混凝土泵送缓冲技术研究

石小虎，张声军，曹国巍，魏 乾，周 磊，陈炜宁

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

（1.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055；2.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065001；3.北京建筑机械化研究院有限公司，北京 100007）

1 研究背景

混凝土泵送设备已有近100 年的发展历史，其广泛应用于高层建筑、地下交通、铁路、公路、隧道、水电、风电及矿山等工程。混凝土泵与混凝土搅拌运输车配套使用可实现混凝土的连续输送，这种施工方式具有施工成本低、施工效率高、设备可靠性好等优点。改革开放以来，随着我国基础建设爆发式的增长，混凝土泵送设备迎来了发展机遇，从早期引进国外设备至国产化的发展历程，我国已是混凝土泵的制造强国，其中S 阀换向的混凝土泵送设备应用较为广泛。

然而混凝土泵在工作时由于输送缸交替吸料、泵料、S 阀周期性换向等因素的影响下，混凝土在泵管布料端呈现周期性流动—停流—流动的状态称之为“脉动”，这种“脉动”引起泵送设备、布料机构、输送管道出现周期性振动，严重影响泵送设备、布料机构的寿命，周期性振动有时会引发泵车、布料机的疲劳破坏，甚至会引发安全事故，泵管的周期性抖动对尚未达到强度的混凝土建筑非常不利，针对上述问题，本文提出一种能够实现不断流的泵送缓冲技术。

2 泵送脉冲产生的原因分析

如图1 所示，S 阀混凝土泵的工作原理是：在主油缸的作用下带动活塞在输送缸内做往复运动，通过分配阀交替作用下将输送缸与S 阀、泵管交替连通，实现混凝土的正泵和反泵。当主油缸1 到达前行程止点时，主油缸停止向前推活塞，设置在水箱内的接近开关与控制系统的作用下S 阀换向，当S 阀换向结束后输送缸、S 阀、泵管连通，主油缸2 与其连接的活塞向前推送混凝土，进入右缸泵送模式，通过左右缸的交替作用完成混凝土的泵送。

图1 泵送原理图

分析其工作原理可知，产生泵送“脉冲”的原因如下。

1）当输送缸到达行程止点、S 阀换向、另外一根输送缸开始泵料的Δt 时间段内混凝土不向外输送混凝土。

2）如图2 所示，S 阀换向时间段内，左右输送缸出口、S 阀进浆口、料斗四者连通，管道内的高压混凝土在自重压力下回流，造成混凝土在料斗中内泄。

图2 混凝土在自重的作用下返流示意图

3）在大气压下混凝土在输送缸内的流动速度小于活塞的抽拉速度，活塞与混凝土之间产生真空段，吸浆不饱满。

在上述各种原因的影响下，普通S 阀换向的混凝土泵布料端混凝土的流量与时间的关系如图3 所示，呈现周期性流动—停滞—流动的状态。

图3 混凝土泵布料端混凝土流量与时间关系

3 泵送缓冲的方案研究

3.1 研究思路

鉴于上述分析，S 阀换向的混凝土泵泵送“脉冲”是由多种因素产生的，需要针对产生泵送“脉冲”的各种原因逐一解决，从以下方面入手。

1）缩短S阀换向所需的时间，减少停滞时间。

2）管路与S 阀之间设置截止阀，S 阀换向时截断高压混凝土回流的通道。

3）在料斗出口与泵管之间加补偿装置。

4）为获得更加平稳的混凝土流，需要更加贴近的逻辑控制系统。

3.2 泵送缓冲的研究与设计

3.2.1 泵送缓冲方案的研究

本文提出的泵送缓冲方案如图4 所示，其工作原理如下：左缸泵入管道的混凝土一部分通过管道泵送至布料端，一部分被吸入补偿系统暂存，当左缸活塞运动至接近行程止点的位置时，补偿系统吸满了混凝土，布置在水箱内右缸活塞杆上方的信号采集器a 采集到左缸即将到达行程止点的信号，控制系统收到信号后控制补偿缸液压阀换向，补偿缸的液压油缸推动缸活塞向管道泵送混凝土，通过补偿缸的作用保证活塞到达行程止点时混凝土仍在管道内维持原来的速度流动。当信号采集装置b 采集到信号后，控制系统收到信号后控制液压马达的液压阀换向，液压马达驱动旋转式阻回系统回转，在液压马达与机械限位的作用下阻回阀旋转90°，此时泵送管道与S 阀不连通。当信号采集装置c 采集到信号，控制系统收到信号后控制S 阀换向的液压阀换向，S阀换向结束后旋转阀反向旋转90°，补偿缸继续向管道泵送混凝土，与此同时右缸向前泵送混凝土，当压力检测系统检测到压力稳定后缓冲缸开始吸料，下一个循环开始，通过左右缸、旋转式阻回装置及补偿缸的交替往复作用下实现混凝土泵的无脉冲泵送，其控制时序如图5 所示。

图4 泵送缓冲技术原理示意图

图5 泵送缓冲时序图

3.2.2 补偿缸的流速分析及行程设计

由于混凝土在管道内不被压缩，混凝土泵高压泵送时，活塞向前推送混凝土过程中泵的出口处混凝土的流动速度为

其中，d1为输送缸的直径，d2为输送管的直径，L 为输送缸的行程，t 为输送缸每个行程的平均时间，Δt 为行程止点至另外一个输送缸稳定流出混凝土的时间总和，则有

缓冲型泵送设备泵出的混凝土流入管道与补偿缸，则有

其中，Q1为单次行程混凝土流入管道中的方量，Q2为补偿缸吸浆方量，由于泵送缓冲设备任何时刻管道内的混凝土流速恒定，则有

综上所述，泵送每个行程内需要将一定方量的混凝土缓慢吸入补偿缸，在主油缸到达行程止点后将其快速泵出，实现混凝土在管道内恒速流动，达到无脉冲的泵送效果，其效果图如图6 所示。

图6 泵送缓冲示意图

由于高压大排量泵送时单次行程所需的时间t 远大于低压小排量泵送状态，由式（3）可知，高压泵送时吸入补偿缸的混凝土方量小于低压大排量时的混凝土方量，而一定型号的混凝土泵Δt 是一个常数，因此低压泵送时补偿缸的吸浆速度及出浆速度要大于高压小排量，补偿缸所需的行程更大，考虑设备高低压泵送功能的需要，补偿缸的长度应大于低压泵送的行程，控制系统要兼备高低压切换功能的需要。

4 结语

1）通过旋转式截止阀、补偿缸及控制系统的紧密配合理论上可以实现S 阀混凝土泵的无“脉冲”泵送。

2）S 阀混凝土泵的泵送缓冲系统需具备高压泵送、低压泵送分别控制的功能。

3）高压泵送时所吸入补偿缸的混凝土方量小于低压大排量时的混凝土方量。

4）高压泵送、低压泵送的行程不一致，补偿缸长度取决于低压泵送的行程。