小型混凝土泵車泵送行程試驗及泵送性能測試研究

(1.湖南工業職業技術學院機械工程學院,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，具有結構緊湊、臂架伸展回收靈活快捷、支腿占地空間小、整車移動方便、機動性好的特點。近年來，隨著新農村建設及城鎮化的推進，國內小型混凝土泵車進入了高速發展階段，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，其整機性能必須具有較高的性價比，尤其是泵送性能既要能滿足施工需要，又要簡單可靠。對于泵送系統中的油缸、密封、緩沖裝置、擺缸甚至整個系統，很多工程技術人員習慣在軟件中設置邊界條件進行模擬仿真[1-6]。本研究基于一款新型的小型混凝土泵車開發，利用自行設計的行程測試裝置對油缸行程進行測試，并使用相關儀器設備對其泵送性能進行檢測，查找異常情況，為泵送系統的改進優化提供依據。

1 泵送系統結構及工作原理

泵送系統主要由泵送油缸、混凝土缸、水箱、料斗、擺動油缸組成。兩支泵送油缸通過串聯油路相連，泵送油缸的結構與一般油缸存在較大區別，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個水箱的兩端，當1支油缸活塞向前運動推送混凝土時，另1支同時向后運動吸入混凝土，2支油缸反復交替，不斷推送混凝土。

小型混凝土泵車泵送液壓系統原理如圖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，當活塞靠近接時接近開關經發送一個到位信號給控制器。主液壓泵輸出的高壓油通過電液換向閥3的右位A口進入泵送油缸1的無桿腔，推動泵送油缸1活塞桿伸出。與此同時泵送油缸1有桿腔內液壓油被擠壓，致使2個泵送主缸連通腔內壓力升高；泵送油缸2有桿腔壓力升高，推動活塞桿收回，其無桿腔液壓油通過電液換向閥3的B口進入液壓油箱。當泵送油缸2的活塞收回靠近接近開關時，控制器即接收到泵送油缸2的活塞收回到位信號。此時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，保證混凝土的持續輸出。在泵送油缸兩端均設置有單向閥，當活塞運動到U形管之間時，單向閥打開將活塞兩側的油液短暫接通，完成緩沖制動和連通腔內油液與外部油液的交換，進而降低連通腔內的油溫。

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

2 泵送行程試驗

由上述泵送系統原理可知，在混凝土泵送的過程中，油缸行程過位會導致油缸活塞在運動到位后與止動部件發生機械撞擊，而行程不到位會使砼活塞無法退到潤滑區域，導致活塞壽命和泵送效率降低。另外，行程不到位、分配系統換向與泵送油缸換向時序不匹配、空行程吸料等問題，也會導致實際的泵送方量偏小[7-8]。小型混凝土泵車的泵送方量一般不大，泵送系統對整機性能尤為重要。本研究利用自制的試驗裝置對泵送油缸的行程進行測試。

2.1 泵送油缸行程試驗裝置

圖2是泵送油缸行程試驗裝置，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。當活塞桿前進或后退時，橡膠輪就纏繞拉線或者釋放拉線。這樣就把活塞桿的平動轉化成了橡膠輪的轉動， 進而由拉線式位移傳感器的拉線反映出來，實際上也就測出了泵送油缸的行程[7-8]。

圖2 泵送油缸行程試驗裝置

2.2 試驗結果

油缸活塞結構如圖3所示，活塞由OK圈、活塞體、導向環和感應套組成。

1.OK形活塞密封 2.導向環 3.活塞體 4.感應套 5.緩沖孔圖3 油缸活塞結構

活塞前推或后退時，油缸的活塞體、導向環、感應套依次經過緩沖孔，直至緩沖孔完全外露。圖4為油缸U形管流量脈沖的實測結果，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數據來看，此新款小型混凝土泵車的泵送油缸行程與設計基本相符。為進一步了解其泵送性能，將對該泵送系統進行泵送性能測試。

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，通常模擬打料工況進行調試。本次試驗將在空泵與打水工況下測試泵送系統閥的壓降、響應，泵送壓力沖擊，泵送行程，泵送振動及分配緩沖等，查找異常情況，為泵送系統的改進優化提供依據[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數采系統等，具體見表1。

表1 試驗儀器一覽表

3.2 測試工況

模擬泵送系統打料的空泵工況和25 MPa壓力下的打水工況。

3.3 測試數據分析

1) 空泵特性

分別選擇空泵滿擋10擋、空泵6擋、空泵3擋進行數據采集。圖6所示是測試系統傳感器加速度坐標方向(泵送時，順著油缸方向即X方向為主要振動方向)，圖7～圖9為空載泵送特性曲線圖。

圖6 加速度坐標方向

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A曲線和泵送先導B曲線發生突變，油缸接近開關曲線隨即也出現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， 泵送換向相關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

根據特性圖及上述分析可以得出以下結論：

(1) 油缸及水箱接近開關都有感應信號輸出，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據相符。空泵滿擋10擋時，泵送流量最大，此時泵送換向閥壓差約為0.5 MPa，可以滿足系統要求。空泵6擋、3擋時，泵送壓力，流量、換向加速度等泵送性能參數基本正常；

(2) 空載泵送時，在先導控制壓力未變化前，主油泵的泵送壓力突然升高，這時油缸接近開關先于水箱接近開關發送信號，且油缸接近開關信號與壓力突變有時間間隔。基于以上特征可以判斷，空泵時出現了撞缸現象(撞泵送油缸前部，現場的撞擊聲音也驗證了此點)；

(3) 左油缸縮回右油缸伸出即右缸泵送，在換向開始時加速度有波動，但行程值在可接受范圍內；在換向完成時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，超量程說明晃動厲害肉眼可辨別)。

2) 打水特性

分別選擇典型的打水10擋、8擋、5擋、3擋、2擋進行數據采集。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：水箱接近開關曲線變化出現在油缸接近開關曲線之前，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。

根據特性圖及上述分析可以得出以下結論：

(1) 泵送時，水箱接近開關先于油缸接近開關發送信號，10擋時，右油缸縮回左油缸伸出即左缸泵送，在換向完成時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，振動較小，與實際相符；

(2) 左油缸縮回右油缸伸出在將換向時即右缸泵送時，先導壓力未下降(泵送現場觀察電磁閥及液動閥都未換向)，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，泵送換向時主泵及油缸壓力變化正常。

3) 分配壓力特性

分配系統壓力的大小關系到泵送擺動油缸的力度，分配壓力過大將使S閥產生快速的沖擊及噪聲，引起整個泵送單元的慣性沖擊和振動增大，同時也造成不必要的能量損失；分配壓力過小，將使擺動油缸無力，影響泵送效率。為檢測試制新車泵送系統的分配壓力，對滿擋空泵10擋、打水10擋的分配壓力進行檢測。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曲線均出現了尖角突變，分配擺缸曲線也出現了同樣變化，且兩曲線均出現波浪走勢。

圖16 打水10擋特征曲線

根據特性圖及上述分析可以得出以下結論：

(1) 在分配擺缸動作的時候分配壓力突然上升，產生壓力沖擊(空泵及打水都存在此現象)，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，此壓力沖擊及后續的振蕩對先導控制壓力也會有影響；

(2) 擺缸運動到緩沖區后，緩沖腔壓力上升至25 MPa，分配壓力為16 MPa，說明擺缸運動到底時有緩沖作用。

4 結論

本研究利用自行設計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的泵送性能。從上述試驗及測試數據可以得到該新款小型混凝土泵車泵送系統如下結論：

(1) 泵送油缸行程與設計參數基本一致，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，滿足系統要求；

(3) 在所有工況擋位下，水箱及油缸接近開關都能正常感應信號，換向信號點位置為25～35 mm左右(即換向信號點距離活塞工作時退回的最大位置)，油缸接近開關信號點位置為65 mm，從數據可看出在活塞向前經過信號點后又前進了一段時間，說明泵送行程前后均可到達合理區域，與前面所測油缸行程吻合；

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

(5) 在分配擺缸動作的時候分配壓力突然上升，產生壓力沖擊及振蕩，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) 經過局部改進后，該小型混凝土泵車的泵送系統滿足使用要求。