泵車的泵送方量一般不大，泵送系統(tǒng)對整機(jī)性能尤為重要。本研究利用自制的試驗(yàn)裝置對泵送油缸的行程進(jìn)行測試。

2.1 泵送油缸行程試驗(yàn)裝置

圖2是泵送油缸行程試驗(yàn)裝置，主要由安裝架、拉線式位移傳感器、橡膠輪三大部分組成。安裝架固定在泵送水箱上，并利用安裝架的橫梁和一對彈簧壓實(shí)在活塞桿上，然后把固定在安裝架上方的拉線式位移傳感器的拉線纏繞在橡膠輪上。當(dāng)活塞桿前進(jìn)或后退時(shí)，橡膠輪就纏繞拉線或者釋放拉線。這樣就把活塞桿的平動(dòng)轉(zhuǎn)化成了橡膠輪的轉(zhuǎn)動(dòng)， 進(jìn)而由拉線式位移傳感器的拉線反映出來，實(shí)際上也就測出了泵送油缸的行程[7-8]。

圖2 泵送油缸行程試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

油缸活塞結(jié)構(gòu)如圖3所示，活塞由OK圈、活塞體、導(dǎo)向環(huán)和感應(yīng)套組成。

1.OK形活塞密封 2.導(dǎo)向環(huán) 3.活塞體 4.感應(yīng)套 5.緩沖孔圖3 油缸活塞結(jié)構(gòu)

活塞前推或后退時(shí)，油缸的活塞體、導(dǎo)向環(huán)、感應(yīng)套依次經(jīng)過緩沖孔，直至緩沖孔完全外露。圖4為油缸U形管流量脈沖的實(shí)測結(jié)果，從圖中可以看出，U形管中的流量脈沖峰值大約為100 L/min左右。

圖5是泵送時(shí)測得的油缸行程流量曲線，從圖中可以看出此工況下泵送油缸的行程和U形管流量脈沖的變化。從所測油缸行程試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，此新款小型混凝土泵車的泵送油缸行程與設(shè)計(jì)基本相符。為進(jìn)一步了解其泵送性能，將對該泵送系統(tǒng)進(jìn)行泵送性能測試。

圖4 U形管脈沖流量曲線

圖5 油缸行程流量曲線

3 泵送性能測試

混凝土泵車在試制時(shí)，通常模擬打料工況進(jìn)行調(diào)試。本次試驗(yàn)將在空泵與打水工況下測試泵送系統(tǒng)閥的壓降、響應(yīng)，泵送壓力沖擊，泵送行程，泵送振動(dòng)及分配緩沖等，查找異常情況，為泵送系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化提供依據(jù)[9-12]。

3.1 測試儀器

測試儀器主要包括壓力傳感器、流量傳感器、加速度傳感器，NI數(shù)采系統(tǒng)等，具體見表1。

表1 試驗(yàn)儀器一覽表

3.2 測試工況

模擬泵送系統(tǒng)打料的空泵工況和25 MPa壓力下的打水工況。

3.3 測試數(shù)據(jù)分析

1) 空泵特性

分別選擇空泵滿擋10擋、空泵6擋、空泵3擋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖6所示是測試系統(tǒng)傳感器加速度坐標(biāo)方向(泵送時(shí)，順著油缸方向即X方向?yàn)橹饕駝?dòng)方向)，圖7～圖9為空載泵送特性曲線圖。

圖6 加速度坐標(biāo)方向

從上述空載泵送特性圖可以看出:不同擋位泵送特性曲線走勢基本一致，即主泵P曲線先于泵送先導(dǎo)A曲線和泵送先導(dǎo)B曲線發(fā)生突變，油缸接近開關(guān)曲線隨即也出現(xiàn)變化且與油缸壓力曲線沒有完全重合。從圖7可知，滿擋10擋時(shí)， 泵送換向相關(guān)的壓力曲線走勢比較平緩；從圖8、圖9可知，泵送油缸壓力， 分配壓力等曲線的走勢與實(shí)際基本相符。

圖7 空泵10擋特征曲線

圖8 空泵6擋特征曲線

圖9 空泵3擋特征曲線

根據(jù)特性圖及上述分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 油缸及水箱接近開關(guān)都有感應(yīng)信號輸出，說明泵送行程前后都是到位的，這與前面泵送行程測試的數(shù)據(jù)相符?？毡脻M擋10擋時(shí)，泵送流量最大，此時(shí)泵送換向閥壓差約為0.5 MPa，可以滿足系統(tǒng)要求。空泵6擋、3擋時(shí)，泵送壓力，流量、換向加速度等泵送性能參數(shù)基本正常；

(2) 空載泵送時(shí)，在先導(dǎo)控制壓力未變化前，主油泵的泵送壓力突然升高，這時(shí)油缸接近開關(guān)先于水箱接近開關(guān)發(fā)送信號，且油缸接近開關(guān)信號與壓力突變有時(shí)間間隔?；谝陨咸卣骺梢耘袛?，空泵時(shí)出現(xiàn)了撞缸現(xiàn)象(撞泵送油缸前部，現(xiàn)場的撞擊聲音也驗(yàn)證了此點(diǎn))；

(3) 左油缸縮回右油缸伸出即右缸泵送，在換向開始時(shí)加速度有波動(dòng)，但行程值在可接受范圍內(nèi)；在換向完成時(shí)加速度值突然上升超出傳感器量程，而右油缸縮回左油缸伸出即左缸泵送，加速度值則小很多(加速度代表振動(dòng)，超量程說明晃動(dòng)厲害肉眼可辨別)。

2) 打水特性

分別選擇典型的打水10擋、8擋、5擋、3擋、2擋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖10～圖14分別為打水泵送特性圖。

圖10 打水10擋特征曲線

圖11 打水8擋特征曲線

圖12 打水5擋特征曲線

圖13 打水3擋特征曲線

圖14 打水2擋特征曲線

從上述泵送打水特性圖可以看出:不同擋位泵送特性曲線走勢基本一致，且同一擋位左右缸泵送特性曲線走勢基本相同。與空泵特性不同的是：水箱接近開關(guān)曲線變化出現(xiàn)在油缸接近開關(guān)曲線之前，所有測試擋位的左缸分配換向特征曲線比右缸分配換向特征曲線顯示的加速度值要大。

根據(jù)特性圖及上述分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 泵送時(shí)，水箱接近開關(guān)先于油缸接近開關(guān)發(fā)送信號，10擋時(shí)，右油缸縮回左油缸伸出即左缸泵送，在換向完成時(shí)加速度值突然上升超出傳感器量程(與空泵相反)；擋位降低，加速度幅值減小，5擋及以下，加速度幅值較小，說明擋位較低時(shí)，振動(dòng)較小，與實(shí)際相符；

(2) 左油缸縮回右油缸伸出在將換向時(shí)即右缸泵送時(shí)，先導(dǎo)壓力未下降(泵送現(xiàn)場觀察電磁閥及液動(dòng)閥都未換向)，主泵及右油缸壓力先下降； 而右油缸縮回左油缸伸出即左缸泵送時(shí)，泵送換向時(shí)主泵及油缸壓力變化正常。

3) 分配壓力特性

分配系統(tǒng)壓力的大小關(guān)系到泵送擺動(dòng)油缸的力度，分配壓力過大將使S閥產(chǎn)生快速的沖擊及噪聲，引起整個(gè)泵送單元的慣性沖擊和振動(dòng)增大，同時(shí)也造成不必要的能量損失；分配壓力過小，將使擺動(dòng)油缸無力，影響泵送效率。為檢測試制新車泵送系統(tǒng)的分配壓力，對滿擋空泵10擋、打水10擋的分配壓力進(jìn)行檢測。圖15、圖16分別為空泵10擋、打水10擋的分配壓力特性曲線圖。

圖15 空泵10擋特征曲線

從上述空泵、打水分配壓力特性圖可以看出:分配P曲線均出現(xiàn)了尖角突變，分配擺缸曲線也出現(xiàn)了同樣變化，且兩曲線均出現(xiàn)波浪走勢。

圖16 打水10擋特征曲線

根據(jù)特性圖及上述分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 在分配擺缸動(dòng)作的時(shí)候分配壓力突然上升，產(chǎn)生壓力沖擊(空泵及打水都存在此現(xiàn)象)，并存在壓力振蕩。這說明在分配換向閥換向后，蓄能器瞬間釋放液壓油，而S閥存在慣性造成了壓力沖擊，此壓力沖擊及后續(xù)的振蕩對先導(dǎo)控制壓力也會(huì)有影響；

(2) 擺缸運(yùn)動(dòng)到緩沖區(qū)后，緩沖腔壓力上升至25 MPa，分配壓力為16 MPa，說明擺缸運(yùn)動(dòng)到底時(shí)有緩沖作用。

4 結(jié)論

本研究利用自行設(shè)計(jì)的油缸行程測試裝置測試了小型混凝土泵車的泵送油缸行程，使用測量儀器檢測了小型混凝土泵車模擬工況時(shí)的泵送性能。從上述試驗(yàn)及測試數(shù)據(jù)可以得到該新款小型混凝土泵車泵送系統(tǒng)如下結(jié)論：

(1) 泵送油缸行程與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，可以滿足使用要求；

(2) 泵送換向閥最大壓力損失約為0.5 MPa，滿足系統(tǒng)要求；

(3) 在所有工況擋位下，水箱及油缸接近開關(guān)都能正常感應(yīng)信號，換向信號點(diǎn)位置為25～35 mm左右(即換向信號點(diǎn)距離活塞工作時(shí)退回的最大位置)，油缸接近開關(guān)信號點(diǎn)位置為65 mm，從數(shù)據(jù)可看出在活塞向前經(jīng)過信號點(diǎn)后又前進(jìn)了一段時(shí)間，說明泵送行程前后均可到達(dá)合理區(qū)域，與前面所測油缸行程吻合；

(4) 空泵時(shí)，活塞有撞擊泵送油缸前端的現(xiàn)象，使水箱接近開關(guān)前移可以解決此問題；

(5) 在分配擺缸動(dòng)作的時(shí)候分配壓力突然上升，產(chǎn)生壓力沖擊及振蕩，而分配壓力變化曲線平緩，加裝球閥可以消除沖擊及振蕩；

(6) 經(jīng)過局部改進(jìn)后，該小型混凝土泵車的泵送系統(tǒng)滿足使用要求。