混凝土泵送緩沖技術(shù)研究

石小虎，張聲軍，曹國(guó)巍，魏 乾，周 磊，陳煒寧

SHI Xiao-hu,ZHANG Sheng-jun,CAO Guo-wei,WEI Qian,ZHOU Lei,CHEN Wei-ning

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055；2.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065001；3.北京建筑機(jī)械化研究院有限公司，北京 100007）

1 研究背景

混凝土泵送設(shè)備已有近100 年的發(fā)展歷史，其廣泛應(yīng)用于高層建筑、地下交通、鐵路、公路、隧道、水電、風(fēng)電及礦山等工程?；炷帘门c混凝土攪拌運(yùn)輸車配套使用可實(shí)現(xiàn)混凝土的連續(xù)輸送，這種施工方式具有施工成本低、施工效率高、設(shè)備可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，混凝土泵送設(shè)備迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇，從早期引進(jìn)國(guó)外設(shè)備至國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展歷程，我國(guó)已是混凝土泵的制造強(qiáng)國(guó)，其中S 閥換向的混凝土泵送設(shè)備應(yīng)用較為廣泛。

然而混凝土泵在工作時(shí)由于輸送缸交替吸料、泵料、S 閥周期性換向等因素的影響下，混凝土在泵管布料端呈現(xiàn)周期性流動(dòng)—停流—流動(dòng)的狀態(tài)稱之為“脈動(dòng)”，這種“脈動(dòng)”引起泵送設(shè)備、布料機(jī)構(gòu)、輸送管道出現(xiàn)周期性振動(dòng)，嚴(yán)重影響泵送設(shè)備、布料機(jī)構(gòu)的壽命，周期性振動(dòng)有時(shí)會(huì)引發(fā)泵車、布料機(jī)的疲勞破壞，甚至?xí)l(fā)安全事故，泵管的周期性抖動(dòng)對(duì)尚未達(dá)到強(qiáng)度的混凝土建筑非常不利，針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)不斷流的泵送緩沖技術(shù)。

2 泵送脈沖產(chǎn)生的原因分析

如圖1 所示，S 閥混凝土泵的工作原理是：在主油缸的作用下帶動(dòng)活塞在輸送缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分配閥交替作用下將輸送缸與S 閥、泵管交替連通，實(shí)現(xiàn)混凝土的正泵和反泵。當(dāng)主油缸1 到達(dá)前行程止點(diǎn)時(shí)，主油缸停止向前推活塞，設(shè)置在水箱內(nèi)的接近開(kāi)關(guān)與控制系統(tǒng)的作用下S 閥換向，當(dāng)S 閥換向結(jié)束后輸送缸、S 閥、泵管連通，主油缸2 與其連接的活塞向前推送混凝土，進(jìn)入右缸泵送模式，通過(guò)左右缸的交替作用完成混凝土的泵送。

圖1 泵送原理圖

分析其工作原理可知，產(chǎn)生泵送“脈沖”的原因如下。

1）當(dāng)輸送缸到達(dá)行程止點(diǎn)、S 閥換向、另外一根輸送缸開(kāi)始泵料的Δt 時(shí)間段內(nèi)混凝土不向外輸送混凝土。

2）如圖2 所示，S 閥換向時(shí)間段內(nèi)，左右輸送缸出口、S 閥進(jìn)漿口、料斗四者連通，管道內(nèi)的高壓混凝土在自重壓力下回流，造成混凝土在料斗中內(nèi)泄。

圖2 混凝土在自重的作用下返流示意圖

3）在大氣壓下混凝土在輸送缸內(nèi)的流動(dòng)速度小于活塞的抽拉速度，活塞與混凝土之間產(chǎn)生真空段，吸漿不飽滿。

在上述各種原因的影響下，普通S 閥換向的混凝土泵布料端混凝土的流量與時(shí)間的關(guān)系如圖3 所示，呈現(xiàn)周期性流動(dòng)—停滯—流動(dòng)的狀態(tài)。

圖3 混凝土泵布料端混凝土流量與時(shí)間關(guān)系

3 泵送緩沖的方案研究

3.1 研究思路

鑒于上述分析，S 閥換向的混凝土泵泵送“脈沖”是由多種因素產(chǎn)生的，需要針對(duì)產(chǎn)生泵送“脈沖”的各種原因逐一解決，從以下方面入手。

1）縮短S閥換向所需的時(shí)間，減少停滯時(shí)間。

2）管路與S 閥之間設(shè)置截止閥，S 閥換向時(shí)截?cái)喔邏夯炷粱亓鞯耐ǖ馈?/p>

3）在料斗出口與泵管之間加補(bǔ)償裝置。

4）為獲得更加平穩(wěn)的混凝土流，需要更加貼近的邏輯控制系統(tǒng)。

3.2 泵送緩沖的研究與設(shè)計(jì)

3.2.1 泵送緩沖方案的研究

本文提出的泵送緩沖方案如圖4 所示，其工作原理如下：左缸泵入管道的混凝土一部分通過(guò)管道泵送至布料端，一部分被吸入補(bǔ)償系統(tǒng)暫存，當(dāng)左缸活塞運(yùn)動(dòng)至接近行程止點(diǎn)的位置時(shí)，補(bǔ)償系統(tǒng)吸滿了混凝土，布置在水箱內(nèi)右缸活塞桿上方的信號(hào)采集器a 采集到左缸即將到達(dá)行程止點(diǎn)的信號(hào)，控制系統(tǒng)收到信號(hào)后控制補(bǔ)償缸液壓閥換向，補(bǔ)償缸的液壓油缸推動(dòng)缸活塞向管道泵送混凝土，通過(guò)補(bǔ)償缸的作用保證活塞到達(dá)行程止點(diǎn)時(shí)混凝土仍在管道內(nèi)維持原來(lái)的速度流動(dòng)。當(dāng)信號(hào)采集裝置b 采集到信號(hào)后，控制系統(tǒng)收到信號(hào)后控制液壓馬達(dá)的液壓閥換向，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式阻回系統(tǒng)回轉(zhuǎn)，在液壓馬達(dá)與機(jī)械限位的作用下阻回閥旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)泵送管道與S 閥不連通。當(dāng)信號(hào)采集裝置c 采集到信號(hào)，控制系統(tǒng)收到信號(hào)后控制S 閥換向的液壓閥換向，S閥換向結(jié)束后旋轉(zhuǎn)閥反向旋轉(zhuǎn)90°，補(bǔ)償缸繼續(xù)向管道泵送混凝土，與此同時(shí)右缸向前泵送混凝土，當(dāng)壓力檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到壓力穩(wěn)定后緩沖缸開(kāi)始吸料，下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始，通過(guò)左右缸、旋轉(zhuǎn)式阻回裝置及補(bǔ)償缸的交替往復(fù)作用下實(shí)現(xiàn)混凝土泵的無(wú)脈沖泵送，其控制時(shí)序如圖5 所示。

圖4 泵送緩沖技術(shù)原理示意圖

圖5 泵送緩沖時(shí)序圖

3.2.2 補(bǔ)償缸的流速分析及行程設(shè)計(jì)

由于混凝土在管道內(nèi)不被壓縮，混凝土泵高壓泵送時(shí)，活塞向前推送混凝土過(guò)程中泵的出口處混凝土的流動(dòng)速度為

其中，d1為輸送缸的直徑，d2為輸送管的直徑，L 為輸送缸的行程，t 為輸送缸每個(gè)行程的平均時(shí)間，Δt 為行程止點(diǎn)至另外一個(gè)輸送缸穩(wěn)定流出混凝土的時(shí)間總和，則有

緩沖型泵送設(shè)備泵出的混凝土流入管道與補(bǔ)償缸，則有

其中，Q1為單次行程混凝土流入管道中的方量，Q2為補(bǔ)償缸吸漿方量，由于泵送緩沖設(shè)備任何時(shí)刻管道內(nèi)的混凝土流速恒定，則有

綜上所述，泵送每個(gè)行程內(nèi)需要將一定方量的混凝土緩慢吸入補(bǔ)償缸，在主油缸到達(dá)行程止點(diǎn)后將其快速泵出，實(shí)現(xiàn)混凝土在管道內(nèi)恒速流動(dòng)，達(dá)到無(wú)脈沖的泵送效果，其效果圖如圖6 所示。

圖6 泵送緩沖示意圖

由于高壓大排量泵送時(shí)單次行程所需的時(shí)間t 遠(yuǎn)大于低壓小排量泵送狀態(tài)，由式（3）可知，高壓泵送時(shí)吸入補(bǔ)償缸的混凝土方量小于低壓大排量時(shí)的混凝土方量，而一定型號(hào)的混凝土泵Δt 是一個(gè)常數(shù)，因此低壓泵送時(shí)補(bǔ)償缸的吸漿速度及出漿速度要大于高壓小排量，補(bǔ)償缸所需的行程更大，考慮設(shè)備高低壓泵送功能的需要，補(bǔ)償缸的長(zhǎng)度應(yīng)大于低壓泵送的行程，控制系統(tǒng)要兼?zhèn)涓叩蛪呵袚Q功能的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)旋轉(zhuǎn)式截止閥、補(bǔ)償缸及控制系統(tǒng)的緊密配合理論上可以實(shí)現(xiàn)S 閥混凝土泵的無(wú)“脈沖”泵送。

2）S 閥混凝土泵的泵送緩沖系統(tǒng)需具備高壓泵送、低壓泵送分別控制的功能。

3）高壓泵送時(shí)所吸入補(bǔ)償缸的混凝土方量小于低壓大排量時(shí)的混凝土方量。

4）高壓泵送、低壓泵送的行程不一致，補(bǔ)償缸長(zhǎng)度取決于低壓泵送的行程。