（机械设计及理论专业论文）混凝土泵排量测量方法研究.pdf

摘要 混凝土泵是通过管道依靠压力连续输送混凝土的现代化施工设备，具有机动灵活、 准备时间短、施工效率高和环境污染少等优点。它能一次连续地完成水平运输和垂直运 输，传输距离长、输送排量大，二三百米的高层建筑可以一泵到顶，上万立方米的大型 基础亦能在短时间内浇筑完毕。因此混凝土泵浇筑混凝土以其高效率、高质量，越来越 赢得建筑行业的青睐。 本文从混凝土泵的结构，工作原理、混凝土在输送管中的流动特性以及压力的变化 等方面着手，建立混凝土泵排量的基本数学模型，指出实时泵送效率是解决问题的关键， 分析它产生的原因及影响因素。设计了数据采集程序，在现场施工的工况下实测混凝泵 车主液压缸的压力信号和活塞的位移信号，并且详细分析了压力信号和位移信号，在基 本数学模型的基础上确定了三种测量方案，并根据实验数据对三种测量方案进行分析和 比较，判断能否满足测量精度要求。 第一章对混凝土泵的市场需求和发展前景进行了概述，混凝土泵具有效率高、劳力 省、费用低等优点，介绍了国内外混凝土泵的发展概况和发展趋势、混凝土泵的类型、 工作原理等。最后，阐述了本课题的选题意义和主要研究内容。 第二章论述了混凝土的可泵性及泵送混凝土的流动特性，通过流变学原理及流变方 程，总结出一般的混凝土拌和物属于宾哈姆体，在输送管中流动属于“柱塞流”。分析了 混凝土拌和物在直管、弯管、锥形输送管中的压力变化、压力损失以及影响因素等，为 利用压力信号分析实时泵送效率奠定了理论基础。 第三章介绍了混凝土泵排量测量方法研究进展，根据混凝土泵的结构参数和工作原 理建立了测量混凝土泵排量的基本数学模型，阐述数学模型中混凝土泵实时泵送效率产 生的原因及影响因素。分析了施工现场实测的主液压缸油压信号波形的变化情况，并结 合混凝土泵的自身结构和工作原理，确定了三种混凝土泵排量测量方案。 第四章阐述了泵车的试验系统，传感器在泵车上的安装与固定。设计了主液压缸压 力信号与活塞位移信号的数据采集程序，对现场施工的混凝土泵车进行了试验数据采集， 为三种测量方案提供了大量的所需试验数据。 第五章对混凝土泵排量测量方案的测量原理进行了详细的论述，根据现场工况条件 下测量的数据，分别采用这三种测量方案计算混凝土泵的实际排出量，并对测量方案的 结果与标准值进行比较，分析它们的测量精度与误差。 第六章对本课题研究进行了总结与展望。 本课题受浙江省自然科学基金项目资助( 项目批准号：y 1 0 4 4 5 5 ) 关键词：混凝土泵：理论排量；实际排量；实时泵送效率；压力；位移 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n c r e t ep u m pi sm o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n to fc o n t i n u o u st r a n s p o r t i n g c o n c r e t eb yp i p e l i n ed e p e n d i n go np r e s s u r e ，w h i c hh a sal o to fc h a r a c t e r i s t i c so f m a n e u v e r a b i l i t y , s h o r tp r e p a r et i m ea n dal i t t l ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o ne t c i ti sa b l et o c o n t i n u o u sc o m p l e t eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lt r a n s p o r t a t i o n , l o n gt r a n s p o r t a t i o nd i s t a n c e , a n d h i g hp u m p a g e i tc a np l a c ec o n c r e t eo nh i g h - r i s eb u i l d i n go ft w oa n dt h r e eh u n d r e dm e t e r s ， g r e a tf o u n d a t i o no ft e nt h o u s a n dc u b i cm e t e r sb yp u m p i n gm e t h o d t h e m f o c o n c r e t ep u m p t h a th a sh i g h - q u a l i t ya n dh i g h - e f f i c i e n c yi sp o p u l a ra m o n gc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y t h ep a p e re s t a b l i s h e sb a s i cm a t hm o d e lo nt h ep u m p a g eo fc o n c r e t ep u m p ，i nt e r m so f s t r u c t u r eo fc o n c r e t ep u m p ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，r h e o l o g i c a lb e h a v i o ri n t op i p e l i n ea n dp r e s s u r e c h a n g i i l go f c o n c r e t e ，p r e s e n t sc o n c e p to f r e a l - t i m ep u m p i n ge f f i c i e n c ya n da n a l y z e sc a u s ca n d i n f l u e n c ef a c t o r so f i t a tt h ec o n s t r u c t i o ns i t e ，p r e s s u r es i g n a lo f c y l i n d e ro i la n dd i s p l a c e m e n t o fc o n c r e t ep u m pa r em e a s u r e db a s e do nd a t ac o l l e c t i o np r o g r a mw h i c hi sd e s i g n e d , a n d p r e s s l 】r es i g n a la n dd i s p l a c e m e n ta r cc a r e f u l l ya n a l y z e d t h r e em e a s u r em e t h o d sa r ep r e s e n t e d o nt h eb a s i so f b a s i cm a t hm o d e l ，w h i c ha r ec o m p a r e di nt e r m so f e x p e r i m e n td a t aa n dm a k ea j u d g ew h e t h e ro rn o tm e e td e m a n do f m e a s u r i n gp r e c i s i o n i nc h a p t e r1 ，s u m m a r i z e sm a r k e tr e q u i r e m e n ta n df o r e g r o u n do fc o n c r e t ep u m p ，w h i c h h a v es o m ea d v a n t a g e s , s u c ha sh i g h - e f f i c i e n c y , l o w - c o s t , l a b o r s a v i n ga n ds oo n o v e r v i e wo n d e v e l o p m e n ta n dt e n di nd e v e l o p m e n to fc o n c r e t ep u m pa th o m ea n da b r o a d ，t y p e sa n d w o r k i n gp r i n c i p l ea r ei n t m d u c e d a tl a s t , m o s t l yr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hc o n t e n to f t h ep a p e ra r ed e s c r i b e d i nc h a p t e r2 ，p u m p a b i l i t ya n dr h c o l o g i c a lb e h a v i o ro fc o n c r e t ea r ei n t r o d u c e d b y r b e o l o g yt h e o r ya n de q u a t i o no fc o n c r e t e ，s u m m a r i z e st h a tg e n e r a lc o n c r e t em i xb e l o n g st o b i n g h a m a n d p l u gf l o w i n t oap i p e l i n e w h e nc o n c t e t cm i xf l o w si nap i p e l i n ew h i c h i n c l u d e ss t r a i g h t ，s i p h o na n dt a p e r , c h a n g i n g ，l o s i n ga n di n f l u e n c ef a c t o r so fp r e s s u r ei na c o n c r e t ep i p e l i n ea r ea n a l y z e d i ti st h ef o u n d a t i o nf o rm a k i n gu s eo f p r e s s u r es i g m aa n a l y z i i l g r e a l t i m ep u m p i n ge f f i c i e n c y i nc h a p t e r3 ，r e s e a r c hs i t u a t i o no f m e a s u r i n gm e t h o do nt h ep u m p a g eo f c o n c r e t ep u m pi s a b s t r a c t i n t r o d u c e da n db a s i cm a t hm o d e lo fi ti se s t a b l i s h e di nt e r m so fw o r k i n gp r i n c i p l ea n d s t r u c 帆l r ep a r a m e t e ro fi t c a u s ea n di n f l u e n c ef a c t o r so fr e a l - t i m ep u m p i n ge f f i c i e n c ya r c d e s c r i b e d c h a n g i n go fp r e s s u r es i g n a lo fc y l i n d e ro i li sa n a l y z e da n dt h r e em e a s u r em e t h o d s o nt h ep u m p a g eo fc o n c r e t ep u m pa r ep r e s e n t e db ys t r u c t u r eo fc o n c r e t ep u m pa n dw o r k i n g p r i n c i p l e i nc h a p t e r4 ，t e s t i n gs y s t e mo fc o n c r e t ep u m p ，i n s t a l l a t i o na n df i x i n go fs e n s o r sa r e i n t r o d u c e d a tt h ec o n s t r u c t i o ns i t e ，c o l l e c t sd a t ao fc o n c r e t ep u m pb a s e do nd a t ac o l l e c t i o n p r o g r a mo fp r e s s u r es i g n a lo fc y l i n d e ro i la n dd i s p l a c e m e n to fp i s t o nw h i c hi sd e s i g n e da n d p r o v i d e sa b u n d a n tn e c e s s a r ye x p e r i m e n td a t af o rt h r e em e a s u r i n gm e t h o d s i nc h a p t e r5 ，m e a s u r i n gp r i n c i p l e so ft h r e em e a s u r i n gm e t h o d s0 1 1t h ep u m p a g eo f c o n c r e t ep u m pa r cd e t a i l e dd i s c u s s e d i nt e r m so fm e a s u r i n gd a t aa tl o c a lp u m p i n gc o n d i t i o n , a d o p tr e s p e c t i v et h et h r e em e a s u r i n gm e t h o d st oc a l c u l a t et h ep u m p a g ea n dc o m p a r e m e a s u r i n gp r e c i s i o no f t h e m i nc h a p t e r6 ，r e s e a r c ho f t h ep a p e ri ss u m m e du pa n de x p e c t e df i n a l l y n 峙p a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f7 _ h e j i a n gp r o v i n c e ( y 1 0 4 4 5 5 ) k e yw o r d s ：c o n c r e t ep u m p ；t h e o r e t i c a lp u m p a g e ； e f f i c i e n c y ；p r e s s u r e ；d i s p l a c e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位做储躲弘萌奄签字眺删年尹月l e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权澎鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 弓国毒 导师签名： 签字日期：彬年，月 厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 积以 签字日期衫年穸月j 1 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章首先对混凝土泵的市场需求和发展前景进行了概述，混凝土泵具有效率高、 劳力省、费用低等优点。然后介绍了国内外混凝土泵的发展概况和发展趋势、混凝土泵 的类型、工作原理等。最后，阐述了本课题的选题意义和主要研究内容。 1 1 概述 在建筑行业的混凝土施工过程中，混凝土机械需求量很大，广泛应用于工业、民用 建筑、国防设施等工程建设中。在工业发达国家，混凝土机械生产的先进程度标志一个 国家制造业水平。改革开放以来，随着我国经济的发展，城市化进程加快，建筑业的步 伐加快，使得混凝土机械总量迅速增加，我国使用着世界上数量最多的泵送混凝土系统， 其中包括一定数量的固定泵站和为数众多的混凝土泵。因此，我国泵送混凝土在混凝土 工程量中占的比例和混凝土泵送技术己接近世界先进水平删。 混凝土的现场输送和浇注是一项繁重的、关键的工作，它要求迅速、及时，并且保 证质量以及减少劳动消耗，从两在保证工程要求的条件下降低工程造价。尤其是对于一 些混凝土量很大的大型钢筋混凝土建筑物，例如：大型设备基础、地下工程和高层建筑 等，如何正确选择混凝土运输工具和浇筑方法就更为重要，它往往能决定工期长短和劳 动量消耗。利用混凝土泵输送和浇注混凝土，具有一系列的优点，受到人们的高度重视， 混凝土泵是通过管道依靠压力连续输送混凝土的现代化施工设备，它能一次连续地完成 水平运输和垂直运输，传输距离长、输送排量大，二三百米的高层建筑可以一泵到顶， 上万立方米的大型基础也能在短时间内浇筑完毕，具有效率高、劳力省、费用低的显著 优点，是现有混凝土输送设备中比较理想的一种。混凝土拌和物生产与泵送施工相结合， 利用混凝土搅拌输送车进行中间运送，可实现混凝土的连续泵送和浇注。因此，混凝土 泵浇筑混凝土以其高效率、高质量、低成本，越来越赢得建筑行业的青睐1 3 1 1 4 1 。 我国对混凝土泵的发展十分重视，自动化及高科技混凝土泵均处在发展和研制阶段。 并在此基础上深入的开展混凝土泵排量测量系统和智能化控制的方法研究。对混凝土泵 的排量进行实时计量、工作状态进行监测和故障检测等，进一步完善混凝土泵的功能， 开发高性能的混凝土泵，是目前要研究的主要课题。 第一章绪论 1 2 混凝土泵的发展概况和发展趋势 1 2 1 混凝土泵的发展概况l 删 混凝土泵送技术最开始是从国外发展起来的，德国是混凝土泵的创始国。1 9 0 7 年德 国就歼始研究混凝土泵，并且取得了专利权，制造出世界上第一台混凝泵。1 9 2 7 年德 国的弗利茨海尔( f r i t z h e l l ) 设计出了一种新型混凝土泵，并第一次获得了应用。1 9 3 0 年，德国又制造了立式单缸球阀活塞泵，如图1 1 所示。这种泵由曲柄和摇杆传动，由 于是立式单缸，因而工作性能较差。 图1 1 立式单缸球阀活塞泵 l 一活塞；2 - - 混凝土缸；3 一联杆：4 - - 摇杆；5 一气筒： 6 一喂料叶片；7 、9 - - 球塞；8 一连通管；1 0 一混凝土输送管 此后，荷兰人库依曼( j c k o o y m a n ) 在上述的基础上进行了重大改进，在1 9 3 2 年成功的将立式缸改为卧式缸，设计制造了库依曼型混凝土泵，如图1 2 所示。这种泵 有一个卧式缸及两个由连杆操纵联动的旋转阀组成，它成功的解决了混凝土泵的构造原 理问题，大大提高了泵的工作可靠性。 图1 2 库依曼型卧式缸混凝土泵 1 一活塞：2 一混凝土缸；3 一吸入阀；4 一排出阀： 5 一操作吸入阀联杆；6 一操作排出阀联杆；7 一料斗；8 一混凝土输送管 2 第一章绪论 3 0 年代，在库依曼混凝土泵基础上，荷兰、英国、德国、法国、前苏联、美国都曾 陆续制造了各种卧式缸的机械活塞泵，在混凝土工程施工中也开始陆续得到应用，但直 到第二次世界大战，混凝土泵仍处于小规模的适用阶段。到了第二次世界大战之后，各 国开展经济恢复工作，建筑工程规模日益扩大，因此机械式混凝土泵的销路良好，应用 逐渐增多 5 0 年代中期，德国的托克里特( t o r k r e t ) 公司首先发展了用水作为工作液体的液压 泵，使混凝土泵进入了一个新的发展阶段。1 9 5 9 年，德国的施维英( s e h w i n g ) 公司生 产了第一台全液压的混凝土泵，用油作为工作液体驱动活塞和阀门。6 0 年代中期又研制 出了混凝土泵车，将混凝土泵安装在汽车底盘上或专用车辆上，把混凝土的输送与浇注 工序结合在一起，这样即省了时间和劳动力，减轻了工人劳动强度，又能保证施工质量， 减少成品混凝土的损耗。此外，在泵车臂架活动范围内可以任意改变浇注位置，而不需 要在现场临时铺设管道，提高了劳动效率。 目前，欧美国家混凝土泵车发展较快，德国是世界上混凝士泵车的最大生产国，拥 有一批规模大、技术水平高的混凝土泵车制造企业，包括施维英( s e h w i n g ) 、普茨迈斯特 ( p u t z m e i s t e 0 、埃尔巴( e l - b a ) 等公司。美国是继德国之后发展混凝土泵车最早的国家之一， 亦拥有不少混凝土泵车制造企业，如罗斯( r o s e ) 、伊利( e r i e ) 、霍内( h o r m e t ) 等。美国除 注重混凝土泵车制造业的发展外，对混凝土泵送技术的研究也十分重视，成立了美国混 凝土协会( a c i ) 3 0 4 委员会，在研究泵送技术的基础上制定了一系列指导混凝土泵送施工 的文件、法规、标淮等，使美国混凝土泵车使用十分普及。日本泵送混凝土起步较晚， 但发展很迅速。目前，日本拥有一批大型混凝土泵制造企业，如三菱重工、石川岛播磨 重工、极东开发、新泻铁工所等。意大利的混凝土泵发展也很快，生产混凝土泵车的厂 家主要有华星顿( w o r t h i n g t o n ) 公司、西费( c i f a ) 公司、迅猛公n ( s e r m a e ) 、里根( r i g e l ) 公司等1 9 1 。 我国于2 0 世纪5 0 年代开始从国外引进混凝土泵车。6 0 年代初，上海重型机械厂生 产了仿苏c - 2 8 4 型排量为4 0 m 3 h 的固定式混凝土泵，生产中虽是有应用，但未能推广。 7 0 年代初，原一机部建筑机械研究所与沈阳振捣器厂参照前联邦德国施维英公司的 b p a 8 型样机，合作开发了h b 8 型固定式活塞混凝土泵，并于1 9 7 3 年通过技术鉴定。 这是一种单缸混凝土泵，采用球形分配阀，工作效率较低。后来，国家建委建设机械研 究所又与湖南常德机械厂合作，于1 9 7 8 年6 月研制成功h b 1 5 型油压式混凝土泵。与 此同时。电力工业部水电局夹江水工机械厂参照日本7 0 0 s 1 型混凝土泵研制成h b 3 0 型混凝土泵。该泵采用双缸液压泵送系统，分配阀为垂直轴蝶型结构，并于1 9 8 1 年通过 技术鉴定。此外，冶金部第一冶金建设公司研究所于1 9 7 9 年开发了h b 1 2 型混凝土泵。 同期，北京市建设研究所与北京建筑机械修造厂，北京市橡胶二厂和六厂协作，与1 9 7 8 年试制成功h b j 3 0 型挤压式混凝土泵。并在实际工程中加以应用。由此可知，我国从 7 0 年代开始，对各种型式的混凝土泵进行了研制，有的已通过技术鉴定，有的已小量生 第一章绪论 产，并开始用于实际工程施工。 2 0 世纪8 0 年代中期我国大量从国外引进较先进的混凝土设备，国产混凝土泵技术 水平有了较大的提高。在1 9 8 7 年，建设部再次组织沈阳工程机械厂从德国普茨迈斯特公 司引进b s a l 4 0 6 型混凝土泵送技术，并在此基础上设计了一种h b l 6 0 型拖式混凝土泵。 1 9 8 9 年通过鉴定。这种混凝土泵采用s 型管阀，混凝土输送量为6 0 m 3 h ，输送压力 1 0 6 m p a ，在实际生产中获得的广泛的应用。目前，我国混凝土泵车生产制造企业有十 余家，生产能力主要集中在三一重工、湖北建机、辽宁海诺，上海普茨迈斯特、安徽星 马、中联重科等几个企业，产量约占全行业的9 0 以上。最近几年，混凝土泵车产销量 正以成倍的速度增长【习1 5 】嘲。 1 2 2 混凝土泵的发展趋势 1 国外混凝土泵的发展趋势跚8 l 国外混凝土泵的发展，大体上经历的演变过程如图1 3 所示。 一蔓壅! 堕h 壁茎i 引堡壅蔓壅 亟塑 _ 圆 i 国外混凝土泵的发展卜 亟重 - 圆 广丙i ； 广i 翮厂再；孬 图1 3 国外混凝土泵的演变过程 国外泵车发展趋势从德国举行的近几届鲍乌曼( b a u m a ) 工程机械博览会和引进 的国外先进的混凝土设备可以看出：泵车在操纵、臂架、支腿型式、电控以及其他细节 上进行了技术改进，反映了泵车在方便实用、智能化方向发展上又迈上了新台阶【2 】嘲。 ( 1 )3 0 m 级别的混凝土泵车仍然受市场的欢迎。 ( 2 ) 泵车的臂架展开方式更灵活。 ( 3 ) 泵车支腿设计呈现出个性化、多样化的特点。 ( 4 )电气控制使操纵更简单。 ( 5 )国外企业开发了构造独特，对混凝土泵送作业具有良好适应性能的混凝土分 配阀，其中有“s ”型管阀、“c ”型管阀、眼型阀、裙阀等，它们各有优点， 促进了泵车的进一步发展和完善。 ( 6 )开发多功能泵车或特殊用途的泵送产品。 ( 7 )混凝土泵车在获取动力的技术方面，国外已研究开发多种型号。 ( 8 )由于底盘承载能力、布料秆加长以后，泵车的造价、整车性能参数匹配、道 路条件和施工现场建筑密集等原因，泵车向大型化发展的趋势减缓。 4 第一章绪论 综上所述，国外混凝土泵车向智能化、多功能化、大型兼小型化的方向发展。对布 料杆操作采用新技术，如无线遥控技术、计算机控制技术、电控比例技术、负荷传感器 技术等。 2 国内混凝土泵的发展趋判扣7 l 在国内，根据散装水泥发展“十五”规划发展目标要求，直辖市、省会城市、 沿海开放城市和旅游城市要积极发展预拌混凝，2 0 0 3 年底起，禁止在城区现场搅拌混 凝土，其它城市2 0 0 5 年底起，禁止在城区现场搅拌混凝土。到2 0 0 5 年，预拌混凝土生 产能力达到3 亿立方米以上，预拌混凝土占混凝土浇注总量的比例达到2 0 ，其中大中 城市要达到5 0 以上。这给混凝土机械行业提供了巨大的发展前景。混凝土泵送技术呈 现以下发展趋势： ( 1 )混凝土泵的发展，大体上经历了从活塞式到挤压式再到活塞式，从机械式到 液压式，从固定式到拖式再到汽车式的演变过程。目前，液压活塞式混凝土 泵已成为我国混凝土泵发展的主流。 ( 2 )混凝士泵产品的品种由单一型产品向系列化，多样化方向发展，企业的生产 规模不断随市场调整。 ( 3 )混凝土泵多用于输送坍落度较大的混凝土，这样泵送效率较高，但用水量较 大，如养护不好，易产生收缩裂缝，强度也低，因此现在正趋向于减小坍落 度的方向发展。 ( 4 )由于采用国际配套、全球采购的方针，使我国混凝土机械的性能和质量上了 一个新的台阶。 ( 5 )混凝泵向提高其工作可靠性和效率方向发展。主要是用耐磨的高强度钢材， 改进阀门系统，简单操作，保证机械长时间运转不发生故障。同时将更注重 降低能耗、降低噪声、降低污染，提高产品安全性、舒适性、维护和使用经 济性。 ( 6 )商品混凝土成套设备的配套产品以及能够满足用户特殊要求的产品将会在以 后得到较大发展。如砂石预处理设备、残余混凝土清洗回收装置、高性能混 凝土搅拌设备、冷搅拌和热搅拌的混凝土搅拌站、长臂架泵车等。 c 7 )各生产企业在提高产品的可靠性方面也做了不少的工作，例如在混凝土坍落 度控制要求比较严的场合，搅拌站都配有砂石含水率测定系统，可以自动调 节水、砂比例，以保证混凝土质量。混凝土泵和臂架式混凝土泵车一般配置 了有线遥控或无线遥控，以有效的掌握混凝土搅拌运输车的运行，有的商品 混凝土供应站还配备了g p s 系统。 ( 8 )混凝土泵随车排量实时计量系统和智能化监控系统等方面，将成为下一代混 凝土泵或泵车的标志性功能。 5 第一章绪论 1 3 混凝土泵的结构及工作原理 i 3 i 混凝土泵的类型和基本结构 混凝土泵作为混凝土泵车的心脏部分，关系到泵车的总体技术性能和技术参数，混 凝土泵的结构类型很多，可以按驱动形式、组装形式、活塞性能、分配阀类型等结构形 式进行划分，现有的混凝土泵的结构类型如图1 4 所示【5 1 。 接驱动 壅式分 ，机械式( 噪音过大，逐步海汰) 活塞式 菠压式 票墨妻 搿= 魁 ，泵车( 混凝土象安装在汽车上) 鬻 蔫篓 蓁引蒌三 图1 4 混凝土主的类型 其中，液压活塞式混凝土泵是应用最多的一种混凝土泵，也是今后混凝土泵的发展 主流，目前各国混凝土泵企业生产的绝大多数皆为液压活塞式混凝土泵。 液压活塞式混凝土泵的种类虽然很多，但是他们的基本组成部件是相同的，如目前 国内应用较多的一种拖式混凝土泵，它主要由分配阀及料斗、推送机构、液压系统、电 气系统、机架及行走装置、润滑系统、罩壳及输送管道等组成。以闸板阀式混凝土泵为 例，其结构如图i 5 所示f 5 】。对于混凝土泵车，还有臂架、回转塔、底架和底盘等四个部 分。 6 混凝象的结构类型 第一章绪论 图1 5 拖式混凝土泵 l 一料斗；2 一集成阀组；3 - - 油箱；4 一操作盘；5 一冷却器； 6 一电器柜；7 - - 水泵；8 一后支脚；9 一车桥；1 0 一车架； l l 一排出量手轮；1 2 - - 前支脚；1 3 一导向轮 1 3 2 混凝土泵的工作原理 目前的液压活塞式混凝土泵大多采用液压双缸的形式，其两个液压油缸交替工作， 使混凝土的输送工作比较平稳、连续，而且排量也大为增加，充分利用了原动机的功率， 是现在应用最为广泛的混凝土泵形式。其工作原理根据分配阀和控制方式的不同也有所 不同，但其主要区别在换向动作的实现上。下面以“s ”型管阀式混凝土泵为例，介绍其 工作原理，如图1 6 所示 4 8 1 。 图1 6 泵送原理 l 、2 一主油缸；3 一水箱；4 一换向开关；5 、6 一混凝土缸； 7 、8 一混凝土缸活塞；9 一料斗；l o 一分配阀；1 l 一摆臂； 1 2 、1 3 一摆动油缸；1 4 - - 出料口 混凝土缸活塞( 7 、8 ) 分别与主油缸( 1 、2 ) 活塞杆相连，在主液压缸压力油的作 用下作往复运动，一个混凝土缸活塞前进，另一个混凝土缸活塞则后退；混凝土缸出口 7 第一章绪论 与料斗连通，分配阀一端接出料口，另一端口通过摆动油缸推动摆臂在两混凝土缸口左 右摆动，实现分别与两个混凝土缸的连通。泵送混凝土时，在主液压缸压力油的作用下， 混凝土缸活塞7 前进，混凝土缸活塞8 后退，同时在摆动油缸作用下，分配阀l o 与混 凝土缸5 连通，混凝土缸6 与料斗9 连通。这样混凝土缸活塞8 后退，便将料斗9 内的 混凝土吸入混凝土缸；混凝土缸活塞7 前进，将混凝土缸内的混凝土经过分配阀从出料 口1 4 送出。当混凝土缸活塞后退至行程终端时，主油缸1 、2 换向，同时摆动油缸1 1 、 1 2 换向，使分配阀l o 与混凝土缸6 连通，混凝土缸5 与料斗9 连通，这时混凝土缸活 塞7 后退，8 前进。如此循环，从而实现连续泵送。 当混凝土泵发生堵管现象或需要停机时，应该把输送管道中的混凝土抽回。这种情 况下通过反泵操作，使处于吸入行程的混凝土缸与分配阀连通，处于推送行程的混凝土 缸与料斗连通，从而将输送管道中的混凝土抽回料斗，如图t 7 所示，其中箭头方向代 表混凝士流动方向。 图1 7 正反泵工作状态 ( a ) 正泵( b ) 反泵 1 3 3 混凝土泵分配阀l o j 液压活塞式混凝土泵均具有分配阀，它在混凝土泵中是一个关键部件，位于料斗、 混凝土缸和输送管三者之间，协调各部件动作的机构，因而直接影响混凝土泵的使用性 能( 如堵管问题、输送效率以及工作可靠性等) ，而且也直接影响混凝土泵的整体设计。 纵观国内外生产的各种类型的混凝土泵，它们所不同的只是采用了不同类型的分配阀。 结构简单、流道合理的分配阀将大大提高整机的性能，各国都将分配阀作为关键技术进 行研究 对于单缸的混凝土泵，分配阀应该具有二位三通的基本性能( 二位一吸料或排料； 三通一通料斗、混凝土缸及输送管) 。 对于双缸的混凝土泵，两个混凝土缸共用一个料斗，当它们分别处于吸入和排出行 程时，处于吸入行程的混凝土缸把混凝土吸入：而处于排出行程的混凝土缸把混凝土推 送到输送管中去。所以这种分配阀须具有二位四通( 四通一料斗、混凝缸l ，混凝土缸2 和输送管) 的性能。 混凝土泵与常见的油、气和水泵不同，它输送的是具有特殊性能的混凝土拌合物。 8 第一章绪论 所以对分配阀的设计一般有以下特殊的要求： ( 1 )良好的吸料、排料性能； ( 2 )良好的密封性； ( 3 )良好的耐磨性； ( 4 )换向动作灵活、可靠。 此外，还要求分配阀的结构应该简单，便于加工，良好的排除阻塞性能。当分配阀 置于料斗中时，要保证搅拌叶片不要有死角，确保有良好的搅拌性。还应使料斗的离地 高度低一些，便于搅拌运输车的卸料等。分配阀的种类很多，而且在不断的发展和创新， 下面简要介绍几种比较典型的分配阀。 1 蝶形分配阀 从料斗到混凝土缸与输送管之间的通道上设置一个碟形板，由于碟形板的翻动，使 混凝土获得不同的通道，蝶形分配阀有垂直轴式及水平轴式。 2 管形分配阀 在混凝土缸与输送管之问设置一摆动管件来完成混凝土的吸人和排出作业。管形阀 一般置于料斗中，管周本身就是输送管的一部分，它一端与输送管接通，另一端可以摆 动，管口交替对准置于料斗后壁的混凝土缸口，进行排料。管式分配阀从结构上可分为 立式和卧式两类；而从形状上看可分为s 型、c 型和裙型等几种类型。 3 闸板式分配阀 靠快速往返运动的闸板，周期性的开闭混凝土缸的进料口和出料口，从而切换混凝 土在料斗和混凝土缸之间的流向，实现混凝土的反复泵送。闸板式分配阀的种类很多， 有平置式、斜置式和摆动式等几种主要型式。 本试验的混凝土泵车采用的是管形分配阀中的s 型，以下仅对s 型分配阀做介绍。 s 型管阀是目前应用比较广泛的分配阀，如图1 8 所示【4 甜，它是一种卧式管形分配阀。 图1 8s 型管阀 1 一柱塞缸球座；2 一摆杆；3 一锁紧片；4 一夹紧螺钉：5 一高速螺钉； 6 一眼睛板；7 一切割环：8 一s 管体；9 一接管；1 0 一轴承套； 1 1 一吊运孔；1 2 一摆动轴；1 3 一密封圈；1 4 一轴承套；1 5 一橡胶弹簧 9 第一章绪论 s 管阀的管体有变径和不变径两种形式，图1 8 所示为变径s 管阀，其特点是可以 靠混凝土的压力推动密封环自动密封管口，密封性能好，使混凝士泵具有较强的输送能 力，而且流道通畅，不易阻塞。但不变径s 管阎阀体的冲击小、阻力小、磨损小、流动 顺畅，从而使成本降低。 s 管阀的摆动油缸可以设置在料斗的后方。也可以设置在料斗的前方，本试验的泵 车是设置在料斗的后方。后置式摆动油缸利用摆动轴水平伸入料斗中与阀体连接，推动 阀体摆动，但摆动轴与阀体连接形成的屏障影响混凝土的流动，影响泵的吸入效率；前 置式摆动油缸则去掉了摆动轴和其支承，泵的吸料性能大为提高，而且安装维护方便。 由于在分配阀驱动油缸的极限位置设有缓冲器，所以尽管换向迅速，冲击却很小。结构 中，料斗底部的形状与搅拌叶片运动轨迹及s 管摆动轨迹一致，s 管体下部设刮板，防 止料斗底部积料；同时料斗底部向混凝土缸出口方向倾斜，改善了其混凝土缸吸料的性 能。 1 4 本课题研究意义及内容 1 4 1 课题研究意义 随着各类工业、民用基础建设的大发展，我国国产和进口的混凝土泵或泵车数量不 断增加，并且使用方式也发生着变化。为提高施工效率、避免施工扰民，混凝土搅拌是 在搅拌站进行，每次的施工都是在不同的地点进行，通常搅拌站和施工地点距离较远， 中间混凝土的运输环节是通过混凝土搅拌运输车完成。混凝土搅拌、运输和施工方也常 为三个不同的单位，建筑机械租赁业中因信息不对称处于劣势的一方，施工用户方，提 出急需混凝土泵排量测量系统来弥补这方面的不足。同时，在混凝土泵或泵车运行状态 监测、旎工管理和施工质量、泵车质量的评价方面也存在着对排量计量系统的需求。 根据科技文献查新，目前国内外还没有任何真正意义上的混凝土泵排量测量方法， 现有的一些测量方法都有很大的局限性，仅仅是对混凝土泵排量的粗略计算。现有探索、 试验中的技术方案则存在着公认的测量方法问题，测量精度不能满足实际的需要。要成 功地研发混凝泵排量测量系统，首先要解决与测量精度要求相适应的测量方法问题， 实现较高精度混凝士泵排量测量主要存在的困难有； ( 1 ) 混凝土泵在传输介质改变、出口压力变化、液压系统压力波动等方面都有比较 复杂的工况。一般的混凝土拌合物接近于宾哈姆体，不同比例不同性状的沙、 石、水、水泥拌合物的流变状态不同，它们对泵的反作用力也不同。 c 2 ) 混凝土拌和物骨料间存在的间隙、空气等因素造成物料具有一定程度的可压缩 性，并且混凝土的流动性差等因素形成混凝土在吸料的过程中不能充满整个混 凝土缸。施工过程中工况条件复杂，不同输送高度和输送距离造成出口压力的 1 0 第一章绪论 不同，有可能增加准确测量的难度。作为动力源的液压系统与泵输送的工作过 程有着密切的联系，其工作压力的变化也可能影响到测量精度。这些问题都需 要从测量原理和测量方法上加以解决。 ( 3 ) 混凝土泵在泵送混凝土时，存在振动冲击强烈、缸体封闭、混凝土凝结等闯题， 对检测传感器在原理、结构，安装、维护方面的适应性提出了苛刻的要求。 混凝土泵或泵车排量测量技术已成为建筑施工设备中的一项亟待解决的工程实际应 用技术闯题，随泵或泵车的排量测量装置及控制系统、统计管理系统的开发等，被国内 外主要建筑机械生产企业视为新一代混凝土泵或泵车的标志性功能，因此本课题研究的 内容具有很大的实际工程应用价值。 1 4 2 课题研究内容 本课题得到浙江省自然科学基金资助项目( y 1 0 4 4 5 5 ) 资助，主要进行混凝土泵排 量测量方法研究，本文主要研究内容为： ( 1 ) 了解国内外混凝土泵或泵车的发展状况、结构和工作原理，分析混凝土拌和物 的流动特性、泵送阻力以及混凝土拌和物在直管、弯管、锥管的输送管道中压 力变化及损失情况，为研究测量方案提供了分析途径。 ( 2 ) 从混凝泵的结构，工作原理、混凝土的流动特性以及压力的变化等方面着手， 建立混凝土泵排量的基本数学模型，指出实时泵送效率是解决f 司题的关键，并 分析它产生的原因及影响因素。 ( 3 ) 搭建泵车试验系统，设计数据采集程序，在现场施工的工况下实测混凝泵车主 液压缸的压力信号和活塞的位移信号，详细分析压力信号和位移信号的交化情 况。 ( 4 ) 通过压力信号和位移信号的分析，在基本数学模型的基础上确定了测量方案： 基于活塞位移的测量方案、基于压力信号与位移信号相结合的测量方案和基于 压力信号导出实时泵送效率的测量方案。并根据试验数据对三种测量方案进行 分析和比较，判断能否满足测量精度要求，并提出改进意见 第二章泵送混凝土的流动特性与输送管内压力分析 第二章泵送混凝土的流动特性与输送管内压力分析 【摘要】本章介绍了混凝土的可泵性及泵送混凝土的流动特性，通过流变学原理及流变 方程，总结出一般的混凝土拌和物属于宾哈姆体，在输送管中流动属于“柱塞流”运动。 分析了混凝土拌和物在直管、弯管和锥形输送管中的压力变化、压力损失以及影响因素 等，为利用压力信号分析实时泵送效率奠定了理论基础。 2 1 泵送混凝土的要求 泵送混凝土与传统施工方法的混凝土不同，除满足设计强度、耐磨性之岁卜，还要满 足管道输送对混凝拌和物的要求，即良好的可泵性。所谓可泵性是指混凝土拌和物能 顺利通过管道，摩擦阻力小、不离析、不堵塞和粘塑性良好的特性。泵送混凝土对材料、 配合比的要求与普通混凝土不同，因此，不是任何一种混凝土拌和物都能泵送【4 1 。 泵送混凝土的可泵性对混凝土的施工和质量有着密切的联系，它集中反映了新拌混 凝士的物理特性。根据泵送混凝土的实践经验和研究，一般认为可泵性包括流动性、稳 定性、管道阻力三方面内容。目前，国内有许多方法可以测定新拌混凝土可泵性，可是， 各种实验方法都是在特定的条件下，测定混凝土拌和物在某一方面的性能，不是可泵性 的全部性斛眩l 。 混凝土的可泵性，最常用的测量方法是采用压力泌水仪试验结合施工经验进行控制。 一般l o s 时的相对泌水率s 。不超过4 0 的混凝土拌合物是可以泵送的，相对泌水率s 。 按下式计算： 耻等 式中s 。一混凝土拌合物加压至l o s 时的相对泌水率，s 。取三次试验结果的平均值， 精确到l ； v 。v ，* 混凝土拌合物加压至1 0 s 和1 4 0 s 时的泌水量( m l ) ，v 。v ，。均取三 次试验结果的平均值，精确到整数位。 混凝土拌和物本身应具有阻止水在压力作用下渗透流动的内阻力。该内阻力是影响 混凝土拌和物泵送性能的。为测定该内阻，可利用压力泌水试验，试验装置如图2 1 所 示u g l 3 9 。 1 2 第二章泵送混凝土的流动特性与输送管内压力分析 图2 1 受压泌水试验装置 l 一效核测定棒；2 一o 型橡胶环：3 一直径1 2 5 r a m 的圆筒；4 一底座； 5 5 0 目的金属丝网；6 量筒；7 一水龙头；8 混凝土拌和物试样； 9 一活塞：l o 一顶盖；1 1 千金顶液压缸 容易脱水的混凝土，在开始1 0 s 内出水的速度很快，值大，因而k 。的值可代 表混凝土拌和物的保水性能，也即反映阻止拌和物中的水在压力作用下渗透流动的内阻 力。该值小，表明混凝土拌和物的可泵性好；反之，则表明可泵性差。 2 2 流变学原理及流变方程 流变学是近代力学的个分支，是研究物质流动和变形的科学，它综合研究物质的