混凝土泵送緩沖技術研究

石小虎，張聲軍，曹國巍，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，陜西 西安 710055；2.廊坊凱博建設機械科技有限公司，河北 廊坊 065001；3.北京建筑機械化研究院有限公司，北京 100007）

1 研究背景

混凝土泵送設備已有近100 年的發展歷史，其廣泛應用于高層建筑、地下交通、鐵路、公路、隧道、水電、風電及礦山等工程。混凝土泵與混凝土攪拌運輸車配套使用可實現混凝土的連續輸送，這種施工方式具有施工成本低、施工效率高、設備可靠性好等優點。改革開放以來，隨著我國基礎建設爆發式的增長，混凝土泵送設備迎來了發展機遇，從早期引進國外設備至國產化的發展歷程，我國已是混凝土泵的制造強國，其中S 閥換向的混凝土泵送設備應用較為廣泛。

然而混凝土泵在工作時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周期性流動—停流—流動的狀態稱之為“脈動”，這種“脈動”引起泵送設備、布料機構、輸送管道出現周期性振動，嚴重影響泵送設備、布料機構的壽命，周期性振動有時會引發泵車、布料機的疲勞破壞，甚至會引發安全事故，泵管的周期性抖動對尚未達到強度的混凝土建筑非常不利，針對上述問題，本文提出一種能夠實現不斷流的泵送緩沖技術。

2 泵送脈沖產生的原因分析

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活塞在輸送缸內做往復運動，通過分配閥交替作用下將輸送缸與S 閥、泵管交替連通，實現混凝土的正泵和反泵。當主油缸1 到達前行程止點時，主油缸停止向前推活塞，設置在水箱內的接近開關與控制系統的作用下S 閥換向，當S 閥換向結束后輸送缸、S 閥、泵管連通，主油缸2 與其連接的活塞向前推送混凝土，進入右缸泵送模式，通過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，產生泵送“脈沖”的原因如下。

1）當輸送缸到達行程止點、S 閥換向、另外一根輸送缸開始泵料的Δt 時間段內混凝土不向外輸送混凝土。

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

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的流動速度小于活塞的抽拉速度，活塞與混凝土之間產生真空段，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間的關系如圖3 所示，呈現周期性流動—停滯—流動的狀態。

圖3 混凝土泵布料端混凝土流量與時間關系

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”是由多種因素產生的，需要針對產生泵送“脈沖”的各種原因逐一解決，從以下方面入手。

1）縮短S閥換向所需的時間，減少停滯時間。

2）管路與S 閥之間設置截止閥，S 閥換向時截斷高壓混凝土回流的通道。

3）在料斗出口與泵管之間加補償裝置。

4）為獲得更加平穩的混凝土流，需要更加貼近的邏輯控制系統。

3.2 泵送緩沖的研究與設計

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管道泵送至布料端，一部分被吸入補償系統暫存，當左缸活塞運動至接近行程止點的位置時，補償系統吸滿了混凝土，布置在水箱內右缸活塞桿上方的信號采集器a 采集到左缸即將到達行程止點的信號，控制系統收到信號后控制補償缸液壓閥換向，補償缸的液壓油缸推動缸活塞向管道泵送混凝土，通過補償缸的作用保證活塞到達行程止點時混凝土仍在管道內維持原來的速度流動。當信號采集裝置b 采集到信號后，控制系統收到信號后控制液壓馬達的液壓閥換向，液壓馬達驅動旋轉式阻回系統回轉，在液壓馬達與機械限位的作用下阻回閥旋轉90°，此時泵送管道與S 閥不連通。當信號采集裝置c 采集到信號，控制系統收到信號后控制S 閥換向的液壓閥換向，S閥換向結束后旋轉閥反向旋轉90°，補償缸繼續向管道泵送混凝土，與此同時右缸向前泵送混凝土，當壓力檢測系統檢測到壓力穩定后緩沖缸開始吸料，下一個循環開始，通過左右缸、旋轉式阻回裝置及補償缸的交替往復作用下實現混凝土泵的無脈沖泵送，其控制時序如圖5 所示。

圖4 泵送緩沖技術原理示意圖

圖5 泵送緩沖時序圖

3.2.2 補償缸的流速分析及行程設計

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

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 為輸送缸每個行程的平均時間，Δt 為行程止點至另外一個輸送缸穩定流出混凝土的時間總和，則有

緩沖型泵送設備泵出的混凝土流入管道與補償缸，則有

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

綜上所述，泵送每個行程內需要將一定方量的混凝土緩慢吸入補償缸，在主油缸到達行程止點后將其快速泵出，實現混凝土在管道內恒速流動，達到無脈沖的泵送效果，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單次行程所需的時間t 遠大于低壓小排量泵送狀態，由式（3）可知，高壓泵送時吸入補償缸的混凝土方量小于低壓大排量時的混凝土方量，而一定型號的混凝土泵Δt 是一個常數，因此低壓泵送時補償缸的吸漿速度及出漿速度要大于高壓小排量，補償缸所需的行程更大，考慮設備高低壓泵送功能的需要，補償缸的長度應大于低壓泵送的行程，控制系統要兼備高低壓切換功能的需要。

4 結語

1）通過旋轉式截止閥、補償缸及控制系統的緊密配合理論上可以實現S 閥混凝土泵的無“脈沖”泵送。

2）S 閥混凝土泵的泵送緩沖系統需具備高壓泵送、低壓泵送分別控制的功能。

3）高壓泵送時所吸入補償缸的混凝土方量小于低壓大排量時的混凝土方量。

4）高壓泵送、低壓泵送的行程不一致，補償缸長度取決于低壓泵送的行程。