（机械制造及其自动化专业论文）混凝土泵送系统液压冲击的理论分析与实验研究.pdf

提要 本文对混凝土泵车液压系统的液压冲击进行了理论分析和实验研究。首先在 流变学原理的基础上，深入分析混凝土在输送管道内的流动状态，得出混凝土 泵送系统的负载特性方程；然后采用功率键合图的建模方法，建立泵送回路和 分配回路的数学模型，并运用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 对泵送和分配回路模 型进行了仿真，分析了在不同输入流量( 泵送频率) 和换向时间下，活塞杆的 位移和系统的液压冲击情况，找到了引起液压冲击的根本原因是分配回路的响 应时间与液压缸的运动时间不匹配，并提出了相应的改进方法。文章最后针对 某一具体机型的泵送液压系统进行了实验研究，对理论分析作了进一步的验证， 证明理论分析和结论是正确的。 本论文所做的研究工作对于提高国产混凝土输送泵的技术水平具有较高的 理论意义和工程应用价值。 关键词：混凝土泵车，液压系统，液压冲击，功率键合图，数学模型， 动态仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ei m p a c to fh y d r a u l i co ft h ec o n c r e t ep u m pi sa n a l y z e dt h et h e o r y a n dr e s e a r c h e dt h ee x p e r i m e n t f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ef l o w i n gs t a t eo ft h e c o n c r e t eb yt h et h e o l o g yt h et h e o r y , a n de s t a b l i s h e dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n o fc o n c r e t ep u m p t h e ni ts e t su pt h ec o m p l e t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp u m p i n g c i r c u i t & d i v i d i n gc i r c u i to nt h et h e o r ya n dm e t h o do fp o w e rb o n dg r a p h t h i r d l y , i t s h n u l a t e dt h ep u m p i n gd r c u i t & d i v i d i n gc i r c u i tw i t ht h ew i d e l yu s e ds o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n k t h ed i s p l a c e m e n to ft h er o dp i s t o na n dt h ei m p a c to fh y d r a u l i ca r e a n a l y z e di nt h ed i f f e r e n ti n p u tf l o w ( f r e q u e n c yo fru m p ) a n dd i f f e r e n tr e v e r s i n gt i m e i tf o u n do u tt h ec a u s eo fh y d r a u l i ci m p a c t ( o n e t o o n ei nc o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h e r e s p o n s et i m eo fd i v i d i n gc i r c u i ta n dt h eo p e r a t i o nt i m eo fr o dp i s t o n ) ，a n dg a v es o m e m e t h o d st ow e a k e nh y d r a u l i ci m p a c t i nt h ef i n a lp a r to ft h ep a p e r , t h er e l i a b ! l i t yo f t h et h e o r ya n a l y s i si sf u r t h e rv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n to fh y d r a u l i cs y s t e m ，i tp r o v e d t h ea n a l y z e do ft h e o r ya n dt h er e s e a r c h e do fe x p e r i m e n ti sc o r r e c t t h ep r e s e n tp a p e rd o e st h er e s e a r c hw o r kr e g a r d i n ge n h a n c e st h ed o m e s t i c a l l y p r o d u c e dc o n c r e t ed e l i v e r yp u m pt h et e c h n i c a ll e v e lt o h a v et h ec e r t a i nt h e o r y s i g n i f i c a n c ea n d t h ep r o j e c t a p p l i c a t i o nv a l u e a k e y w o r d s ：c o n c r e t ep u m p , h y d r a u l i cs y s t e m ，t h ei m p a c to fh y d r a u l i c ， d y n a m i cs i m u l a t i o n , p 洲e rb o n dg r a p h ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出及研究的背景及意义 水泥混凝土泵车是一种用于输送和浇筑混凝士的专用机械，它配有特殊的 管道，可以将混凝土沿管道连续输送到浇筑现场，尤其是在高层建筑、地下建 筑和大型混凝土建筑物的旌工过程中，以其高质量、高效率、低消耗、低成本、 旌工周期短、劳动强度低等优点，正在迅速取代传统落后的混凝浇筑施工方 法，成为建筑施工中不可缺少的关键设型”。另一方面，我国有着巨大的混凝土 泵车的需求市场，十一五期间，我国要建一大批大型煤矿、油田、电站、机场、 港口、高速铁路、高速公路等重点工程，同时也要进行大量的城市道路、城镇 住宅的开发和建设，这都需要大量的混凝土。“九五”期间，我国的商。皤混凝 土现浇比重由1 0 增加到2 0 ，其设计能力由6 0 0 0 万立方米提高到8 0 0 0 万立方 米以上，其中泵送混凝土将由目前的5 增加到2 0 1 0 年的1 0 。因此，这些基础 建设的投资兴建将为混凝土泵车提供巨大的应用市场【3 】【4 】。 1 1 1 活塞式混凝土泵的工作原理 2 1 1 2 7 1 目前混凝土泵基本上都是液压驱动双缸往复式活塞泵，其工作原理是通过两 个油缸交替作用，推动混凝士缸中的工作活塞进行压送混凝士，实现混凝土的 连续输送。 图1 - 1 混凝土泵的工作原理 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 1 所示，输送缸( 2 a ，2 b ) 活塞分别与主油缸( 1 a ，l b ) 活塞杆相连， 在主油缸压力油的作用下，作往复运动，一个前进，另一个后退；输送缸出口 与料斗相通，在泵送混凝土时一个从料斗中吸入混凝土，另一个则把混凝土泵 送刭s 管中。泵送混凝土时，在主油缸的作用下，活塞3 b 前进，3 a 后退。此时 摆阀油缸4 b 处于伸出状态，4 a 处于后退状态，通过摆臂作用，s 管阀6 接通混 凝土输送缸2 b ，2 b 里面的混凝土在活塞3 b 的推动下，由s 管进入输送管道； 而料斗里的混凝土被不断后退的活塞3 a 吸入混凝土输送缸2 a 。当3 b 前进，3 a 后退到位以后，控制系统发信号，使摆阀油缸4 a 伸出，4 b 后退，摆阀油缸4 a ， 4 b 换向到位后，发出信号，使主油缸1 a ，1 b 换向，推动活塞3 a 前进，3 b 后退， 上一轮吸进输送缸2 a 里的混凝土被推入s 管进入输送管道，同时，输送缸2 b 吸料，如此反复动作完成混凝土料的泵送。 当混凝土泵发生堵管现象或其它一些紧急情况需要停机时，首先应当把管 道中的混凝土抽回，这时就要进行反泵操作，反泵时，通过反泵操作( 即4 a ，4 b 两摆缸改变状态) 使吸入行程的混凝土缸与s 管阀连通，使处在推送行程的混 凝土与料斗连通，从而将管路中的混凝土泵回料斗。 混凝土泵在两活塞缸交替工作产生时，容易产生液压冲击现象，是这种泵 的一个关键技术问题【1 1 】。当缸从泵料转换成吸料，另一缸则从吸料转换成泵 料时，由于外载荷的突然变化，相应油管中的油压会从高压转化为低压，或从 低压转化为高压，同时油液的流向也会发生改变。油液流动的急剧变化，在液 压系统中不可避免地会产生液压冲击。如果液压系统设计不合理，泵送回路和 分配回路在换向时不是严格协调同步，在泵料与吸料转换时，分配回路控制的 “s ”管形阀的动作超前或滞后，都会在液压系统中产生极大的峰值压力，这种 峰值压力形成的液压冲击，对混凝土泵车的危害是巨大的【5 】。其危害主要体现在 如下三个方面： 1 对液压系统的危害 在液压系统中，由于某些原因( 如快速抉向或突然关闭各种阀，冲击性负 载等) ，会引起油液流动速度或方向的急剧变化，从而产生瞬时高压形成液压 冲击。由于产生液压冲击时瞬时压力比正常工作压力高很多，甚至超过正常工 作压力的2 5 倍以上，并且会产生巨大的振动和噪声。若液压系统长期处在这 种交变的液压冲击作用下，会造成管道和元件的振动，严重时会造成密封装置 和液压元件的损坏，或控制部件( 如压力继电器，液压控制器) 产生误动作， 导致设备的损坏。另一方面，当液压油吸收部分液压冲击波后，其油温会迅速 2 武汉理工大学硕士学位论文 上升，造成液压油变质和系统泄漏，从而引起环境污染。 2 对混凝土泵车的危害 液压冲击作为一种振动源，会引起机体和臂架的振动。当臂架展开，进行 泵送旌工时，其臂架长达4 0 多米，机体的微小振动都会使臂架发生大幅度的摆 动，尤其是当液压冲击频率与臂架的最低阶固有频率耦合时，会加剧臂架的摆 动，从而引起臂架的早期疲劳而出现裂纹，甚至引起臂架断裂，发生机毁人亡 事故。另一方面，机体和臂架的振动，也使得泵车的稳定性变差，还会引起整 车的倾翻。 3 对浇筑工程的影响 液压冲击引起臂架在水平面上的摆动和在垂直面上的振动，使得输送管末 端的软管在浇筑时无法定位，尤其是在工作面较小的大型桥墩、高层房屋建筑 旋工时，更增加了施工难度，影响旌工质量。 研究混凝土泵车的液压冲击，找出引起液压冲击的根本原因，提出减小冲 击的措旌，消除在泵料，吸料时的压力峰值，对于提高混凝土泵车的可靠性， 延长液压元件的使用寿命，改善浇筑工程质量都有十分重要的现实意义。 1 1 2 课题的提出 我国在5 0 年代就从国外引进了混凝土泵的设计、制造技术，通过4 0 多年的 发展，到9 0 年代，已进入了自主研发的阶段。但在混凝土泵车的关键技术 液压控制技术方面，还存在着一些不足，从而影响了产品的可靠性、使用寿命 和施工质量。国内某一大型混凝土泵车生产企业，在国外单泵并联回路液压系 统的基础上，自主研发了双泵双回路开式液压系统，其系统性能有较大韵改进。 如在液压冲击方面，对于开式单泵并联回路液压系统，由于一个油泵驱动两个 工作机构，而且两个工作机构的荷载不同，因此，油泵压力波动较大，存在液 压冲击，而且冲击频率是双回路系统的两倍。采用双泵双回路后，液压冲击强 度和冲击频率都有大幅度的下降。虽然在双泵双回路中使用两个主泵分别向主 缸和摆缸供油，不存在动作的干扰的问题，但是存在着泵送和分配回路在严格 意义上的协调同步问题。 本文主要针对国内某大型企业生产的水泥混凝土泵在低频和高频泵送时， 泵送和分配回路不严格协调同步而导致低频泵送时发生混凝土外溅，在高频泵 送时发生的臂架的大幅度摆动( 液压冲击) 的现象进行研究，为混凝土泵液压 系统的设计和改进提供可靠的依据。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外混凝土泵的发展趋势【1 2 】 混凝土泵的发明己有九十多年的历史。1 9 0 7 年德国人最先取得混凝土泵的 专利权：1 9 1 3 年美国c o m e l lk e e 设计并制造出了第一台曲轴机械式混凝士泵， 但没能得到应用；1 9 2 7 年德国的f r i t zh e l l 设计制造了第一台得到成功应用的 混凝土泵；荷兰人j c k o o y m a n 在前人的基础上进行改进，1 9 3 2 年他成功地设 计并制造出采用卧式缸的k o o y m a n 混凝土泵，该泵采用一个卧式缸和由两个连杆 操纵联动的旋转阀的结构，大大提高了上作的可靠性。此后混凝土泵的发展都 是在k o o y m a n 机械式混凝土泵的基础上进行的。 第二次世界大战后，各国陆续开展经济恢复上作。建筑工程日益扩大，机 械式混凝土泵的销路较好，应用日益增多。至, j s o 年代中叶，德国的t o r k r e t 公司 首先设计出以水为工作介质的混凝土泵，标志着混凝土泵的发展进入了一个新 的阶段；1 9 5 9 年德国的s c h w i n g 公司生产出第一台全液压的混凝土泵，它采用液 压驱动，功率大、振动小、排量大并可实现无级调速和反泵操作，减少了堵管 现象。从此，混凝土泵技术日趋完善，混凝土泵也进入大规模应用的阶段。此 后为了提高土泵的机动性，6 0 年代中期又研制了混凝土泵车。同时，为了使混 凝土浇注更加方便，又在混凝土泵车上加装了可以回转和伸缩的布料杆。 国外混凝土泵的主要生产厂商有：德国的旌维英( s c h w i n g ) 公司、普茨迈 斯特( p u t z m e i s t e r ) 公司、赛勒( s c h e e l e ) 公司和施泰特( s t e t t e r ) 公司； 美国的查伦奇一考克兄弟( c h a l l e n g e - - c o o k eb r o s ) 公司和汤姆森( t h o m s e n ) 公司；日本的三菱重工、石川岛播磨、极东开发和新泻铁工公司；韩国的大宇 等公司。 我国在5 0 年代开始从国外引进混凝士泵，自t u 8 0 年代才取得较大的发展。 从9 0 年代至今，是我国混凝土泵大规模研制和生产的时期，并且已取得了巨大 的成功。目前混凝土泵的设计生产己接近世界先进水平。 我国混凝土泵的主要生产厂家有：中联重科、三一重工、湖北建设机械股 份有限公司、山东方圆集团、徐州混凝土机械厂、山东建设机械股份有限公司、 深圳重科和沈阳盛港机械有限公司等。 混凝土泵的技术现状： 混凝土泵经过9 0 多年的发展，无论是整机的机动性，布料系统的灵活性， 还是液压系统的可靠性方面，技术都已相当成熟。 目前混凝土泵技术的主要的特点： 4 武汉理工大学硕士学位论文 分配阀不断创新和完善，阀门的密封性和通畅性得到了进一步提高，且 结构日趋简单、完善。分配阀的功用是控制混凝土的吸入和泵出，主要有两种 形式：闸板阀和管式阀。对于闸板阀，由于料斗安放在混凝土缸的正上方，其 混凝土的吸入性能较好，但闸板易磨损，密封性能较差，不能进行高压输送。 管式阀应用较广，其结构形式也较多，施维英公司生产的裙阀，普茨迈斯特公 司生产的“c ”形管阀以及新泻铁工生产的带辅助吸料管的s 管阀都代表分 配阀目前的撮高水平，它具有输送阻力小、密封性能好、耐磨承高压的特点。 用液压传动取代机械传动，便泵送工作更加平稳、可靠和易于控制；液 压系统是混凝土泵最关键的部分。国外多采用开式系统，其产量占总产量7 0 9 6 ， 而国内开式、闭式液压系统的产量各占一半。施维英公司作为开式系统的代表， 采用液压行程换向，技术特点主要体现在换向匹配上。普茨迈斯特公司为闭式 液压系统的代表，采用电开关换向，独立的摆动油缸控制，技术特点主要体现 在对主油泵的控制上。电器控制从传统的继电器式控制到现在的p l c 控制，控制 系统更加可靠，易于操作。 当管路发生堵塞时，液压传动系统可自动防止过载，并控制分配阀换向， 使机器实现反泵动作，消除堵塞；搅拌系统也可实现卡料时的反转，消除料斗 中的卡料现象。它们都可以采用自动或手动方式进行控制。 应用了高效减水剂，提高了混凝土的流动性和可泵送性，在不降低混凝 土性能的情况下，极大地改善了混凝土的泵送性能。 商品混凝土的发展、混凝土搅拌输送车的配套使用，使质量可靠的混凝 土得到均衡的供应，从而保证了连续泵送的条件。同时各种形式的布料装置的 出现，解决了混凝土的布料问题，扩大了混凝士泵的使用范围。 作为混凝土泵核心技术的液压系统无论是闭式系统还是开式系统，目前都 存在一定技术难题。目前混凝土泵液压系统方面主要存在的问题： 1 在闭式系统中，存在液压冲击。最高泵送速度降低，油温过热和回油吸 空四个方面的问题。如何消除压力峰值和吸空现象是闭式系统中最主要的难题， 目前只有普次迈特公司拥有专利技术的( s n 机构) “低压停止”技术，很好地 解决了液压冲击问题。它的工作原理是：在油缸停止的瞬间，回油压力降低， 此时s n 机构动作，使得主油泵斜盘摆角减小，泵的流量也急剧减少，从而可以 防止液压冲击。 2 在开式系统中，主要的问题也是压力冲击，而且比闭式系统更为严重， 但由于系统机构简单，性价比较高，国内采用开式系统的厂家较多。开式系统 5 武汉理工大学硕士学位论文 采用阀控换向，对于大流量液压系统而言，换向阀在高速切换时所产生的液压 冲击非常剧烈而复杂。本论文主要是针对园内某一成型泵车开式液压系统，就 如何减少在高速泵送时巨大的液压冲击进行分析研究。 混凝土泵的发展趋势【4 】： l 混凝土泵向高压、大排量发展 由于高层建筑和大量混凝土浇注的需要，如高层建筑物的封顶、大型桥墩、 水坝的浇注都要求一次性完成，使得混凝土浆有向高压，大排量的发展趋势。 如普茨迈斯特公司生产的系列泵车中有世界上最大的混凝土泵车，该泵车布料 的垂赢高度达6 2 m ，最大输出量达2 0 0 m 3 h ，整机重量为6 2 t 。如三一重工生产的 h b t 8 0 c 型混凝土泵车，最高泵送压力可达1 8 9 m p a ，可将混凝土送到4 0 0 m 高的屋 顶。 2 小批量、多品种、多功能适应用户要求 即使是年产近千台的公司也不只限于几种产品，而是根据用户要求在压力， 排量，发动机种类，附属功能等各项参数上进行“灵活生产”，这种柔性的生 产，要求生产者拥有更多的技术储备，更高效的生产组织管理。 3 建立电视监控系统满足安全作业的要求 在大型超长臂架的混凝土泵车作业时，为防止其臂架转动或泵送产生的振 动而发生倾翻，有的泵车设计了防倾翻a s c 电视监控系统。它利用安装在支腿上 的压力传感器测定载荷的变化，使泵车在倾翻前作出响应，保证泵车安全作业。 4 ，建立完善的维修服务体系。 生产厂家针对泵出的工作状态，作业对象，记录泵车工作的磨损情况，通 过一套关于使用，维修，保养的计算机管理程序( 蹦一d 舡s y ) 的分析，最后发 出对产品是否进行维修服务，更换零件的指令。 1 3 课题研究的主要内容 本文主要针对国内某大型企业生产的水泥混凝土泵在低频和高频泵送时。 由于泵送和分配回路不能严格协调同步而导致低频泵送时发生混凝土外溅，在 高频泵送时发生臂架大幅度摆动( 液压冲击) 的现象进行研究，为混凝土泵液压 系统的设计和改进提供可靠的依据。 本文研究的主要内容： 1 搜集研究国内外混凝土泵液控技术的文献资料，分析混凝土泵液控换向 武汉理工大学硕士学位论文 过程和液压冲击形成的原因。 2 分析混凝土在输送管中的流动特性，计算了混凝土的泵送压力和混凝土 的流速，建立了泵送回路的负载特性方程。 3 利用一种功率键合图建模的方法，建立了泵送系统的数学模型和仿真模 型。 4 利用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 对泵送系统进行仿真研究。 5 进行相关的实验研究。 6 根据仿真研究和实验研究得出的结论，对液压系统的改进提出相应措施。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混凝土泵送系统的液压冲击分析 2 1 混凝土泵送液压系统分析 2 1 1 混凝土泵送液压系统 水泥混凝土泵的液压系统为液控换向三回路开式系统。由泵送回路、分配回 路以及搅拌、清洗、冷却回路组成。其液压系统原理图如图2 - 1 所示。 囟国 工况 d t id t 3d t 5 简姆一 oo 藤 + + 鸡 r l 一睁 | 王e 罔 瓣黼 + + 上 i。 摆缸_ j 苷 上 啦 摆缸退 i ：啦 魁拌反转 高压泵送 d t 5 榭：蒜暗 风垮 广斟蟹 筋澎 扬 衄 j ：占一、一一 。 一bo 因 l 一一一l l 。一 a 、 啦丁”j 一磷 梧 t 2 id t 3 訇舻 钞 ， 蕾札料 1 冉 。一咂略铲一。嘲o? p l、l 网：t 5 _ v i h ，l 钞 蕲一甲。攀 西 。 o口m ”1 憧一。 0 1 f 。甲噼枣挺 卜b = 卜一 断 二 煺固 伞 饩 o 图2 - 1 液压系统原理圈 1 。油箱2 主油泵3 恒压泵4 辅油泵5 球阀6 、9 、1 0 压力表7 蓄能器8 单向 阀1 1 溢流阀组1 2 、1 3 液动换向阀1 4 小液动阀1 5 、1 6 、2 0 、2 6 、3 2 、4 0 电磁换 向阀1 7 泄油阀1 8 、3 3 溢流阀1 9 梭阀2 1 、2 2 插装阀2 3 主油缸2 4 摆阀油缸 2 5 压力继电器2 7 搅拌马达2 8 水泵马达2 9 叠如式溢流阊3 0 手动挟向阀3 1 滤 油器3 4 风冷马达3 5 风冷却器3 6 水冷却器3 7 温度计3 8 空气滤清器3 9 液位 计 泵送系统由：主油泵2 ( 恒功率变量泵) ，分配油泵3 ( 恒压变量泵) ，溢流 8 武汉理工大学硕士学位论文 阀组1 1 ，液动换向阀1 2 、1 3 、1 4 ，电磁换向阀1 5 、1 6 、2 0 ，插装阀2 1 、2 2 ， 主油缸2 3 和摆动油缸2 4 等元件组成。 主油泵2 为带压力切断的恒功率变量泵，具有电控变量和恒功率控制两种方 式。它的最大排量为1 9 0 m l r 。泵的输出流量q 随负载的大小而变化，若输送距 离小，系统压力低，输出的流量q 就高；反之若输送距离远，系统压力高，输 出的流量q 就会自动下降。由于系统的流量q 根据负载压力p 能自动调节，故 能保证系统具有恒功率性能( 功率n = p q ) ，因而能防止系统过载。主油泵2 的 最大工作压力为3 5 m p a ，电磁溢流阀1 1 设定的系统压力为3 2m p a 。当系统压力 超过3 2m p a 时，电磁溢流阀l l 自动溢流，以保护液压系统不受损坏。 2 1 2 液压系统工作过程 该泵送系统的结构特点是，双泵双回路开式系统( 泵送回路和分配回路) ， 各回路中换向阀的动作是由对方回路的液压油控制的，即液动顺序宣控。现将 其控制过程说明如下，见图2 - 1 液压系统原理图。 电磁换向阀d t l 、d t 2 、d t 3 、d t 4 ，用来控制正泵和反泵，当d t l 、d t 2 得 电时为正泵，当d tl 、d t 3 、d t 4 得电时为反泵。当主油缸运动到接近行程终点 时，主油缸上的触发机构发出控制油信号，控制液动换向阀1 3 换向，1 3 换向后 使摆动油缸换向，摆动油缸摆动到位后，其进回油路压差发出控制油信号，控 制主液动换向阀1 2 换向，1 2 换向后使主油缸换向，从而完成一个循环换向动作。 正泵是泵送混凝土的工作循环。正泵时，当d t l 、d t 2 得电，电磁换向阀1 5 工作在左位，此时液动换向阀1 4 1 工作在右位，从变量泵3 ( 为恒压控制，设 定的压力为1 6 m p a ) 引出的压力油经电磁阀1 5 ，液动阀1 4 1 到换向阀1 2 的左 端，推动阀芯向右移动，使换向阀1 2 工作左位，此时，主泵2 出口的高压油， 经换向阀1 2 ，到插装阀2 1 2 ( 由于电磁阀2 0 工作在右位，则插装阀2 1 1 关闭) ， 插装阀2 1 2 导通，高压油进入泵送油缸2 3 2 的有杆腔，无杆油腔的液压油被 压向插装阀2 2 ，( 此时插装阀2 1 4 没有导通) ，高压油再经插装阀2 2 到泵送油 缸2 3 1 的无杆腔，推动活塞前进，完成左缸的泵送任务。当活塞接近泵送油缸 2 3 1 的行程终点时，从t r 缓冲机构引来的高压油，作用在分配回路液动阀1 4 2 的右端，使从变量泵3 引来的压力油经电磁阀1 6 ，液动阀1 4 2 到达换向阆1 3 的左位，推动其阀芯向右，使换向阀1 3 工作在左位，此时，变量泵3 和蓄能器 7 向摆动油缸2 4 1 提供大流量，使分配阀快速切换，完成关闭泵送油缸2 3 1 的 泵送口，打开泵送油缸2 3 2 的泵送口的动作。当摆动油缸2 4 1 完成摆动动作 9 武汉理工大学硕士学位论文 后，换向阀1 3 仍工作在右位，此时变量泵3 对蓄能器7 补充流量，使分配回路 系统的压力恒定在1 6 m p a 。待分配回路的系统压力稳定后，从回路中a 点引入的 压力油( 设定压力为1 6 m p a ) 和从b 点引的压力油( 设定压力为lm p a ) 分别作 用在液动阀1 4 1 的左、右两端，其压差使得液动阀1 4 1 换向，工作在左位， 此时从变量泵3 所引入的压力油经电磁阀1 5 ，液动阀1 4 1 作用在换向阀1 2 的 右端，主泵2 的高压油经换向阀1 2 ，插装阀2 1 3 到泵送油缸2 3 1 的有杆腔， 无杆腔的高压油经插装阀2 2 到泵送油缸2 3 2 的无杆腔，推动活塞前进，完成 右缸的泵送任务。如此往复循环，完成连续泵送任务。 高压泵送时，如上所述，只是d t 5 得电，使得插装阀2 1 1 、2 1 4 、2 1 5 工 作，主泵2 的高压油首先进入泵送缸2 3 1 或2 3 2 的无杆腔，使其活塞的推动 力较大，完成高压泵送。 反泵时，通过反泵操作使吸入行程的输送缸与“s ”管阀连同，使处在推送 行程的泵送缸与料斗相连，从而将堵塞在管道中的混凝土泵送回料斗，达到排 堵的目的。 2 1 3 工作装置工作过程【1 6 】 图2 2 ( a ) 为正泵前半个循环示意图，在主油泵的压力油p 1 作用下，主 油缸l ( 1 ) 中的活塞前进，同时也带动输送缸2 ( 1 ) 中的活塞前进，推动2 ( 1 ) 中的混凝士通过与2 ( 1 ) 出料口相连的“s ”管进入输送管道。而料斗里的混凝 被2 ( 2 ) 中不断后退的活塞吸入输送缸2 ( 2 ) 。当2 ( 1 ) 、2 ( 2 ) 中活塞前进、 后退到位以后，控制系统发出信号，使摆动油缸5 换向，即使“s ”管与2 ( 2 ) 的出料口相连，如图2 2 ( b ) 所示。“s ”管换向到位后发出信号，使主油缸l ( 1 ) 、1 ( 2 ) 换向，推动l ( 2 ) 的活塞前进，1 ( 1 ) 的活塞后退。上一轮吸入 输送缸2 ( 2 ) 中的混凝土被推入“s ”管进入输送管道，同时输送缸2 ( 1 ) 吸料。 如此往复动作，完成混凝土的泵送。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 ( a ) 正泵前半个循环 2 2 ( b ) 正泵后半个循环 1 一主油缸2 输送缸3 料斗进料口4 s 管5 摆动油缸6 一摆臂 2 2 混凝土泵送液压冲击分析 在闭式液压系统中，泵送系统的换向是利用主油泵的斜盘摆角正负变化来 实现的。由于主油泵换向后，其流量从零逐步增大，因而起动平缓，活塞加速 均匀，可以很好地消除在换向时所产生的液压冲击。但是在开式系统中，换向 是通过液动换向阀的切换来实现的，大流量液动阀在高速换向时，系统会产生 剧烈而复杂的液压冲击。如果泵送回路和分配回路设计不合理，液压系统将产 生很大的峰值压力和更强烈的液压冲击。对其液压系统的测试结果也证明了这 一点。下面通过对液控换向过程的分析，以便找到系统产生很大的峰值压力的 原因。 2 2 ，1 液控换向过程及液压冲击分析【1 3 】 当主油缸活塞运动到接近行程的终点时，触发机构发出控制信号( 压力信 号) ，控制信号经过一定的延时后，再使主换向阀1 2 换向，从而使活塞运动换 向。其具体豹换向过程是，当活塞杆运动到t 8 5 米的行程时，触发器产生压力 信号压力油使得液动阀1 4 2 、换向阀1 3 完成换向，此后，分配回路向摆动油缸 提供高压油，使“s ”阀管完成切换，当分配回路进、回油路的压差达到设定的 压差1 5 m p a 后，才能使得液动阀1 4 1 和主抉向阀1 2 完成换向，从而使得活塞 杆向后运动。在换向过程中，摆动油缸完成切换的时间较长，是影响换向时间 的主要因素。 在高频泵送时，系统的液压冲击极大，可参阅图6 5 、图6 - 6 的实验结果。 分析其原因是在高频泵送时，泵送回路与分配回路中互相控制的换向阀不是严 格的协调。由于摆动油缸2 4 1 、2 4 2 的换向时间较长，在换向时间内，摆动油 武汉理工大学硕士学位论文 缸进、回油管道中的压力没有稳定，从进、回油管中引来的控制油压差没有达 到液动阀1 4 2 换向时的设定压差，液动阀1 4 1 切换缓慢( 或不能切换) ，当泵 送油缸的活塞到达行程的终点时，由于液控阀1 4 1 换向缓慢，致使换向阀1 2 换向动作滞后，而主油路仍继续给泵送缸提供高压油( 憋死) ，使得系统的油压 激剧升高，当动作滞后的换向阀1 2 完成换向后，憋死的高压油会突然泄掉，从 而使得其油压又激剧下降，从而产生强烈的液压冲击。 从测试现场观察可知，在低频泵送时，会发生水泥混凝土向外飞溅现象。分 析其原因是在低频泵送时，也是泵送回路与分配回路中互相控制的换向阀不是 严格的协调。由于摆动油缸2 4 1 、2 4 2 的换向时间相对较短( 无论高频和低频 泵送时，分配回路的响应时间基本是不变的，其响应时间是由系统的动特性所 决定) 。由于在换向时，摆动油缸动作完成，即“s ”管形阀从泵送缸转换到吸 料缸，但泵送缸中的活塞还没有达到其行程终点，此时“s ”管形阀突然离开泵 送缸口，就发生了泵送缸中的高压混凝土经过料斗向外飞溅现象。 根据以上液控换向过程及液压冲击分析，造成系统极大的液压冲击和混凝 土飞溅现象的根本原因，是由于从产生触发信号到主油路换向，要经过一定的 延时，其时间的长短基本上是固定的( 由分配系统中各组成元件的动特性决定) ， 但是活塞从产生触发信号到运动到行程终点的时间是变化的，它与系统的泵送 频率( 活塞运动的速度) 有关，泵送频率高则其时间短，泵送频率低则时间长。 由于分配回路的响应时间( 固定值) 和活塞的运动时间( 变化值) 不相匹配， 从而在高频泵送产生时液压冲击，在低频泵送时发生混凝土飞溅现象。后续章 节中，在建立泵送系统数学模型的基础上，用仿真软件对这种现象进行仿真研 究。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章泵送系统负载特性 本章主要根据流变学的原理，分析水泥混凝土在输料管中的流动特性，建立 流变方程，然后依据其方程计算出混凝土泵的出口压力和混凝土的流速，最后 根据管道的折算系数，得出模拟负载方程。 3 1 混凝土在泵送过程中的流动特性 6 】 3 1 1 流变学原理及流变模型 流变学是是近代力学的一个分支，是研究材料流动和变形规律的科学，它 综合研究物质的弹性变形、塑性变形和粘性流动。即主要研究某一瞬时，材料 的应力和应变的定量关系。 流变学的基本元件有虎克弹性体、牛顿液体和圣维南塑性体，这三种基本 元件都是理想物体模型。虎克体代表具有完全弹性的理想材料，具有弹性和弹 度，但没有粘度；牛顿液体代表具有粘性变形的材料，具有粘度但没有强度和 弹性；圣维南体代表超过屈服值后只有塑性变形的材料，具有弹性和塑性，但 没有粘度。 由于实际物体都同时兼有这三种性质，即弹、粘、塑性，只不过在一定的 条件下，某一方面的性质较为突出，因此在研究实际材料的应力和变形时，可 以将上述三种理想材料的流变模型，加以串联或并联，组合成流变模型加以研 究。 根据三种理想材料的不同组合方式，可将流变模型分为马克斯威尔模型， 开尔文固体模型和宾汉姆粘塑性体( b i n g h a m b o d y ) 模型。根据参考文献1 6 】的分 析可知，水泥混凝土的流动与变形特性，符合宾汉姆体的流变学特性，可用宾 汉姆体模型来研究水泥混凝土的流动特性。其流变学模型如图3 1 所示。 图3 - 1 宾汉姆体模型 武汉理工大学硕士学位论文 当百cf 。时，并联部分不发生变形，此时 _ r 一6 r 式中：f 剪切应力； g 弹性变形模量； o 弹性变形 当百，百，时，则在并联部分发生与应力p f ，) 成正比的粘性流动。 咖 卜。，叫言 式中： r 。材料剪应力的屈服值； r ，粘性元件的变形； 珂材料粘滞系数。 故模型总应力与总应变的关系为： d r ”7 ，+ 叩云 即为宾汉姆体的流变方程。 3 1 2 混凝土在输料管中的流动状态 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 混凝土在输料管中流动时，要承受泵送压力和管壁的摩擦力，其流动状态可 以用宾汉姆体流变模型加以研究，其流交方程为： f = _ r ，+ 叩石e r r ( 3 - 4 ) 当施加一定的剪切应力f ，且f ，f 。时，混凝土即产生流动，产生流动后的 剪切应力随速度梯度d r d r 成正比增加。如图3 - 2 所示，横坐标为速度梯度，纵 坐标为相对速度梯度下所产生的剪切应力。 图3 2 宾汉姆体的流变曲线 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于混凝土拌和物类似于宾汉姆体，因而可以对泵送混凝土认为是宾汉姆体 在推力的作用下沿管道的运动。现分析水平放置的管道中长度为出的单元体的 受力情况，受力如下图3 3 所示。 图3 - 3 混凝土在物送管内流动时力的平衡 ( p + 咖弘矿2 一p r2 万一2 珂鞠k 翠0 。三尘 2 出 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 从上述分析可知，在压力梯度咖出一定的情况下，输送管中半径，越大， 则任意点上所产生的剪切应力也越大。如果作用在，位置上的剪切力百比r 。小， 则在长度为出，半径为r 的体积元范围内就不能产生流动，而产生流动的范围 是： r4 口 弘i 言w ， 即 r 打，( 勿如) ( 3 7 ) ( 3 _ 8 ) 如果压力梯度劫d x 为一定值，混凝土的流动范围则取决于屈服值f ，对于 牛顿液体f 。= 0 ，则在整个输送管道内产生流动，如图3 _ 4 ( a ) 所示，管内流速 的分布为一抛物线。如果是具有屈服值的流体，如图3 4 ( b ) 所示，输送管中 心部分就不发生相对流动而形成固体栓，管内流速为一平头抛物线。屈服值越 大，则固体栓也越大，当屈服值超过一定值时，就会在整个输送管的断面形成 固体栓，流体在管道中的流动可以看作是整个固体栓沿管壁滑移。如图3 - 4 ( c ) 所示。 t 闻t ， t ，戈 二夏i )嘲黝 么z 磁旎物 曲如， 图3 4 流动形式与剪力关系图 对于混凝土而言，经过大量的试验证明，不管混凝土的级配或输送条件如何 变化，输送过程中的混凝土是以固体栓的形式与管壁发生摩擦，所以只有克服 此摩擦力，混凝土才能在管道中流动。且实验表明，混凝土与管壁间摩擦力的 武汉理工大学硕士学位论文 大小是与混凝土的流速成正比例增加的。 3 1 3 流态混凝土与管壁的摩擦力 流态混凝土在输送管道中，以固体栓的形式流动。要使固体栓产生流动，则 泵送推力必须足以克服固体栓与管壁的摩擦阻力。目前计算摩擦阻力的方法较 多，s m o f i n a g a 公式被认为是至今较完善的计算公式1 6 1 。它是由日本东京施米 兹建筑公司研究所s m o r i n a g a 在一定的试验基础上，通过理论推导而提出的。 他首先承认流态混凝土在输送管中的流动属于“柱塞流”，然后通过试验， 测得输料管内表面与流态混凝土之间的摩擦阻力。试验表明，流态混凝士开始 运动时的摩擦阻力，相当于其与管内壁间的摩擦阻力，运动后，摩擦阻力与混 凝土拌和物的流速成比例增长。因此摩擦力，与v 的关系可用下式表示： f k l + 七2 v ( 3 9 ) 式中：k ，混凝土与管壁间的粘着系数； 七，混凝土在管内流动时与速度有关的系数。 因此可见，如果k ，比较大，在静止状态下的混凝士开始流动时所需要的力就 较大；如果k ，比较大，增加混凝土的输送量就较困难。k ，、k ，是于混凝土的坍 落度相关的经验系数。其取值为： k l = ( 3 0 0 0 1 0 s ) 1 0 4 k g c m 2 ( 3 - 1 0 ) k 2 一( 4 0 0 0 1 0 s ) x l o 。3 ( k g c m 2 ) ( m s ) ( 3 1 1 ) 式中：s _ 坍落度( e r a ) 。 3 2 混凝土泵送压力与流速的计算 混凝主泵送压力是指泵送缸在泵送工作时的压力。在液压系统设计中，泵 送压力是一个非常重要的参数，它决定了混凝土的泵送高度。影响泵送压力的 主要因素有：水平输送距离、垂直输送距离、弯管的半径及个数、管道横断面 的变化情况、管壁光滑度、以及混凝土的级配和坍落度等。在计算其压力时， 首先分析与水平面夹角为口的一根均匀直管中混凝土| | 受力情况。然后利用相 关的经验数据，将其它的影响因素折算到水平管道中计算，最后求得混凝土的 泵送压力。 3 2 1 混凝土在输送管中的受力分析 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 如图3 - 5 所示，设输送管内径为，管道与水平面的夹角为a ，混凝士的流 动速度为v ，设在距料端口为x 处的管内压力为p ，而经过出距离后，即在x + 出 处，其压力为p + 咖( 假设在输出端的压力为零) 。与主动力相平衡的被动力有 混凝土与管道的摩擦力，混凝土重力的轴向分力和混凝土流动时的惯性力。 图3 - 5 混凝土在直管流动时的受力 则摩擦力：2 0 w d x ， 重力的轴向分力为：万2 出p g s i n o ( p 为混凝土的密度) 惯性力为：坩2 出p d v d t 沿轴线列力的平衡方程： ( p + 矗p 弘矿2 一p 珂2 2 n r d x ，一厅2 d x - p g s i n 0 一玎2 p d v d t 昌0 ( 3 1 2 ) ，一k 1 + k 2 v ( 3 1 3 ) 将式3 1 3 代入3 1 2 中，整理可得： 码p d x 一2 r ( k l + 七2 v ) + p d v d t4 - p gs i n a ( 3 - 1 4 ) 假设混凝土是不可压缩的，并且管道的横截面是匀均的，则输送管道任意截 面的流速相等，故压力p 是x 的函数，则式3 1 4 可对x 积分，可得到距排出口 为x 处的压力。 叫詈暇岷m 象；叶x 考虑到混凝土在管道中流动是脉动的情况，现引入平均流动速度的概念( 可 参考文献1 6 】) 。式3 1 5 可表示为： p 一隆根舢料舯十 式中：p 泵送压力( m p a ) ； r 输送管半径( m ) y 管道中混凝土的平均流动速度( m ，s ) ： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 f 。活塞泵送的时间( s ) ； f ：分配阀的换向时间( s ) ： p 混凝土的密度( k g m 3 ) ： g 重力加速度( m s 2 ) ； x 输送管等效长度( m ) 。 3 2 2 管道中混凝土平均流速矿的计算 混凝土的平均流速y ，可以通过泵的实际排量与输送管道的平均截面积求 得。混凝土的实际排量，是泵的理论排量与容积效率的乘积，其计算式为： a 一6 0 k i k 2 别跏咖h ) ( 3 1 7 ) 式中：墨混凝土吸入缸中的容积效率( q - o 5 0 0 8 0 ) ； k ：作业时间率( k ：to 6 5 0 8 0 ) ； a 混凝土泵活塞的截面积( m 2 ) s 工作缸的有效行程( m ) ； n 每分钟泵送次数( 次分钟) 。 在计算其流速时，由于每节输送管道的截面积是不相等的，所以取每节管 道截面积的平均值计算。 j ；玎- 2 r( 3 1 8 ) 则混凝土的平均流动速度y 为： 矿。旦1 j( 3 1 9 ) 3 6 0 0 将式( 3 1 7 ) 、( 3 - 1 8 ) 、( 3 1 9 ) 整理可得： 矿，墨k 2 z s n a 6 0 万r 2 ( 3 - 2 0 ) 3 2 3 计算实例 对于本次实验泵车，当泵送次数为2 3 次，分钟时，求混凝土泵的实际排量和 混凝土的平均流动速度。 相关参数取值如下： k 1 - 0 7 k jt 0 6 5 z 一2 嚣。2 3 次，分钟 4 4 1 5 x 1 0 - 2 ( 勰2 ) 则泵的实际排量 q 一6 0 k x k 2 z a s n 一1 0 4 2 3 ( m 3 h ) 1 8 s 。2 ( m ) at 7 0 8 x 1 0 4 砸2 ) ( 3 2 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 管道中混凝土的平均流动速度 矿；q 3 6 0 0 a ；4 0 8 m s 3 。3 泵送负载的等效处理 ( 3 2 2 ) 由于在后续章节中用功率键合图分析泵送液压系统的功率流向时，要知道混 凝土负载所消耗的功率，即要求知道混凝土的速度和混凝土所受的力，也就是 负载上的功率情况。本节首先利用管道的折算系数计算输送管道的水平长度， 再根据公式( 3 -