不同工況下混凝土泵車長(zhǎng)距離泵送負(fù)載壓力變化特征

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

0 引言

混凝土泵送施工在現(xiàn)代鐵路、公路、水利、建筑等工程建設(shè)中十分常見(jiàn)，但是在混凝土泵送施工過(guò)程中，混凝土泵車的臂架和底架往往會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，這會(huì)造成混凝土在輸料管中的流動(dòng)變?yōu)榉嵌ǔＡ?，特別是在一些特殊高層(如橋梁、高層建筑)的施工中，往往需要用到長(zhǎng)距離的混凝土泵送輸料管才能將混凝土供給到指定澆筑位置，使得臂架和底架的振動(dòng)情況更加復(fù)雜[1-3]。臂架和底架的振動(dòng)往往是因?yàn)榛炷猎诒盟瓦^(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)載壓力波動(dòng)所引起的，因此，對(duì)泵送負(fù)載壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可以有助于泵車臂架、底架的振動(dòng)研究，為后續(xù)的泵車改良提供指導(dǎo)意見(jiàn)，同時(shí)還能為實(shí)際工程提供泵送施工指導(dǎo)，減少泵車在施工過(guò)程中堵管現(xiàn)象的發(fā)生[4-5]。

召夸至瀘西高速公路橋梁工程耿家村1、2號(hào)橋均采用混凝土預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工，在混凝土澆筑過(guò)程中采用JH38-RZ型混凝土泵車，但是受地形限制，混凝土泵車臂架形態(tài)難以控制，導(dǎo)致泵送施工過(guò)程中多次出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，為了解決這一問(wèn)題，項(xiàng)目部成立了問(wèn)題攻關(guān)小組，專門(mén)對(duì)混凝土泵送問(wèn)題展開(kāi)研究，以期能為工程實(shí)踐提供幫助。

1 混凝土泵車簡(jiǎn)介

JH38-RZ型混凝土泵車屬于液壓傳動(dòng)活塞式泵車，主要由汽車底盤(pán)、混凝土泵、底架系統(tǒng)以及臂架系統(tǒng)等四大結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖1。JH38-RZ型混凝土泵車的主要技術(shù)參數(shù)為：最大理論輸送量140 m3/h，混凝土最大出口壓力12 MPa，額定工作壓力32 MPa，泵送頻率為16～29/min，混凝土缸徑×行程=230 mm×1650 mm，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度為375°，最大布料(高度/半徑/深度)=37 m/33 m/21.2 m，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為180～340 HP。

圖1 JH38-RZ型混凝土泵車結(jié)構(gòu)

按照泵車各結(jié)構(gòu)的功能劃分，又可將混凝土泵車劃分為泵送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)三大控制系統(tǒng)，其中：泵送系統(tǒng)的主要作用是通過(guò)泵送單元將高壓油箱中的壓力轉(zhuǎn)化為活塞的推力，從而推動(dòng)泵送輸料管中的混凝土向目標(biāo)位置移動(dòng)；液壓系統(tǒng)的主要作用是控制高壓油流向主油缸，再利用主換向閥、分配閥換向閥的控制，使兩個(gè)混凝土輸送缸連續(xù)交替不斷地向輸料管輸送混凝土；電氣控制系統(tǒng)由測(cè)量單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、控制對(duì)象以及機(jī)交互單元等四部分組成，主要作用是對(duì)混凝土泵車的液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，從而使混凝土泵車達(dá)到良好的工作狀態(tài)[6-8]。

2 負(fù)載壓力計(jì)算模型

混凝土泵車在施工運(yùn)行過(guò)程中，受不同澆筑位置的影響，其臂架將處于類水平狀態(tài)、M形姿態(tài)或者弧形姿態(tài)等不同的工況下，因此泵送過(guò)程中的負(fù)載壓力是十分復(fù)雜的。按照負(fù)載壓力的相關(guān)理論，混凝土泵車的泵送負(fù)載壓力應(yīng)等于混凝土輸料管的沿程壓力損失和彎管、錐管及其他附件引起的局部壓力損失之和，但是由于泵送管道處于不同的形態(tài)中時(shí)，其管道中的二次回流、顆粒間的碰撞及沖擊情況也會(huì)存在顯著變化，導(dǎo)致混凝土在泵送過(guò)程中的壓力損失變化更加復(fù)雜。為了便于分析，本文基于相關(guān)研究結(jié)果，將彎管、錐管引起的局部損失等效于一定長(zhǎng)度的水平直管的壓力損失，其計(jì)算模型為：

(1)

式中：x表示直管段的長(zhǎng)度，m；y表示彎管等效的直管長(zhǎng)度，m；z表示錐管等效的直管長(zhǎng)度，m；w表示其他附件等效的直管長(zhǎng)度，m；l、m、n分別表示彎管、錐管以及其他附件的數(shù)量，個(gè)；h表示泵送高度，m；V表示混凝土速度，m/s；ρ表示混凝土密度，kg/m3。

對(duì)于90°彎管而言，一般R為0.5～1.0 m，水平換算長(zhǎng)度取6.0 m，對(duì)于100～175 mm的錐形管而言，水平換算長(zhǎng)度取3.0 m，對(duì)于5～8 m的軟管而言，水平換算長(zhǎng)度一般取20 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

將壓力傳感器安裝在主油泵出油口，測(cè)得混凝土泵送過(guò)程中主油泵的壓力，由于主油泵至主油缸無(wú)桿腔的壓力損失非常小，可忽略不計(jì)，因此，測(cè)得壓力值近似等于主油缸無(wú)桿腔的壓力，主油缸無(wú)桿腔的壓力與泵車負(fù)載壓力之間存在一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此通過(guò)測(cè)量主油泵的壓力就可以估算達(dá)到泵車在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的負(fù)載壓力變化。測(cè)試原理見(jiàn)圖2。

圖2 負(fù)載壓力測(cè)試原理

3.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)過(guò)程中，將混凝土臂架調(diào)整為三種工況：水平工況、M 形工況和弧形工況。由于該型號(hào)混凝土泵車有6節(jié)臂架，為了確保在同一工況下每節(jié)臂架的姿態(tài)保持不變，將每種工況下每節(jié)臂架的傾角進(jìn)行了規(guī)定，并通過(guò)安裝傾角傳感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)控。臂架傾角參數(shù)設(shè)置情況見(jiàn)圖3和表1。

圖3 試驗(yàn)工況示意

表1 臂架傾角設(shè)置

3.3 試驗(yàn)步驟

首先， 按照工程中最常用的C30配合比進(jìn)行混凝土拌制，然后通過(guò)坍落度試驗(yàn)測(cè)得混凝土的坍落度為180 mm，為混凝土的摩擦力取值提供依據(jù)。然后，在混凝土泵車主油泵出口處安裝好壓力傳感器，壓力傳感器型號(hào)采用ifmPT5560，輸出電流范圍為4～20 mA，可測(cè)量0～60 MPa的壓力變化；在每節(jié)臂架上安裝好傾角傳感器，以控制泵送臂架的姿態(tài)。接著，調(diào)整臂架姿態(tài)為水平姿態(tài)，混凝土泵送擋位設(shè)置為5檔，開(kāi)始進(jìn)行混凝土泵送施工，測(cè)量主油泵壓力值和臂架傾角的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。緊跟著，將臂架姿態(tài)調(diào)整為弧形姿態(tài)，混凝土泵送擋位也設(shè)置為5檔，進(jìn)行混凝土泵送施工，測(cè)量主油泵壓力值和臂架傾角的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。最后，將臂架姿態(tài)調(diào)整為M形姿態(tài)，混凝土泵送擋位仍然設(shè)置為5檔，進(jìn)行混凝土泵送施工，測(cè)量主油泵壓力值和臂架傾角的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 類水平工況

采用負(fù)載壓力計(jì)算模型對(duì)類水平工況下的泵送負(fù)載壓力進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可知：采用負(fù)載壓力模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，負(fù)載壓力呈明顯的周期性變化特征，且每隔3.8 s就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)載壓力沖擊峰值，沖擊壓力峰值約等于4.94 MPa，其后負(fù)載壓力略有降低，然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值，穩(wěn)定負(fù)載壓力約為3.73 MPa；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的類水平工況下，混凝土泵車的負(fù)載壓力也呈周期性的變化特征，但每次的負(fù)載壓力峰值略有波動(dòng)，表現(xiàn)為間隔性忽高忽低的變化特征，最大負(fù)載壓力峰值約為4.95 MPa，與模型計(jì)算值僅相差0.2%，在平穩(wěn)推送階段，雖然負(fù)載壓力呈動(dòng)態(tài)波動(dòng)特征，但波動(dòng)幅度不大，且與負(fù)載壓力峰值一樣，平穩(wěn)推送階段的負(fù)載壓力也呈間隔性的高低變化，即穩(wěn)定階段負(fù)載壓力為3.72 MPa→3.32 MPa→3.72 MPa→3.32 MPa的循環(huán)變化特征，這是因?yàn)榛炷帘密囋趯?shí)際泵送施工中，由于有兩個(gè)輸送缸交替為輸料管輸送混凝土，當(dāng)主換向閥、分配閥換向閥進(jìn)行換向操作時(shí)，存在一個(gè)時(shí)間差，此時(shí)壓力還來(lái)不及補(bǔ)充，因而壓力會(huì)略有降低并呈周期間隔性變化。

圖4 類水平工況下負(fù)載壓力變化

4.2 弧形工況

弧形工況下模型計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)負(fù)載壓力變化結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中可知：當(dāng)混凝土泵車處于弧形工況下時(shí)，通過(guò)模型計(jì)算得到的負(fù)載壓力變化特征與類水平工況基本一致，周期間隔時(shí)間也為3.8 s，負(fù)載沖擊壓力峰值約等于4.96 MPa，穩(wěn)定推送階段的負(fù)載壓力約等于3.74 MPa；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)所得的負(fù)載壓力變化與類水平工況時(shí)表現(xiàn)也基本一致，負(fù)載沖擊壓力峰值和穩(wěn)定推送階段的負(fù)載壓力呈周期性間隔性的高低變化，最大負(fù)載沖擊壓力峰值約為5.08 MPa，與模型計(jì)算相差2.5%，而穩(wěn)定階段負(fù)載壓力為3.2 MPa→3.53 MPa→3.2 MPa→3.53 MPa循環(huán)變化。

4.3 M形工況

同理，可通過(guò)模型計(jì)算和試驗(yàn)得到M形工況下的負(fù)載壓力變化情況，見(jiàn)圖6。從圖6中可知：在M形工況下，模型計(jì)算的穩(wěn)定階段的負(fù)載壓力與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的實(shí)際負(fù)載壓力最為接近，模型計(jì)算的推送階段的穩(wěn)定負(fù)載壓力值為3.75 MPa，而現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的實(shí)際負(fù)載壓力呈3.77 MPa→3.67 MPa→3.77 MPa→3.67 MPa循環(huán)變化，周期間隔的高低變化特征已不那么明顯；對(duì)于負(fù)載沖擊壓力峰值，模型計(jì)算得到的約為4.96 MPa，而試驗(yàn)所測(cè)壓力峰值為4.323 MPa，兩者相差14.9%。在M形工況下，推送混凝土加速的時(shí)間相較于類水平工況或者弧形工況均較長(zhǎng)，這就會(huì)導(dǎo)致負(fù)載壓力沖擊的峰值減小，從而使得在M形工況下混凝土泵車泵送較為困難，容易出現(xiàn)混凝土堵管現(xiàn)象，因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，一般不允許泵車臂架呈M形狀態(tài)。

圖5 弧形工況下負(fù)載壓力變化

圖6 M形工況下負(fù)載壓力變化

4.4 討論

從不同工況下泵送壓力的變化特征可知，主油泵的圧力曲線變化規(guī)律基本一致，在一個(gè)泵送周期內(nèi)，先是經(jīng)過(guò)減速換向階段使壓力降低至最低點(diǎn)，然后又迅速進(jìn)入加速換向階段將壓力提升至負(fù)載壓力沖擊峰值，最后再減速至平穩(wěn)推送階段，此時(shí)壓力基本保持恒定。在三種不同工況下，負(fù)載壓力相差不大，表明在混凝土輸料管布置長(zhǎng)度一定的情況下，泵送高度對(duì)負(fù)載壓力的影響較小。模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果基本保持一致，表明將泵送混凝土?xí)r的局部損失等效于一定長(zhǎng)度的水平直管壓力是合理可行的，具有較高的計(jì)算準(zhǔn)確性，可大大簡(jiǎn)化計(jì)算分析過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)JH38-RZ型混凝土泵車，提出將彎管、錐管引起的局部壓力損失等效于一定長(zhǎng)度的水平直管的壓力損失，并給出了計(jì)算模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了水平、M 形和弧形三種工況下泵送負(fù)載壓力的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：(1)不同工況下混凝土泵送負(fù)載壓力均經(jīng)歷減速換向-加速換向-減速至平穩(wěn)推送三個(gè)階段；(2)當(dāng)混凝土輸料管布置相同時(shí)，泵送高度(臂架形式)對(duì)負(fù)載壓力的影響較小；(3)模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，表明給出的泵送負(fù)載壓力計(jì)算模型合理、準(zhǔn)確；(4)為減少堵管現(xiàn)象發(fā)生，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)盡量避免M形工況下施工。