混凝土泵送系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

混凝土泵送系統(tǒng)的技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

泵送系統(tǒng)是混凝土泵送輸送設備中最重要的部件。高層建筑和距離混凝土的輸送通過泵送系統(tǒng)完成。隨著施工方對工程質量、進度等要求的提高,人們對肩負泵送重任的泵送系統(tǒng)性能要求也越來越高。國內外各廠家對混凝土泵結構和技術性能參數(shù)等方面進行創(chuàng)新研究,如增大整機功率、提高泵送壓力、加長活塞運動行程、運用最新科研成果提高密封效果,以獲得大排量、高壓、高吸料率、沖擊小的泵送系統(tǒng),同時在新技術、新材料、配套件的應用等方面不斷推陳出新。1s閥總成、攪拌裝置、料斗與出料口泵送系統(tǒng)的結構見圖1,其組成部件有:主油缸、水箱、輸送缸、混凝土活塞、擺閥機構、分配閥(S閥總成)、攪拌裝置、料斗與出料口組成。工作原理:在高壓液壓油的驅動下,通過主油缸的兩個活塞交替工作,推動混凝土活塞在輸送缸中往復運動,料斗中的混凝土通過分配閥沿輸送管道連續(xù)的輸送至澆注現(xiàn)場。縱觀混凝土泵送施工設備的發(fā)展,國內外泵送系統(tǒng)技術在以下幾個方面取得了較大發(fā)展:1.1大口壓泵送液壓回路主機廠商為提高單位泵送效率,減少易損件磨損,采用大口徑(直徑為230mm、260mm、280mm)、長行程的輸送缸,并將高低壓自動切換技術與主換向回路融為一個有機體,創(chuàng)造了大排量泵送液壓回路。1.2泵送壓力混凝土泵送設備泵送能力是由兩個關鍵參數(shù)決定的:整機功率與出口壓力;功率是泵送排量的保證,出口壓力是泵送高度和泵送距離的保證。目前,隨著超高壓泵送技術的發(fā)展,混凝土泵的出口壓力高達50MPa以上,輸送高度可達到1000米以上。1.3料斗內其它閥的工作原理分配閥是泵送系統(tǒng)的關鍵部件,協(xié)調各機構動作實現(xiàn)兩個輸送缸與輸送管之間的切換連接,它直接影響混凝土泵的整體設計和使用性能,因此要求分配閥具有良好的吸排料性、密封性、耐磨性和換向的靈活可靠性?，F(xiàn)有的分配閥主要有:裙閥、C形閥、S管閥和閘板閥四類,除閘板閥外,其它閥位于料斗內,見圖2所示。(1)裙閥的出料口大,進料口小,泵送混凝土時,裙閥有一半填充著混凝土,極大的減少了磨損,具有維護方便、持久耐用等特點。(2)C形閥在料斗內的后墻壁平面上擺動,一端與輸送管接通,另一端做往復擺動,實現(xiàn)吸料和排料,其顯著特點是極易清除殘余混凝土。(3)閘板閥以斜置式板閥為主,它依靠快速往復運動的閘板,周期性的開閉輸送缸的進出料口,切換混凝土在料斗與輸送缸之間的流向,實現(xiàn)反復泵送。(4)S管閥有變半徑和恒半徑兩種,它采用浮動、自密封橡膠彈簧,依靠混凝土的壓力推動切割環(huán)自動密封管口,橡膠彈簧可自動補償間隙以保證與眼鏡板緊密貼合,密封性好,易于閥內形成泵送高壓力,對混凝土泵具有強勁的輸送能力,且S管閥采用拋物線與直線相切合而成,流道暢通,不易阻塞。1.4混凝土泵送系統(tǒng)采用高低壓切換,在泵送過程中無需停機、無需拆管、沒有任何泄露,操作僅在一瞬間完成,在泵送過程中都可隨意切換,節(jié)省時間和液壓油,且不會污染。目前這項技術已經(jīng)成為混凝土泵的重要操作技術指標之一。各個廠家的切換技術有所不同,三一采用邏輯分析將兩個泵送油缸的高低壓泵送油路拆分為六個開關邏輯(見圖3),用大通徑插裝閥作為邏輯閥實現(xiàn)了泵送系統(tǒng)的高低壓狀態(tài),并采用電磁換向閥進行控制。同時,將高低壓切換回路及其相關控制回路與液壓系統(tǒng)主回路、分配閥回路集成在一個油路塊中,不僅極大地減少了液壓系統(tǒng)的壓力損失,增加了輸出功率,而且使得故障排除和維修都非常方便。1.5混凝土4月生時安裝混凝土基本使用壽命,有利于延長混凝土使用壽命自動退混凝土活塞技術利用液壓系統(tǒng)直接將混凝土活塞退回至泵送機構的水箱內這一工作過程,不僅方便拆卸、安裝混凝土活塞,而且可隨時查看混凝土活塞磨損和潤滑情況,更好地維護混凝土活塞,延長其使用壽命。為確保混凝土活塞工作安全可靠,以福田雷薩為代表,采用機械液壓雙保險限位裝置保證混凝土活塞在輸送缸內的往復運動,只有在泵送停止并發(fā)出混凝土活塞退出指令時,雙保險限位才會解除(見圖4)。1.6混凝土輸送系統(tǒng)工作原理智能緩沖換向技術通過對泵送油缸及分配閥油缸運動與管道內混凝土運動關系進行系統(tǒng)研究,利用高靈敏度傳感器采集關鍵信號,并用計算機擬合出混凝土在管道內的運動狀況,采用專用控制器快速調節(jié)泵送油缸的運動方向和速度,最大程度使混凝土在輸送管道內的流動接近理想狀況,其原理如圖5示。2泵送系統(tǒng)技術的發(fā)展方向與展望2.1混凝土泵送系統(tǒng)的改進隨著臂架式混凝土泵車的臂架越做越長,車型越做越大,其輸送缸直徑也隨之增大,如何實現(xiàn)大排量、高效率,同時在相同泵送方量下,減少換向次數(shù),減低單位泵送方量與油耗,成為泵送系統(tǒng)的重要研究方向。高效率泵送系統(tǒng)技術是通過采用流固耦合仿真技術,利用多體動力學原理,對料斗、S管、攪拌系統(tǒng)、配管流道進行優(yōu)化設計。通過優(yōu)化攪拌系統(tǒng),提高攪拌系統(tǒng)喂料性。(1)料斗流線型、包絡設計技術為了提高混凝土的流動速度,與混凝土直接接觸的料斗采用流線型結構、包絡設計,減少可泵材料的流動阻力,完全消除料斗積料死角。(2)攪拌系統(tǒng)的喂料性研究運用納維-斯托克斯方程對料斗內的流體運動進行了分析,通過監(jiān)控混凝土粘度與不同地區(qū)混凝土的特性,智能調整料斗內攪拌葉片最佳速度,與此同時開展攪拌葉片角度合理性布局研究,提高攪拌效率,增加吸料性能。(3)多相流模擬技術:將此技術應用到混凝土泵送系統(tǒng)領域,通過對吸料口型式以及與輸送缸之間合理配合研究,對不同混凝土在配管中的流動方式研究,采用多相流模擬技術并進行優(yōu)化,設計出具有最佳吸料效率的泵送系統(tǒng)。(4)最佳泵送頻率研究:泵送頻率對吸料效率影響很大,泵送頻率過快,混凝土活塞在輸送缸中的往復運動會造成真空,嚴重影響吸料性,泵送頻率過慢,泵送排量小,如何根據(jù)不同混凝土的地區(qū)差異及配比特性,獲得最佳泵送頻率,也是獲得最佳吸料性的關鍵所在。(5)通過對泵送系統(tǒng)與擺閥系統(tǒng)的換向時序進行運算、分析,合理選擇蓄能器容積,增大液壓管路直徑,實現(xiàn)快速換向,提高混凝土泵的吸料容積效率。(6)研究液壓系統(tǒng)沖擊特性,合理優(yōu)化擺閥機構絞接點位置與擺缸結構,調整擺缸阻尼孔大小,降低換向沖擊,最終取得了良好的緩沖效果;達到消除在泵料和吸料時壓力峰值,實現(xiàn)類似閉式系統(tǒng)的“零沖擊換向”,提高設備的可靠性,延長液壓元件的使用壽命。(7)加強混凝土泵的生產效率和系統(tǒng)動力學特性研究,找出泵送系統(tǒng)固有特性與泵送頻率的關系,獲得最佳的泵送頻率(換向次數(shù)),從而有效的抑制泵車臂架的振動和防止裂紋產生。(8)加強混凝土泵的可靠性研究,特別是對于高強度、大骨料、三級配混凝土特性的研究,降低客戶使用混凝土成本,使混凝土泵能夠適應各種工況的泵送施工。(9)料斗、攪拌、S閥相互配合關系研究:通過配合關系,加快了混凝土在料斗中的運動速度,通過大量的試驗證明,合理的配合可提高吸料效率3%~5%。通過以上方面的改進,泵送系統(tǒng)吸料性明顯提高。目前行業(yè)泵車單次泵送的吸入效率一般不超過83%,福田雷薩泵車的泵送效率可以達到90%以上。2.2混凝土輸送機械施工現(xiàn)場的混凝土并不是每時每刻都在泵送,需要混凝土罐車的轉運,每一罐混凝土泵送時,普遍存在出料不連續(xù)、或點動幾次,分配閥才能工作到位。在這種情況下,出料沖擊大,當混凝土差時,還會出現(xiàn)堵管。其中一個重要原因:留在分配閥旁的混凝土因時間過長產生質變,如離析或下沉結塊,配管與分配閥中混凝土失水松散產生空氣。(1)通過主油缸換向加力,對分配閥口部與混凝土接觸部分進行快速壓實,有效地解決吸料過程中吸入空氣和混凝土松散問題。達到降低換向沖擊振動和改善混凝土泵送連續(xù)性的目的(見圖6)。(2)實現(xiàn)過程:主油缸1上加裝位移(速度)傳感裝置2,能向主控制器反饋主油缸活塞的即時位置。在配置液控主油泵4(控制油泵排量的斜盤由液控閥5控制)的混凝土輸送機械上,加裝一個電磁閥7。實施原理圖:如圖所示,當主控制器3通過主油缸1上的位移傳感器2反饋得知主油缸1處于吸料過程的行程末端某位置時,向電磁閥7發(fā)送一個持續(xù)時間極短的電控信號。電磁閥7失電后,進入主油缸1換向階段,即主油泵4快速換向時期,此時主油泵4迅速降至零排量。主油缸換向加力技術實現(xiàn)方式是在主油缸吸料過程則經(jīng)過一個“勻速吸料-行程末端突然提速吸料-快速停止”的過程。從提速吸料到快速停止動作時間極短,對勻速吸料過程吸入輸送缸內的松散混凝土起到快速壓實的作用。2.3發(fā)揮主油缸和泵送系統(tǒng)的作用克服傳統(tǒng)泵送系統(tǒng)座板式安裝,實現(xiàn)料斗與付車架、水箱與付車架絞接點柔性安裝(簡圖7),安裝時的避免過定位,主油缸處采用彈性吊掛,保證主油缸與輸送缸的同軸度,提高混凝土活塞、輸送缸的使用壽命;泵送時泵送系統(tǒng)按混凝土的流動方向實現(xiàn)微擺,減少了液壓沖擊;同時采用吸震、緩沖材料,進一步減少泵送系統(tǒng)對車架的沖擊,增大擺閥機構的維修空間,安裝更方便。2.4連續(xù)泵送效率可以從以下三個方向研究連續(xù)泵送技術(1)通過提高擺缸的換向速度,縮短擺閥的換向時間,極限地提升混凝土泵送的連續(xù)性,以及單次泵送效率;(2)研究設計新型分配閥,更合理程序控制,實現(xiàn)連續(xù)泵送。(3)改變現(xiàn)有泵送系統(tǒng)結構,增加補償裝置,瞬間吸排料時泵送物的及時補充,實現(xiàn)具有真正意義上的連續(xù)泵送。2.5發(fā)動機泵送系統(tǒng)泵送系統(tǒng)的人性化技術也是今后研究的重要發(fā)展方向,主要表現(xiàn)在:(1)發(fā)動機負荷率自動匹配節(jié)能控制技術:通過發(fā)動機負荷率自動匹配節(jié)能控制技術,以發(fā)動機經(jīng)濟油耗區(qū)為目標,以控制發(fā)動機轉速和主泵排量為手段,以發(fā)動機負荷率和控制系統(tǒng)壓力為反饋,實現(xiàn)個性化排量控制、個性化攪拌控制和全自動中央潤滑系統(tǒng)等,使泵送過程始終處于最優(yōu)化水平,可以根據(jù)泵的數(shù)據(jù)智能地做出最優(yōu)化調整,最大限度地降低油耗,減少泵送時的振動和磨損。(2)對泵送系統(tǒng)各部件結構進行優(yōu)化設計,實現(xiàn)維修人性化,各部位易損件的觀測與更換更方便。例如“雙活塞自動退回技術”較現(xiàn)有的“自動退混凝土活塞技術”更換混凝土活塞更加方便快捷;料斗的自動翻轉技術,新結構不斷使用,使眼睛板、輸送缸、S管的更換更加便捷。2.6混凝土輸送缸工作機理因泵送系統(tǒng)是一個往復運動的載體,其易損件如眼鏡板、切割環(huán)、混凝土活塞、輸送缸、S管長期在惡劣的環(huán)境下工作,承受著與混凝土的強摩擦與硅酸鹽的腐蝕,不斷循環(huán)的高壓沖擊載荷,成為名副其實的易損件。通過潤滑機理研究,如何提高混凝土泵在施工過程中的穩(wěn)定性,降低設備維護成本,是提高混凝土泵易損件使用壽命的關鍵。(1)推翻傳統(tǒng)的眼鏡板和切割環(huán)堆焊表面磨平工藝,采用釬焊嵌塊硬質合金的眼鏡板及切換環(huán),使用壽命可提高數(shù)倍。為了獲得更高的耐磨性,等離子噴焊合金元素、鑲嵌式L型與C型眼鏡板與切割環(huán)等新結構、新工藝、新技術正在慢慢成熟,使用成本更低。(2)為保證混凝土輸送缸的使用壽命,現(xiàn)階段主要采取在其內壁均鍍鉻層的方法,但這種方法嚴重污染環(huán)境。雙層復合耐磨輸送管的應用,使混凝土管道的使用壽命明顯改觀,且對環(huán)境污染小。隨著新技術的不斷運用,各種新工藝、復合材料的使用,輸送缸及輸送管的壽命將會得到進一步提升。(3)通過混凝土活塞運動機理研究,將納米材料、自潤滑技術應用到混凝土活塞中去。終將去掉混凝土活塞“易損件”的標簽。(4)在智能緩沖換向控制中,應用高靈敏傳感器采集信號,將泵送油缸與擺閥油缸的運動和混凝土運動的關系結合起來,能有效地調節(jié)泵送油缸的速度與方向,減少換向沖擊,最大限度地使混凝土在輸送管道內的流動接近理想狀況,提高泵送的平穩(wěn)性,既可減小振動,又提高了易損件的使用壽命。2.7模塊化、標準化、模塊化生產將泵送系統(tǒng)按照輸送缸、主油缸的不同規(guī)格、系列從小到大排列起來,為未來行業(yè)制定相應標準,并對泵送系統(tǒng)的主要零部件在規(guī)格方面有明確的要求,實現(xiàn)標準化、模塊化生產,推進行業(yè)進步:(1)泵送部件可由專業(yè)廠家批量生產,實現(xiàn)料斗、分配閥、水箱、拉桿、攪拌、擺閥生產的標準化、模塊化。(2)排量壓力可根據(jù)客戶個性化要求定制,通過模塊化零件的優(yōu)化組合,組裝不同的泵送系統(tǒng),實現(xiàn)壓力與