混凝土泵送系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

泵送系統(tǒng)是混凝土泵送輸送設(shè)備中最重要的部件。高層建筑和距離混凝土的輸送通過(guò)泵送系統(tǒng)完成。隨著施工方對(duì)工程質(zhì)量、進(jìn)度等要求的提高,人們對(duì)肩負(fù)泵送重任的泵送系統(tǒng)性能要求也越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)外各廠家對(duì)混凝土泵結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能參數(shù)等方面進(jìn)行創(chuàng)新研究,如增大整機(jī)功率、提高泵送壓力、加長(zhǎng)活塞運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)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(shí)在新技術(shù)、新材料、配套件的應(yīng)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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,其組成部件有:主油缸、水箱、輸送缸、混凝土活塞、擺閥機(jī)構(gòu)、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(qū)動(dòng)下,通過(guò)主油缸的兩個(gè)活塞交替工作,推動(dòng)混凝土活塞在輸送缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng),料斗中的混凝土通過(guò)分配閥沿輸送管道連續(xù)的輸送至澆注現(xiàn)場(chǎng)?？v觀混凝土泵送施工設(shè)備的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外泵送系統(tǒng)技術(shù)在以下幾個(gè)方面取得了較大發(fā)展:1.1大口壓泵送液壓回路主機(jī)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(zhǎng)行程的輸送缸,并將高低壓自動(dòng)切換技術(shù)與主換向回路融為一個(gè)有機(jī)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(shè)備泵送能力是由兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定的:整機(jī)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(shù)的發(fā)展,混凝土泵的出口壓力高達(dá)50MPa以上,輸送高度可達(dá)到1000米以上。1.3料斗內(nèi)其它閥的工作原理分配閥是泵送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(shè)計(jì)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。現(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(nèi),見(jiàn)圖2所示。(1)裙閥的出料口大,進(jìn)料口小,泵送混凝土?xí)r,裙閥有一半填充著混凝土,極大的減少了磨損,具有維護(hù)方便、持久耐用等特點(diǎn)。(2)C形閥在料斗內(nèi)的后墻壁平面上擺動(dòng),一端與輸送管接通,另一端做往復(fù)擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)吸料和排料,其顯著特點(diǎn)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(fù)運(yùn)動(dòng)的閘板,周期性的開(kāi)閉輸送缸的進(jìn)出料口,切換混凝土在料斗與輸送缸之間的流向,實(shí)現(xiàn)反復(fù)泵送。(4)S管閥有變半徑和恒半徑兩種,它采用浮動(dòng)、自密封橡膠彈簧,依靠混凝土的壓力推動(dòng)切割環(huán)自動(dòng)密封管口,橡膠彈簧可自動(dòng)補(bǔ)償間隙以保證與眼鏡板緊密貼合,密封性好,易于閥內(nèi)形成泵送高壓力,對(duì)混凝土泵具有強(qiáng)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(guò)程中無(wú)需停機(jī)、無(wú)需拆管、沒(méi)有任何泄露,操作僅在一瞬間完成,在泵送過(guò)程中都可隨意切換,節(jié)省時(shí)間和液壓油,且不會(huì)污染。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為混凝土泵的重要操作技術(shù)指標(biāo)之一。各個(gè)廠家的切換技術(shù)有所不同,三一采用邏輯分析將兩個(gè)泵送油缸的高低壓泵送油路拆分為六個(gè)開(kāi)關(guān)邏輯(見(jiàn)圖3),用大通徑插裝閥作為邏輯閥實(shí)現(xiàn)了泵送系統(tǒng)的高低壓狀態(tài),并采用電磁換向閥進(jìn)行控制。同時(shí),將高低壓切換回路及其相關(guān)控制回路與液壓系統(tǒng)主回路、分配閥回路集成在一個(gè)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(shí)安裝混凝土基本使用壽命,有利于延長(zhǎng)混凝土使用壽命自動(dòng)退混凝土活塞技術(shù)利用液壓系統(tǒng)直接將混凝土活塞退回至泵送機(jī)構(gòu)的水箱內(nèi)這一工作過(guò)程,不僅方便拆卸、安裝混凝土活塞,而且可隨時(shí)查看混凝土活塞磨損和潤(rùn)滑情況,更好地維護(hù)混凝土活塞,延長(zhǎng)其使用壽命。為確?；炷粱钊ぷ靼踩煽?以福田雷薩為代表,采用機(jī)械液壓雙保險(xiǎn)限位裝置保證混凝土活塞在輸送缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng),只有在泵送停止并發(fā)出混凝土活塞退出指令時(shí),雙保險(xiǎn)限位才會(huì)解除(見(jiàn)圖4)。1.6混凝土輸送系統(tǒng)工作原理智能緩沖換向技術(shù)通過(guò)對(duì)泵送油缸及分配閥油缸運(yùn)動(dòng)與管道內(nèi)混凝土運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究,利用高靈敏度傳感器采集關(guān)鍵信號(hào),并用計(jì)算機(jī)擬合出混凝土在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況,采用專用控制器快速調(diào)節(jié)泵送油缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度,最大程度使混凝土在輸送管道內(nèi)的流動(dòng)接近理想狀況,其原理如圖5示。2泵送系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向與展望2.1混凝土泵送系統(tǒng)的改進(jìn)隨著臂架式混凝土泵車的臂架越做越長(zhǎng),車型越做越大,其輸送缸直徑也隨之增大,如何實(shí)現(xiàn)大排量、高效率,同時(shí)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(shù)是通過(guò)采用流固耦合仿真技術(shù),利用多體動(dòng)力學(xué)原理,對(duì)料斗、S管、攪拌系統(tǒng)、配管流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)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(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)為了提高混凝土的流動(dòng)速度,與混凝土直接接觸的料斗采用流線型結(jié)構(gòu)、包絡(luò)設(shè)計(jì),減少可泵材料的流動(dòng)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(yùn)用納維-斯托克斯方程對(duì)料斗內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析,通過(guò)監(jiān)控混凝土粘度與不同地區(qū)混凝土的特性,智能調(diào)整料斗內(nèi)攪拌葉片最佳速度,與此同時(shí)開(kāi)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(shù):將此技術(shù)應(yīng)用到混凝土泵送系統(tǒng)領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)吸料口型式以及與輸送缸之間合理配合研究,對(duì)不同混凝土在配管中的流動(dòng)方式研究,采用多相流模擬技術(shù)并進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)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(duì)吸料效率影響很大,泵送頻率過(guò)快,混凝土活塞在輸送缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成真空,嚴(yán)重影響吸料性,泵送頻率過(guò)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(guān)鍵所在。(5)通過(guò)對(duì)泵送系統(tǒng)與擺閥系統(tǒng)的換向時(shí)序進(jìn)行運(yùn)算、分析,合理選擇蓄能器容積,增大液壓管路直徑,實(shí)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(jī)構(gòu)絞接點(diǎn)位置與擺缸結(jié)構(gòu),調(diào)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(dá)到消除在泵料和吸料時(shí)壓力峰值,實(shí)現(xiàn)類似閉式系統(tǒng)的“零沖擊換向”,提高設(shè)備的可靠性,延長(zhǎng)液壓元件的使用壽命。(7)加強(qiáng)混凝土泵的生產(chǎn)效率和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究,找出泵送系統(tǒng)固有特性與泵送頻率的關(guān)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(dòng)和防止裂紋產(chǎn)生。(8)加強(qiáng)混凝土泵的可靠性研究,特別是對(duì)于高強(qiáng)度、大骨料、三級(jí)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(yīng)各種工況的泵送施工。(9)料斗、攪拌、S閥相互配合關(guān)系研究:通過(guò)配合關(guān)系,加快了混凝土在料斗中的運(yùn)動(dòng)速度,通過(guò)大量的試驗(yàn)證明,合理的配合可提高吸料效率3%~5%。通過(guò)以上方面的改進(jìn),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(guò)83%,福田雷薩泵車的泵送效率可以達(dá)到90%以上。2.2混凝土輸送機(jī)械施工現(xiàn)場(chǎng)的混凝土并不是每時(shí)每刻都在泵送,需要混凝土罐車的轉(zhuǎn)運(yùn),每一罐混凝土泵送時(shí),普遍存在出料不連續(xù)、或點(diǎn)動(dòng)幾次,分配閥才能工作到位。在這種情況下,出料沖擊大,當(dāng)混凝土差時(shí),還會(huì)出現(xiàn)堵管。其中一個(gè)重要原因:留在分配閥旁的混凝土因時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生質(zhì)變,如離析或下沉結(jié)塊,配管與分配閥中混凝土失水松散產(chǎn)生空氣。(1)通過(guò)主油缸換向加力,對(duì)分配閥口部與混凝土接觸部分進(jìn)行快速壓實(shí),有效地解決吸料過(guò)程中吸入空氣和混凝土松散問(wèn)題。達(dá)到降低換向沖擊振動(dòng)和改善混凝土泵送連續(xù)性的目的(見(jiàn)圖6)。(2)實(shí)現(xiàn)過(guò)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(shí)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(jī)械上,加裝一個(gè)電磁閥7。實(shí)施原理圖:如圖所示,當(dāng)主控制器3通過(guò)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(guò)程的行程末端某位置時(shí),向電磁閥7發(fā)送一個(gè)持續(xù)時(shí)間極短的電控信號(hào)。電磁閥7失電后,進(jìn)入主油缸1換向階段,即主油泵4快速換向時(shí)期,此時(shí)主油泵4迅速降至零排量。主油缸換向加力技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式是在主油缸吸料過(guò)程則經(jīng)過(guò)一個(gè)“勻速吸料-行程末端突然提速吸料-快速停止”的過(guò)程。從提速吸料到快速停止動(dòng)作時(shí)間極短,對(duì)勻速吸料過(guò)程吸入輸送缸內(nèi)的松散混凝土起到快速壓實(shí)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(shí)現(xiàn)料斗與付車架、水箱與付車架絞接點(diǎn)柔性安裝(簡(jiǎn)圖7),安裝時(shí)的避免過(guò)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(shí)泵送系統(tǒng)按混凝土的流動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)微擺,減少了液壓沖擊;同時(shí)采用吸震、緩沖材料,進(jìn)一步減少泵送系統(tǒng)對(duì)車架的沖擊,增大擺閥機(jī)構(gòu)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(gè)方向研究連續(xù)泵送技術(shù)(1)通過(guò)提高擺缸的換向速度,縮短擺閥的換向時(shí)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(shè)計(jì)新型分配閥,更合理程序控制,實(shí)現(xiàn)連續(xù)泵送。(3)改變現(xiàn)有泵送系統(tǒng)結(jié)構(gòu),增加補(bǔ)償裝置,瞬間吸排料時(shí)泵送物的及時(shí)補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)具有真正意義上的連續(xù)泵送。2.5發(fā)動(dòng)機(jī)泵送系統(tǒng)泵送系統(tǒng)的人性化技術(shù)也是今后研究的重要發(fā)展方向,主要表現(xiàn)在:(1)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率自動(dòng)匹配節(jié)能控制技術(shù):通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率自動(dòng)匹配節(jié)能控制技術(shù),以發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)為目標(biāo),以控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和主泵排量為手段,以發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率和控制系統(tǒng)壓力為反饋,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化排量控制、個(gè)性化攪拌控制和全自動(dòng)中央潤(rùn)滑系統(tǒng)等,使泵送過(guò)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(diào)整,最大限度地降低油耗,減少泵送時(shí)的振動(dòng)和磨損。(2)對(duì)泵送系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)維修人性化,各部位易損件的觀測(cè)與更換更方便。例如“雙活塞自動(dòng)退回技術(shù)”較現(xiàn)有的“自動(dòng)退混凝土活塞技術(shù)”更換混凝土活塞更加方便快捷;料斗的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)技術(shù),新結(jié)構(gòu)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(jī)理因泵送系統(tǒng)是一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境下工作,承受著與混凝土的強(qiáng)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(shí)的易損件。通過(guò)潤(rùn)滑機(jī)理研究,如何提高混凝土泵在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性,降低設(shè)備維護(hù)成本,是提高混凝土泵易損件使用壽命的關(guān)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(zhì)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(jié)構(gòu)、新工藝、新技術(shù)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(nèi)壁均鍍鉻層的方法,但這種方法嚴(yán)重污染環(huán)境。雙層復(fù)合耐磨輸送管的應(yīng)用,使混凝土管道的使用壽命明顯改觀,且對(duì)環(huán)境污染小。隨著新技術(shù)的不斷運(yùn)用,各種新工藝、復(fù)合材料的使用,輸送缸及輸送管的壽命將會(huì)得到進(jìn)一步提升。(3)通過(guò)混凝土活塞運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究,將納米材料、自潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用到混凝土活塞中去。終將去掉混凝土活塞“易損件”的標(biāo)簽。(4)在智能緩沖換向控制中,應(yīng)用高靈敏傳感器采集信號(hào),將泵送油缸與擺閥油缸的運(yùn)動(dòng)和混凝土運(yùn)動(dòng)的關(guān)系結(jié)合起來(lái),能有效地調(diào)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(nèi)的流動(dòng)接近理想狀況,提高泵送的平穩(wěn)性,既可減小振動(dòng),又提高了易損件的使用壽命。2.7模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化生產(chǎn)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(lái),為未來(lái)行業(yè)制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)泵送系統(tǒng)的主要零部件在規(guī)格方面有明確的要求,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化生產(chǎn),推進(jìn)行業(yè)進(jìn)步:(1)泵送部件可由專業(yè)廠家批量生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)料斗、分配閥、水箱、拉桿、攪拌、擺閥生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。(2)排量壓力可根據(jù)客戶個(gè)性化要求定制,通過(guò)模塊化零件的優(yōu)化組合,組裝不同的泵送系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)壓力與