（机械设计及理论专业论文）混凝土泵s管阀设计方法研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 保密2 年 t o n g i iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y f e b ，2 0 0 8 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术话厂 学位论文作者签名：剀乃秉 z o o 少年z 月加日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 到啄 劲年7 月乙9 日 f 摘要 摘要 在混凝土施工工程过程中，混凝土的现场输送和浇注是一项关键的工作。混 凝土泵是通过管道依靠压力输送混凝土的施工设备，它能一次连续的完成水平输 送和垂直输送，是现有混凝土输送设备中比较理想的一种。预拌混凝土生产与泵 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。 s 管阀是混凝土泵的核心部件，其设计优劣直接影响混凝土泵的使用性能。 本课题将运用流变学原理及流变模型对混凝土在“s 管阀中的运动情况进行分 析，并建立动力特性方程，并以此作为“s 管阀构造优化的一个依据；另外运 用运动学和动力学对“s ”管阀进行分析，建立s 管阀的运动及动力特性方程； 结合有限元原理，利用a n s y s 软件对“s ”管阀进行静力强度分体和疲劳寿命分 析；综合以上因素，完成“s 管阀的设计方法研究，为日后进行s 管阀的优化 设计打下理论基础，具有重要的理论意义和工程实际价值。 关键词：s 管阀，运动学，动力学，流变学，有限元原理，a n s y s a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h ec o n c r e t ec o n s t a u c t i o ne n g i n e e r i n g 。c o n c r e t e 。st r a n s p o r t i n ga n ds p r i n k l i n gi s t h ek e y t h ec o n c r e t ep u m pi st h ec o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tw h i c hd e p e n d so nt h ep r e s s u r et h r o u g h ap i p i n gt ot r a n s p o r tc o n c r e t e ，i tc a nc o n t i n u o u s l yc o m p l e t eh o r i z o n t a lt r a n s p o r ta n dv e r t i c a l t r a n s p o r t , i st h em o 陀i d e a lk i n di ne x i s t i n gc o n c r e t et r a n s p o r te q u i p m e n t s t oc o m b i n et o g e t h e r w i t ht h ep r e p a r i n gm i x i n gc o n c r e t ep r o d u c t i o na n dp u m pt r a n s p o r tc o n s t r u c t i o n ，m a k eu s eo f c o n c r e t ea g i t a t i o nt r a n s p o r t i n gc a rt oc a r r yo nd e l i v e r i n gi nb e t w e e n , c a nc a r r yo u tt h ec o n t i n u o u s p u m pd e l i v e r i n ga n ds p r i n k l eo f c o n c r e t e t h est u b ev a l v ei st h ec o r ep a r to fc o n c r e t ep u m p ；i t sd e s i g nc a ni n f l u e n c et h ef u n c t i o no f c o n c r e t ep u m pd i r e c t l y t h i st o p i cu s e dt h e o l o g yp r i n c i p l ea n dt h e o l o g ym o d e lt oc a r r yo i la n a l y s i s o ft h em o v i n gc i r c u m s t a n c eo ft h ec c r e t ei n ”s ”v a l v e a n db u i l tu pt h em o t i v ec h a r a c t e r i s t i c e q u a t i o n s ，w h i c hc o u l db eab a s i so f ”s ”t u b ev a l v es t r u c t u r e so p t i m i z a t i o n ；m a k i n gu s eo f k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c st oc a r r yo na n a l y s i so ft h e s t u b ev a l v e ，b u i l tu pt h est u b ev a l v e s k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n s ；c o m b i n ew i t i lt h ef i n i t ee l e m e n tp r i n c i p l e ，u s e d a n s y st oc a r r yo ns t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i sa n df a t i g u el i f ea n a l y s i so ft h e ”s ”t u b ev a l v e ； s y n t h e s i z i n ga b o v ef a c t o r s ，c o m p l e t e dt h ed e s i g nm e t h o dr e s e a r c ho f ”s ”t u b ev a l v e ，w h i c hc a n b e t h eb a s i so ft h est u b ev a l v e so p t i m a ld e s i g ni nt h ef u t u r e ，h a v i n ga ni m p o r t a n tt h e o r i e s s i g n i f i c a t i o na n de n g i n e e r i n gv a l u e k e yw o r d s ：”s ”t u b ev a l v e ，k i n e m a t i c s ，d y n a m i c s ，r h e o l o g y , f i n i t ee l e m e n tp r i n c i p l e ，a n s y s 、 第1 章绪论1 1 1 活塞式混凝土泵的工作原理1 1 2 国外混凝土泵发展概况和趋势2 1 2 1 混凝土泵的发展概况2 1 2 2 混凝土泵的发展趋势4 1 3 本课题的提出及论文完成的任务5 第2 章s 管阀的运动和动力学分析7 2 1s 管阀的主要特点7 2 2s 管阀的运动分析7 2 2 1 分配机构的简化7 2 2 2s 管的运动特性分析8 2 3s 管阀的动力学分析9 2 3 1 摆动阻力矩分析9 2 3 2s 管简化动力特性方程1 2 2 4 本章小结1 5 第3 章泵送混凝土的流动特征及输送管内的压力变化1 6 3 1 流变学原理及流变模型1 6 3 1 1 基本流变元件1 6 3 1 2 流变模型及其流变方程1 8 3 2 流变学原理在泵送混凝土中的应用。2 l 3 2 1 混凝土在输送管中的流动2 1 3 2 2 混凝土在输送管中的流动特性2 3 3 3 混凝土泵送压力2 5 3 3 1 混凝土在直管道中流动时的压力损失2 6 n 第4 章s 管的静力强度分析4 0 4 1 有限元原理4 0 4 1 1 有限元法的基本思路4 0 4 1 2 有限元法的计算步骤4 0 4 1 3 有限元法的进展与应用4 5 4 2a n s y s 概述4 6 4 2 ia n s y s 简介4 6 4 2 2a n s y s 的基本应用4 8 4 3s 管的静力强度分析5 2 4 3 1s 管三维模型的建立5 2 4 3 2a n s y s 软件中s 管的静力强度分析5 2 4 4 本章小结5 8 第5 章s 管的疲劳分析5 9 5 1 疲劳寿命预测法5 9 5 1 1 材料的s - n 曲线5 9 5 1 2 疲劳极限图6 0 5 1 3 疲劳累积损伤6 0 5 1 4 高周疲劳寿命设计6 1 5 2a n s y s 软件疲劳寿命分析6 2 5 3 本章小结6 5 v o 2 4 4 5 7 9 驼 弘 弘 踮 盯 昀 - v 6 6 6 6 6 7 6 8 6 9 7 1 7 4 第1 章绪论 第l 章绪论 在混凝土旌工工程过程中，混凝土的现场输送和浇注是一项关键的工作。 它要求迅速、及时，并且保证质量以及降低劳动消耗，从而在保证工程要求的 条件下降低工程造价。混凝土泵是通过管道依靠压力输送混凝土的施工设备， 它能一次连续的完成水平输送和垂直输送，是现有混凝土输送设备中比较理想 的一种。预拌混凝土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。 混凝土泵的种类很多，目前应用最为广泛的是活塞式混凝土泵。 1 1 活塞式混凝土泵的工作原理 现在的活塞式混凝土泵大多采用液压双缸的形式，两个油缸交替工作，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，是目前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 管阀式混 凝土泵介绍其工作原理。 图1 1 泵送原理 1 、2 一主油缸；3 水箱；4 一换向机构；5 、6 一混凝土缸；7 、8 一混凝土活塞；9 料斗； l 卜分配阀；1 l 摆臂：1 2 、1 3 摆动油缸；1 4 一出料口 如图1 1 所示，混凝土缸活塞( 7 ，8 ) 分别与主油缸( 1 ，2 ) 活塞杆相连，在主 油缸压力油的作用下，作往复运动，一缸前进，则另一缸后退；混凝土缸出口 与料斗连通，分配阀一端接出料口，另一端通过花键轴与摆臂连接，在摆动油 缸的作用下，可以左右摆动。 第1 章绪论 泵送混凝土时，在主油缸压力油的作用下，混凝土活塞7 前进，混凝土活 塞8 后退，同时在摆动油缸的作用下，分配阀1 0 与混凝土缸5 连通，混凝土缸 6 与料斗9 连通。这样混凝土活塞8 后退，便将料斗9 内的混凝土吸入混凝土 缸；混凝土活塞7 前进，将混凝土缸内的混凝土送入分配阀进出。 当混凝土活塞后退至行程终端时，触发水箱3 中的换向装置4 ，主油缸l ，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 1 2 所示。 ( a ) 正泵 图1 2 正反泵工作状态 1 2 国内外混凝土泵发展概况和趋势 1 2 1 混凝土泵的发展概况嘲嘲叭1 ( b 3 反泵 混凝土泵的发明已有八十余年的历史。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 a n e l lk e e 设计并制造出第一台曲轴机械式混凝土泵，但 没能得到应用；1 9 2 7 年德国的f i z zh e 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联杆 操纵联动的旋转阀的结构，成功地解决了混凝土泵的构造原理问题，大大提高 了工作的可靠性。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。 2 第1 章绪论 第二次世界大战之后，各国陆续开展经济恢复工作，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。到5 0 年代中叶，德国的t o r k r e t 公司首先设计出以水作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节，并可以实现反泵 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。此后为了提高混凝土泵的机动性，在6 0 年代中期，又研制了混 凝土泵车。同时，为了使混凝土泵浇注更加方便，又在混凝士泵车上加装了可 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施文英( s c h w i n g ) 公司、普兹迈斯 特( p u t a n 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 ) f f；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 ) 公司和汤姆逊( t h o n r 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等公司。 我国在5 0 年代开始从国外引进混凝土泵，但直到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时期，并且已取得了巨大 的成功。目前混凝土泵的设计生产已接近世界先进水平。 目前我国混凝上泵的土要生产厂家有：中联建设机械产业公司、三一重工业 集团有限公司、夹江水工机械厂、沈阳盛港机械有限公司、湖北建设机械有限 公司、山东建设机械股份有限公司、山东方圆集团公司、枫阳液压总厂、华东 建筑机械厂、扬州机械厂、徐州混凝土机械厂、深圳重科机械有限公司和广 州五羊建设机械有限公司等。 现在，混凝土泵技术得到了不断的完善，阀门系统和液压系统不断革新， 逐渐向大功率和高可靠性的方向发展。许多关键性技术也得到了较好的解决。 如： l 、泵体本身的分配阀不断完善和创新，阀门的密封性和通畅性得n t 进一 步提高，而且结构日趋简单、完善。现在普遍采用的最多的是闸板式分配阀和 管型分配阀。 2 、用液压传动取代机械传动，使泵送工作更加平稳、可靠和易于控制；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。 3 、当管路发生堵塞时，主液压传动系统可自动防止过载，并控制分配阀换 3 第1 章绪论 向，使机器实现反泵动作，消除堵塞；搅拌系统也可实现卡料反转，消除料斗 中的卡料现象。它们都可以采用自动或手动的方式进行控制。 4 、应用了高效减水剂，提高了混凝土的流动性和可泵性，在不降低混凝土 性能的情况下，大大地改善了混凝土的泵送效果。 5 、商品混凝土的发展、混凝士搅拌输送车的配套使用，使质量可靠的凝土 得到均衡地供应，从而保证了连续泵送的工作条件。而各种形式的布料装置的 出现，解决了混凝土的布料问题，扩大了混凝土泵的使用范围。 1 2 2 混凝土泵的发展趋势n 1 嘲 1 混凝土泵高压大排量化 世界上由于人口增加和大城市地价昂贵，建筑物向高层和超高层的方向发 展。我国改革开放以来，经济得到了飞速的发展，城市建设和国家基础建设日 新月异。为了满足更远更高距离的混凝土输送和建筑施工进程的需要，混凝土 泵向高的输送压力和大排量的方向发展是未来的趋势。目前，国内三一重工集 团有限公司的h b t s o c 泵，最高泵送压力可达1 8 9 m p a ；中联建设机械产业公 司生产的h b t l 2 5 泵，最大排量为1 2 5 m 3 m ，最高泵送压力为2 1 5 m p a ；沈阳建 设机械总公司生产的h b t l 0 0 泵的最大垂直输送高度可达2 4 8 m 。 2 液压系统集成化 现在，大多数公司生产的混凝土泵，液压系统都是采用的集成的液压阀块， 使液压系统向可靠、节能、低冲击、低噪声的方向发展。 3 更加合理的分配阀 实际上，各个厂家生产的混凝土泵在主机上没有大的区别，所不同的只是 分配阀，且各有不同的专利。分配阀向结构简单、流道合理、不易堵塞的方向 发展。另外，还注重材质和通用性的研究，使其更加耐磨并形成标准化、系列 化。 4 布料杆泵车 采用混凝土泵施工，混凝土的布料是一个关键性的问题。带布料杆的混凝 土泵车，移动方便、机动灵活，到达施工地点无需大量的准备工作即可开始工 作，而且可直接将混凝土浇筑至任何具体点。在国外许多国家，使用泵车进行 施工已占泵送混凝土总量的一半以上，在美国，己高达8 0 以上。带布料杆的汽 车式混凝土泵是今后发展的方向之一。 5 小批量、多品种适应用户要求 4 第1 章绪论 即使是年产近千台的大公司也不是只限于几种产品。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进行“灵活生产，甚至可以保 证任意两台产品都不完全相同。这种柔性生产需要生产者拥有更多的技术储备， 更高效的生产组织管理。 6 符合国际潮流，注意生产环保产品 例如采用低噪声、低排赦、低油耗的发动机，低噪声的油泵，分配阀柔和 换向减低冲击噪声，以适应苛刻的欧美市场。 1 3 本课题的提出及论文完成的任务 随着我国经济建设和生活水平的日益提高，建筑工业在我国得到迅速发展。 在建筑施工中，混凝土的运送量占整个施工量的很大比重，混凝土拖泵、车载 泵、泵车等应运而生。车载泵及泵车都是在拖泵的基础上发展而来的，三者最 基础的部件是砼泵及其控制机械。混凝土泵可以把输送和浇灌工序综合在一起， 节省时间和劳动力；能够同时解决混凝土的水平和垂直输送；机械化程度高， 占用人力少，工人劳动强度低；没有中间运转，保证混凝土质量，混凝土损耗 少。由于以上特点，宁波东海液压件有限公司委托设计制造拖式砼泵以满足广 大市场的要求。实际上，各个厂家生产的混凝土泵在主机上没有大的区别，所 不同的只是分配阀。所以，一个好的分配阀能使泵车的性能更加优异。 分配阀是活塞式混凝土泵的关键部位，它是位于集料斗、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、输送容积效率以及工作可靠性等) ，而且也直接影响混凝土的整体设 计( 如集料斗高度等) 。在进行方案选择时，首先确定合适类型的分配阀，然后 才能确定整机的结构和液压系统的设计。我们可以认为分配阀就是混凝土泵的 心脏。分配阀主要有蝶形分配阀和管型分配阀，其中管型分配阀是近年来出现 的一类新型分配阀。“s 形管阀是目前应用最广泛的一种分配阀。 纵观国内外各国生产的各种类型的混凝土泵，他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，取得了卓有成效的成果，并申请了专利。 目前，国产混凝土泵分配阀同国外相比，仍有不少差距。为了尽快赶上国际先 进水平，需要加大力度对分配阀的设计方法进行研究。 本课题将运用流变学原理及流变模型对混凝土在“s 管阀中的运动情况进 5 第1 章绪论 行分析，并建立动力方程，并以此作为“s 管阀构造优化的一个依据；另外运 用运动学和动力学对“s 管阀进行分析，并结合有限元原理，对“s ”管阀进 行强度分体；综合以上因素，完成“s 管阀的设计方法研究。 以往我国引进外国先进技术，总是简单的模仿，关键部位加大加粗，只得 其形而未得其神。本论文对s 管阀的设计方法进行研究，为日后进行s 管阀的 优化设计打下理论基础，具有重要的理论意义和工程实际价值。 6 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 2 1s 管阀的主要特点啪 s 管阀即是混凝土分配阀，也是混凝土输送管路的组成部分，其主要特点是： 1 管体一般采用抗冲击、耐磨损的高锰钢( z g m n l 3 c r 2 ) 铸成，结构简单。 2 管内流道截面变化平缓，泵送阻力小，不易堵塞。 3 s 管阀吸料口端装有特殊的补偿胶圈，它不仅能够自动补偿s 管阀吸料口端 面的磨损，而且密封性能好，具有混凝土泵送压力越高，密封越可靠的特点。 4 切换动作迅速，混凝土缸的吸人效率高。 5 s 管阀的转动惯量高，惯性矩大，吸料口对混凝土骨料有很强剪切能力，从 而保证每次切换后的顺利就位。 2 2s 管阀的运动分析 整个分配机构主要由一个s 管阀l 、两个柱塞油缸2 和一个摆臂3 组成。如 图2 1 所示，s 管阀装在混凝土集料斗内，柱塞缸装在混凝土集料斗外，与s 管 阀固定连接的摆臂把柱塞油缸的伸缩运动转化为s 形管阀的摆动，实现吸料和 排料的切换。 图2 1 分配机构n 0 1 1 s 管阀：2 柱塞油缸；3 摆臂 2 2 1 分配机构的简化 根据s 管阀分配机构的特点，可以将分配机构简化成如图2 2 所示的摆动油 缸机构。图中构件2 和构件3 代替柱塞油缸，构件1 代替s 管阀的摆臂。 7 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 2 2 2s 管阀的运动特性分析 图2 2 分配机构简化图 lllliillll】 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 则： = v 2s i n ( z t 一以) 其方向垂直于拐臂，指向如图2 3 所示。 摆臂的角速度为： ( 2 ) 摆臂的角加速度q b 点的切向加速度口f 8 为： 西r 2 苫2 摆臂的角加速度q 为： q = v 2 ( r s i ny , ) 朋2 一r 2 曙c o s y , 1 + ( h o + v 2 t ) 2 2 r s i n 2 7 ( 2 4 ) ( 2 6 ) 毛= 百d c o i = i 1x 鲁= 警 旺27 ，= = 一_ 三= = 【) 1 出r破尺 一。 由此可知，当分配阀的结构参数m ，心h 。和柱塞油缸的伸缩速度屹确定之 后，摆臂的角速度q 和角加速度q 都是时间变量t 的函数。即： q = 厂( f ) 岛= 矽( f ) 2 3s 管阀的动力学分析 s 管阀安装在混凝土泵的集料斗中，在前后轴承的支撑下，作往复摆动，其 受力状况十分复杂。在目前的条件下，s 管阀的实际受力状况很难作出准确的定 量分析。一般情况下，我们分析分配机构的运动，从而得出s 管阀的动力学特 性，进而求解其支承动反力和驱动力n 叼。 2 3 1 摆动阻力矩分析 9 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 图2 4 侧面阻力矩图图2 5 剪切阻力矩图 分析s 管阀在集料斗中的受力情况，s 管阀在摆动过程中主要有六种阻力矩， 现分析如下。 ( 1 ) s 管阀在摆动中，其侧面受混凝土直接作用而产生与摆动方向相反的阻力 矩m n ，其力学模型如图2 4 所示。 屹= l i m ，y y , ( y , 一y o ) a s ， ( 2 - 8 ) = 7 r y ( x ) 【y ( x ) 一虼】出b c r y ( x ) 咖 式中：厂混凝土的容重，厂= 2 3 0 0 k g r a 3 ； y ( x ) s 管阀流道中心线与料斗内混凝土上平面的距离； s 管阀摆动轴心线与料斗内混凝土上平面的距离。 ( 2 ) s 管阀在摆动中，产生的混凝土之间的剪切阻力m 。如图2 5 所示。 图2 5 出的三角形阴影部分为在s 管阀摆动时，滞留于s 管阀前部的混凝土 沿x 轴的任意截面。设想此部分混凝土与混凝土同速摆动，则在c d ，d e 分界面上 必须克服混凝土之间相互运动的剪切阻力r ( x ，y ) ，a a 为混凝土的动休止角，取 = 2 5 3 0 。泵送混凝土的剪切特性接近于一般b i n g h a m 体。其流变方程为： 西 弘t o + r 万 式中：混凝土的剪切屈服应力，p a ； ，7 混凝土的粘滞系数( 一般混凝土的粘滞系数r 为d r d y 的函数) ， b 胁3 1 0 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 v 一为剪切面的混凝土相互错动速度m s ，这里近似考虑为滞留于s 管 阀前部混凝土任意一点的摆动速度。 关于混凝土的剪切屈服应力7 0 及粘度系数刁值见表2 1 。 表2 1 混凝土的和1 1 值表1 水灰比 r o ( n m 2 )1 ( n s m 2 ) 水灰比 r o ( n m 2 )t i ( n s m 2 ) o 4 85 2 73 20 5 33 9 22 1 o 55 0 02 30 5 43 5 81 8 将s 管阀前混凝土剪切面分割成微元小片a s , ； 鲍= 马缸觚 则 吮= 联：击y ( 帕) 触 ( 2 9 ) = r 麟击删+ r l d , ) d y d x ( 3 ) s 管阀摆动的惯性力矩蚝( 见图2 4 ) ，将s 管阀沿x 轴垂直方向截取高度为 a x 的空心圆柱体积元，此体积元对s 管阀摆动轴的转动惯量为( 毛) 。 ( ) = a t ( 薯) + 聊( 誓) 【y ( ) 一】2 式中：“( 毛) x 的空心圆柱体积元对质心轴的飞轮距； 砌( ) 缸的空心圆柱体积元对质心轴的质量。 则 蚝= 舰纠( 誓) 缸 ( 2 1 0 ) = 上形i = 渺i ( t ) 一y o 2 + 0 5 y e ( x ) d x 式中：雎( 功= 2 订( 薯) + 露( t ) 卜4 乃( ) 儿( 誓) 一2 万【耽( t ) 一m ( ) 】 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 y s 管阀材质密度； 万_ s 管阀的空心圆柱壁厚。 ( 4 ) s 管阀摆动的空载静力矩m 兀，此阻力矩是由轴承、s 管阀重量，s 管阀转轴 密封、切割环与眼镜板空载预紧力等形成的。一般设计泵排量为4 0 8 0 m 3 h 时， 取4 0 1 0 0 n m 。 ( 5 ) s 管阀摆动过程中，切割环与眼镜板接触面泵送切换开时的摩擦力矩： 蚝= 以尺 ( 2 1 1 ) 式中：，两者间摩擦系数，f = 0 2 ； 乓两者间轴向密封力： 只当量摩擦力矩半径 ( 6 ) s 管阀摆动过程中，切割环切断混凝土流的剪切阻力矩吮 m 厶= 一7 - 2 f (212)a ，4 口。p 式中：s 管阀人口处中心与摆轴中心距离。 则总力矩为 6 m ，：ym ， 一 ，i i = l s 管阀摆动过程的阻力矩很大，对排量为6 0 - - - 8 0 m 3 h 的混凝土泵，其阻力矩 可达1 0 0 0 3 5 0 0n m 。这里主要是由于具有泵送压力的混凝土对切割环的轴向 推力造成的，这推力造成的阻力矩占总阻力矩的6 0 0 0 - - - 9 0 n 7 1 。 2 3 2s 管阀简化动力特性方程 如前所述，作用在阀体上的阻力矩虽然可以定性分析，但是要定量计算出 来，是非常复杂的事情，实际上那样做在工程上也无太大的意义。一般进行简 化计算就行了。 ( 1 ) s 管阀的转动惯量 将s 管阀分割成若干个便于计算的微元，则各个部分对转动轴的转动惯量 之和为： 以= 砰 ( 3 1 4 ) 式中：l ，。s 管阀对转动轴的转动惯量张g m ) ； 1 2 ( 2 ) s 管阀质量和质心坐标的计算 质量 m = m i k g 质心坐标( 置，艺) ： 鼍= x f m ，m e = 魄m 对于图2 6 所示的s 管阀可得： 质量( 包括管内混凝土) ：所= 1l o k g 质心c 点的坐标：五= 0 2 7 8 m ，艺= 0 0 3 4 m ( 3 ) s 管阀的作用力计算 由图2 7 可知，s 管阀的有效驱动力e 的大小为： z = f s i n y f 则驱动力矩为：m = f s i n y j l 式中：f - 驱动油缸产生的推力( n ) 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 一 图2 7s 管阀的驱动 i 广一有效驱动力作用半径( m ) 。 s 管阀摆动过程中，切割环与眼睛板之间的轴向密封力为： f = f + 只 密 1 式中：e 橡胶弹簧的轴向弹性力； 只混凝土压力作用下两者之间的作用力。 在泵送过程中，随着泵送压力的增大，e 起主要作用，如果忽略e ，则切 割环与眼睛板间的摩擦阻力矩为： m = f p a r 式中：广混凝土泵送压力： a 切割环受到混凝土泵送压力时的作用面积。 对于我们试制的h b t 6 0 混凝土泵，可以计算出： m f 5 = k xp 式中k = 2 8 6 5 1 0 - 4 m ( 4 ) s 管阀的动力特性方程 如果忽略混凝土剪切阻力矩朋么。和切断混凝土料流的剪切阻力矩吮， 而考虑混凝土直接作用阻力矩坂。般为1 0 0 - - 3 0 0n m ，空载静阻力矩m ，一 般为4 0 8 0 n m 则s 管阀的动力特性方程为： m m 氏一mf 。一mf 5 = jx i 对于我们试制的h b t 6 0 混凝土泵，则有 1 4 第2 章s 管阀的运动和动力学分析 fs i ny f l k p c = 以e l 式中：三水平换算长度； 水平配管长度； 红一一垂直配管长度； m 软管根数： 弯管根数； 雒管根数 k 、f 、b 、卜_ 每米垂直管、软管、弯管和锥管的水平换算系数。 2 4 本章小结 本章从运动学和动力学角度出发，对s 管阀工作时的运动及动力特性进行 了理论分析，得到了s 管阀的运动及动力特性方程。为考察s 管阀工作时能否 满足使用要求提供了有效的计算方法。 第3 章泵送混凝土的流动特征及输送管内的压力变化 第三章泵送混凝土的流动特征及输送管内的压力变化 3 1 流变学原理及流变模型嘲噙1 流变学是近代力学的一个分支，是研究物质流动和变形的科学，它综合研 究物质的弹性变形、塑性变形和粘性流动。对水泥浆、砂浆和混凝土拌合物的 流变性的研究，约从七十年代就开始。它主要研究其粘、塑和弹性的演变，以 及混凝土的强度和徐变等。我们一般采用线性粘弹塑性模型理论进行非线性流 变研究。 线性粘弹塑性模型理论( 以下简称模型理论) 是众多线性粘弹塑性理论中 的一种。它用“弹簧 、“枯壶 和“摩阻件 ，等基本元件来反映线性粘弹塑性 材料的性质，通过这些基本元件的相互“并联”或“串联”形成线性模型，然 后借助流变模型来建立材料的本构关系，即应力、应变和时间三者之间的关系。 所建立的流变模型是微分型的。 3 1 1 基本流变元件 基本流变元件包括胡克体、牛顿体和圣维南体三种。 1 弹性固体( h o o k e 固体) h o o k e 固体简称h 体，用符号【h 】表示，它代表j i 有完全弹性的理想祠 料。【h 】模型可用一弹簧表示，如图3 1 ( a ) 所示，其应力与应变间的关系守个 符合虎克定律，即 即 7 - - - g y 应变y y ( 3 1 ) t c a ) 弹簧( b ) 应交一时阋图 图3 1h o o k e 固体模型 其应力随时间的变化( 应力速率) 与应变随时间的变化( 应变速率) 成正比， 1 6 r o 时才开始产生流动。而由层流的 剪切变化规律式可知，近管壁处的剪切应力f 最大。因而，在混凝土泵的推动下， 只要在管壁处的剪切应力f r o ，混凝土拌合物就在管中开始流动，而在任意半 径处的混凝土拌合物，只要f p a n p a n ，z o o m ，r o t a t e ) 可对图形进行放大、缩小、平移、 旋转等