雙缸式混凝土輸送泵泵送機構的有限元分析

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備中心， 河南 洛陽 471009； 2. 武漢城市職業學院， 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備，能夠將泵的液壓能轉化成機械能，通過管道輸送混凝土[1-2]。目前，國內設計的雙缸60混凝土輸送泵的結構寬度均在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混凝土輸送泵結構寬度在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。我國中西部地區地質條件較差，運輸能力要求相對較低，鐵路隧道以單線為主，其設計斷面窄，洞內錯車困難，亟需研制一款輸送量大、泵送距離遠、設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，闡述其結構和工作原理，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 泵送機構的結構設計及工作原理

1.1 泵送機構的結構設計

泵送機構是混凝土輸送泵的執行機構，能夠將系統的液壓能轉化成執行機構的機械能，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不斷輸送至澆筑部位。混凝土輸送泵采用雙缸式泵送機構，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泵送機構結構圖

Fig. 1 Sketch of pumping structure

泵送機構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，實現雙缸式混凝土泵連續不斷地泵送混凝土。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。將洗滌室設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； 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生的大頻率震動的危害。混凝土輸送泵的工作性能如表1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 泵送機構的工作原理

當混凝土泵送機構處于泵送狀態時，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)內的混凝土輸送至S閥內進行攪拌，再經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，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。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，使換向開關接通，控制系統發出電信號，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泵送動作。

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

2 泵送機構的有限元分析

2.1 模型建立

泵送機構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，忽略焊縫對零件結構性能的影響； 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軟件建立泵送機構的三維模型，將簡化后的各關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進行設定，然后導入三維模型[4]，并將各關鍵部件三維模型的單元格尺寸設置為5 mm，對活塞桿、主油缸和混凝土輸送缸進行網格劃分。

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置為固定約束[5-7]，在主油缸和混凝土輸送缸的內壁施加徑向壓力，壓力值分別取主油缸設計理論壓力值和混凝土泵送理論壓力值的1.2倍。在最大受力狀態下，分析各關鍵部件的變形量和應力，各關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 泵送機構的靜力學分析

2.3.1 活塞桿的靜力學分析

在泵送機構中，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力為139.15 MPa，發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，發生在活塞桿的固定端。

圖2 活塞桿應力云圖(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，結合活塞桿的最大等效應力139.15 MPa，參照《機械設計手冊》選擇安全系數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力，MPa；σb1為活塞桿材料的屈服極限，MPa；σp1為許用應力，MPa。

由式(1)可知，活塞桿強度滿足結構強度設計要求。

2.3.2 主油缸的靜力學分析

在泵送機構中，主油缸所承受的壓力取為液壓系統的液壓油對缸內壁的最大壓力，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力為182.25 MPa，發生在主油缸的兩固定端內表面； 主油缸的最大變形量約為0.024 3 mm，發生在主油缸的兩固定端的外表面。

圖4 主油缸應力云圖(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，結合主油缸的最大等效應力182.25 MPa，參照《機械設計手冊》，選擇安全系數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力，MPa；σb2為主油缸材料的屈服極限，MPa；σp2為許用應力，MPa。

由式(2)可知，主油缸強度滿足結構強度設計要求。

2.3.3 混凝土輸送缸的靜力學分析

在泵送機構中，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力為101.25 MPa，發生在混凝土輸送缸的兩固定端內表面； 混凝土輸送缸的最大變形量約為0.019 4 mm，發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，結合混凝土輸送缸的最大等效應力101.25 MPa，參照《機械設計手冊》選擇安全系數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力，MPa；σb3為混凝土輸送缸材料的屈服極限，MPa；σp3為許用應力，MPa。

由式(3)可知，混凝土輸送缸強度滿足結構強度設計要求。

2.4 S閥體的動力學分析

在泵送機構中，S閥體不僅承受靜載荷的作用，還承受動載荷的作用，而瞬態分析是在模態分析的基礎上進行的。根據模態分析的結果，設置瞬態分析的頻率為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閥體的最大等效應力隨頻率的變化曲線，如圖8所示。

圖8 應力-頻率響應曲線

S閥體所選材料ZGMn13高錳耐磨鋼的屈服極限為635 MPa，結合S閥體的最大等效應力為394.78 MPa，參照《機械設計手冊》，在安全系數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閥體的最大等效應力，MPa；σb4為S閥體材料的屈服極限，MPa；σp4為許用應力，MPa。

由式(4)可知，S閥體強度滿足結構強度設計要求。

3 S閥體的疲勞壽命計算

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

(5)

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

將相關數據帶入式(5)，可計算出修正應力為271.38 MPa。

根據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閥體的應力-頻率響應曲線圖可得lgN=2、lgσ=9.15，結合計算出的修正應力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為循環次數，取1×106；σ0為循環次數1×106時的應力，MPa。

將相關數據帶入式(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，滿足S閥體疲勞壽命設計要求。

4 結論與討論

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構位置及對部分元器件結構設計，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進行靜動態分析和疲勞分析，計算疲勞壽命，驗證結構設計的合理性。

2) 本文采用虛擬仿真技術分析了窄體雙缸S閥混凝土輸送泵泵送機構的應力、應變和疲勞壽命，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場應用試驗，并跟蹤試驗情況，以進一步完善該混凝土輸送泵。

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