混凝土泵送系统的技术现状及发展趋势

混凝土泵送系统的技术现状及发展趋势

泵送系统是混凝土泵送输送设备中最重要的部件。高层建筑和距离混凝土的输送通过泵送系统完成。随着施工方对工程质量、进度等要求的提高,人们对肩负泵送重任的泵送系统性能要求也越来越高。国内外各厂家对混凝土泵结构和技术性能参数等方面进行创新研究,如增大整机功率、提高泵送压力、加长活塞运动行程、运用最新科研成果提高密封效果,以获得大排量、高压、高吸料率、冲击小的泵送系统,同时在新技术、新材料、配套件的应用等方面不断推陈出新。1s阀总成、搅拌装置、料斗与出料口泵送系统的结构见图1,其组成部件有:主油缸、水箱、输送缸、混凝土活塞、摆阀机构、分配阀(S阀总成)、搅拌装置、料斗与出料口组成。工作原理:在高压液压油的驱动下,通过主油缸的两个活塞交替工作,推动混凝土活塞在输送缸中往复运动,料斗中的混凝土通过分配阀沿输送管道连续的输送至浇注现场。纵观混凝土泵送施工设备的发展,国内外泵送系统技术在以下几个方面取得了较大发展:1.1大口压泵送液压回路主机厂商为提高单位泵送效率,减少易损件磨损,采用大口径(直径为230mm、260mm、280mm)、长行程的输送缸,并将高低压自动切换技术与主换向回路融为一个有机体,创造了大排量泵送液压回路。1.2泵送压力混凝土泵送设备泵送能力是由两个关键参数决定的:整机功率与出口压力;功率是泵送排量的保证,出口压力是泵送高度和泵送距离的保证。目前,随着超高压泵送技术的发展,混凝土泵的出口压力高达50MPa以上,输送高度可达到1000米以上。1.3料斗内其它阀的工作原理分配阀是泵送系统的关键部件,协调各机构动作实现两个输送缸与输送管之间的切换连接,它直接影响混凝土泵的整体设计和使用性能,因此要求分配阀具有良好的吸排料性、密封性、耐磨性和换向的灵活可靠性。现有的分配阀主要有:裙阀、C形阀、S管阀和闸板阀四类,除闸板阀外,其它阀位于料斗内,见图2所示。(1)裙阀的出料口大,进料口小,泵送混凝土时,裙阀有一半填充着混凝土,极大的减少了磨损,具有维护方便、持久耐用等特点。(2)C形阀在料斗内的后墙壁平面上摆动,一端与输送管接通,另一端做往复摆动,实现吸料和排料,其显著特点是极易清除残余混凝土。(3)闸板阀以斜置式板阀为主,它依靠快速往复运动的闸板,周期性的开闭输送缸的进出料口,切换混凝土在料斗与输送缸之间的流向,实现反复泵送。(4)S管阀有变半径和恒半径两种,它采用浮动、自密封橡胶弹簧,依靠混凝土的压力推动切割环自动密封管口,橡胶弹簧可自动补偿间隙以保证与眼镜板紧密贴合,密封性好,易于阀内形成泵送高压力,对混凝土泵具有强劲的输送能力,且S管阀采用抛物线与直线相切合而成,流道畅通,不易阻塞。1.4混凝土泵送系统采用高低压切换,在泵送过程中无需停机、无需拆管、没有任何泄露,操作仅在一瞬间完成,在泵送过程中都可随意切换,节省时间和液压油,且不会污染。目前这项技术已经成为混凝土泵的重要操作技术指标之一。各个厂家的切换技术有所不同,三一采用逻辑分析将两个泵送油缸的高低压泵送油路拆分为六个开关逻辑(见图3),用大通径插装阀作为逻辑阀实现了泵送系统的高低压状态,并采用电磁换向阀进行控制。同时,将高低压切换回路及其相关控制回路与液压系统主回路、分配阀回路集成在一个油路块中,不仅极大地减少了液压系统的压力损失,增加了输出功率,而且使得故障排除和维修都非常方便。1.5混凝土4月生时安装混凝土基本使用寿命,有利于延长混凝土使用寿命自动退混凝土活塞技术利用液压系统直接将混凝土活塞退回至泵送机构的水箱内这一工作过程,不仅方便拆卸、安装混凝土活塞,而且可随时查看混凝土活塞磨损和润滑情况,更好地维护混凝土活塞,延长其使用寿命。为确保混凝土活塞工作安全可靠,以福田雷萨为代表,采用机械液压双保险限位装置保证混凝土活塞在输送缸内的往复运动,只有在泵送停止并发出混凝土活塞退出指令时,双保险限位才会解除(见图4)。1.6混凝土输送系统工作原理智能缓冲换向技术通过对泵送油缸及分配阀油缸运动与管道内混凝土运动关系进行系统研究,利用高灵敏度传感器采集关键信号,并用计算机拟合出混凝土在管道内的运动状况,采用专用控制器快速调节泵送油缸的运动方向和速度,最大程度使混凝土在输送管道内的流动接近理想状况,其原理如图5示。2泵送系统技术的发展方向与展望2.1混凝土泵送系统的改进随着臂架式混凝土泵车的臂架越做越长,车型越做越大,其输送缸直径也随之增大,如何实现大排量、高效率,同时在相同泵送方量下,减少换向次数,减低单位泵送方量与油耗,成为泵送系统的重要研究方向。高效率泵送系统技术是通过采用流固耦合仿真技术,利用多体动力学原理,对料斗、S管、搅拌系统、配管流道进行优化设计。通过优化搅拌系统,提高搅拌系统喂料性。(1)料斗流线型、包络设计技术为了提高混凝土的流动速度,与混凝土直接接触的料斗采用流线型结构、包络设计,减少可泵材料的流动阻力,完全消除料斗积料死角。(2)搅拌系统的喂料性研究运用纳维-斯托克斯方程对料斗内的流体运动进行了分析,通过监控混凝土粘度与不同地区混凝土的特性,智能调整料斗内搅拌叶片最佳速度,与此同时开展搅拌叶片角度合理性布局研究,提高搅拌效率,增加吸料性能。(3)多相流模拟技术:将此技术应用到混凝土泵送系统领域,通过对吸料口型式以及与输送缸之间合理配合研究,对不同混凝土在配管中的流动方式研究,采用多相流模拟技术并进行优化,设计出具有最佳吸料效率的泵送系统。(4)最佳泵送频率研究:泵送频率对吸料效率影响很大,泵送频率过快,混凝土活塞在输送缸中的往复运动会造成真空,严重影响吸料性,泵送频率过慢,泵送排量小,如何根据不同混凝土的地区差异及配比特性,获得最佳泵送频率,也是获得最佳吸料性的关键所在。(5)通过对泵送系统与摆阀系统的换向时序进行运算、分析,合理选择蓄能器容积,增大液压管路直径,实现快速换向,提高混凝土泵的吸料容积效率。(6)研究液压系统冲击特性,合理优化摆阀机构绞接点位置与摆缸结构,调整摆缸阻尼孔大小,降低换向冲击,最终取得了良好的缓冲效果;达到消除在泵料和吸料时压力峰值,实现类似闭式系统的“零冲击换向”,提高设备的可靠性,延长液压元件的使用寿命。(7)加强混凝土泵的生产效率和系统动力学特性研究,找出泵送系统固有特性与泵送频率的关系,获得最佳的泵送频率(换向次数),从而有效的抑制泵车臂架的振动和防止裂纹产生。(8)加强混凝土泵的可靠性研究,特别是对于高强度、大骨料、三级配混凝土特性的研究,降低客户使用混凝土成本,使混凝土泵能够适应各种工况的泵送施工。(9)料斗、搅拌、S阀相互配合关系研究:通过配合关系,加快了混凝土在料斗中的运动速度,通过大量的试验证明,合理的配合可提高吸料效率3%~5%。通过以上方面的改进,泵送系统吸料性明显提高。目前行业泵车单次泵送的吸入效率一般不超过83%,福田雷萨泵车的泵送效率可以达到90%以上。2.2混凝土输送机械施工现场的混凝土并不是每时每刻都在泵送,需要混凝土罐车的转运,每一罐混凝土泵送时,普遍存在出料不连续、或点动几次,分配阀才能工作到位。在这种情况下,出料冲击大,当混凝土差时,还会出现堵管。其中一个重要原因:留在分配阀旁的混凝土因时间过长产生质变,如离析或下沉结块,配管与分配阀中混凝土失水松散产生空气。(1)通过主油缸换向加力,对分配阀口部与混凝土接触部分进行快速压实,有效地解决吸料过程中吸入空气和混凝土松散问题。达到降低换向冲击振动和改善混凝土泵送连续性的目的(见图6)。(2)实现过程:主油缸1上加装位移(速度)传感装置2,能向主控制器反馈主油缸活塞的即时位置。在配置液控主油泵4(控制油泵排量的斜盘由液控阀5控制)的混凝土输送机械上,加装一个电磁阀7。实施原理图:如图所示,当主控制器3通过主油缸1上的位移传感器2反馈得知主油缸1处于吸料过程的行程末端某位置时,向电磁阀7发送一个持续时间极短的电控信号。电磁阀7失电后,进入主油缸1换向阶段,即主油泵4快速换向时期,此时主油泵4迅速降至零排量。主油缸换向加力技术实现方式是在主油缸吸料过程则经过一个“匀速吸料-行程末端突然提速吸料-快速停止”的过程。从提速吸料到快速停止动作时间极短,对匀速吸料过程吸入输送缸内的松散混凝土起到快速压实的作用。2.3发挥主油缸和泵送系统的作用克服传统泵送系统座板式安装,实现料斗与付车架、水箱与付车架绞接点柔性安装(简图7),安装时的避免过定位,主油缸处采用弹性吊挂,保证主油缸与输送缸的同轴度,提高混凝土活塞、输送缸的使用寿命;泵送时泵送系统按混凝土的流动方向实现微摆,减少了液压冲击;同时采用吸震、缓冲材料,进一步减少泵送系统对车架的冲击,增大摆阀机构的维修空间,安装更方便。2.4连续泵送效率可以从以下三个方向研究连续泵送技术(1)通过提高摆缸的换向速度,缩短摆阀的换向时间,极限地提升混凝土泵送的连续性,以及单次泵送效率;(2)研究设计新型分配阀,更合理程序控制,实现连续泵送。(3)改变现有泵送系统结构,增加补偿装置,瞬间吸排料时泵送物的及时补充,实现具有真正意义上的连续泵送。2.5发动机泵送系统泵送系统的人性化技术也是今后研究的重要发展方向,主要表现在:(1)发动机负荷率自动匹配节能控制技术:通过发动机负荷率自动匹配节能控制技术,以发动机经济油耗区为目标,以控制发动机转速和主泵排量为手段,以发动机负荷率和控制系统压力为反馈,实现个性化排量控制、个性化搅拌控制和全自动中央润滑系统等,使泵送过程始终处于最优化水平,可以根据泵的数据智能地做出最优化调整,最大限度地降低油耗,减少泵送时的振动和磨损。(2)对泵送系统各部件结构进行优化设计,实现维修人性化,各部位易损件的观测与更换更方便。例如“双活塞自动退回技术”较现有的“自动退混凝土活塞技术”更换混凝土活塞更加方便快捷;料斗的自动翻转技术,新结构不断使用,使眼睛板、输送缸、S管的更换更加便捷。2.6混凝土输送缸工作机理因泵送系统是一个往复运动的载体,其易损件如眼镜板、切割环、混凝土活塞、输送缸、S管长期在恶劣的环境下工作,承受着与混凝土的强摩擦与硅酸盐的腐蚀,不断循环的高压冲击载荷,成为名副其实的易损件。通过润滑机理研究,如何提高混凝土泵在施工过程中的稳定性,降低设备维护成本,是提高混凝土泵易损件使用寿命的关键。(1)推翻传统的眼镜板和切割环堆焊表面磨平工艺,采用钎焊嵌块硬质合金的眼镜板及切换环,使用寿命可提高数倍。为了获得更高的耐磨性,等离子喷焊合金元素、镶嵌式L型与C型眼镜板与切割环等新结构、新工艺、新技术正在慢慢成熟,使用成本更低。(2)为保证混凝土输送缸的使用寿命,现阶段主要采取在其内壁均镀铬层的方法,但这种方法严重污染环境。双层复合耐磨输送管的应用,使混凝土管道的使用寿命明显改观,且对环境污染小。随着新技术的不断运用,各种新工艺、复合材料的使用,输送缸及输送管的寿命将会得到进一步提升。(3)通过混凝土活塞运动机理研究,将纳米材料、自润滑技术应用到混凝土活塞中去。终将去掉混凝土活塞“易损件”的标签。(4)在智能缓冲换向控制中,应用高灵敏传感器采集信号,将泵送油缸与摆阀油缸的运动和混凝土运动的关系结合起来,能有效地调节泵送油缸的速度与方向,减少换向冲击,最大限度地使混凝土在输送管道内的流动接近理想状况,提高泵送的平稳性,既可减小振动,又提高了易损件的使用寿命。2.7模块化、标准化、模块化生产将泵送系统按照输送缸、主油缸的不同规格、系列从小到大排列起来,为未来行业制定相应标准,并对泵送系统的主要零部件在规格方面有明确的要求,实现标准化、模块化生产,推进行业进步:(1)泵送部件可由专业厂家批量生产,实现料斗、分配阀、水箱、拉杆、搅拌、摆阀生产的标准化、模块化。(2)排量压力可根据客户个性化要求定制,通过模块化零件的优化组合,组装不同的泵送系统,实现压力与