混凝土泵送系統液壓沖擊分析

譚芝芝

（中聯重科股份有限公司，湖南 長沙 410000）

如今，工程建設對混凝土泵送的使用越來越多，泵送極大地加快了混凝土施工效率，對縮短工期和保證施工質量都有重要作用與意義。但泵送系統在運行過程中會產生液壓沖擊，對泵送的過程、效果及設備自身都會造成一定程度的影響。因此，有必要進行分析，為解決方式的制定提供參考依據。

1 混凝土泵基本原理

混凝土泵基本原理為由兩個油缸進行交替作用，使工作活塞被推動完成混凝土的壓送，如圖1 所示。圖1 中，a、b 兩個輸送缸的活塞和a、b 兩個主油缸連接，由主油缸進行往復運動，其中一個向前進，而另外一個向后退；缸的出口和料斗直接相通，泵送過程中其中一個吸入混凝土，而另外一個將混凝土輸送至S 管當中。在泵送中，主油缸使活塞b向前進，使活塞a 向后退，在這種情況下，擺閥油缸b 將處在伸出的狀態，而a 則處在后退的狀態。基于擺臂的作用，S 管閥和輸送缸b 相通，輸送缸b 中的混凝土將在活塞b 持續推動作用下通過S 管進入到輸送管道當中；料斗中的混凝土將被活塞a 吸取，進入到輸送缸a 當中。若b 向前進，a開始后退，則控制系統將發出信號，促使擺閥油缸a 處在伸出的狀態，而b 處在后退的狀態，a、b 兩個擺閥油缸完成換向之后，立即發出控制信號，使a、b 兩個主油缸開始環向，促使活塞a 向前進，而活塞b 向后退，在上一輪吸入輸送缸a 中的混凝土將進入S 管中，之后到達輸送管道，與此同時，輸送缸b 將開始吸入混凝土，以此不斷反復，實現對混凝土的連續泵送。

圖1 混凝土泵基本原理

活塞缸交替運行過程中，易發生液壓沖擊的情況，這在泵中是一個重要的技術問題。如果某個活塞缸由泵料變為吸料，而另一個活塞缸由吸料變為泵料，則會因為外荷載發生變化，導致油液流動劇烈變化，使液壓系統受到極大的液壓沖擊。若液壓系統的設計本身存在缺陷，將產生峰值壓力，它形成的沖擊，將對泵車帶來嚴重危害。

2 液壓系統分析

液壓系統主要由泵送與分配回路、攪拌與清洗等回路構成，它的工作原理見圖2。

圖2 液壓系統工作原理

圖2 中，1 為液壓油箱；2 為主油泵；3 為恒壓油泵；4為輸油泵；5 為球閥；6、9、10 均為壓力表；7 為蓄能裝置；8 為單向閥；11 為溢流閥組；12 與13 為液動換向閥；14 為小液動閥；15、16、20、26、32 與40 均為電磁換向閥；17為泄油閥；18 與33 為溢流閥；19 為梭閥；21 與22 為插裝閥；23 為主油缸；24 為擺閥油缸；25 為壓力繼電器；27 為攪拌電機；28 為水泵電機；29 為疊加式溢流閥；30 為手動換向閥；31 為濾油裝置；34 為風冷電機；35 為風冷卻裝置；36 為水冷卻裝置；37 為溫度計；38 為空氣濾清裝置；39 為液位計。

3 液壓沖擊分析

對閉式液壓系統而言，其泵送系統換向需要由主油泵通過斜盤擺角正負切換完成。主油泵在換向后，它的流量將從零開始不斷增大，所以起動過程相對平緩，加速較為均勻，能消除換向過程中的沖擊。而對于開式系統，換向需要由液動換向閥完成，當液動閥的流量較大時，高速換向中會產生一定液壓沖擊。若泵送與分配回路的構造不合格，將使系統出現峰值壓力，導致液壓沖擊十分劇烈。以下就對液控換向過程進行分析，從而找出導致峰值壓力產生的主要原因。

在主油缸的活塞到達行程終點后，使機構觸發產生控制信號，即壓力信號，這一控制信號經過一段時間的延遲后，促使圖2 中的12 換向，使活塞實現運動換向。它的換向過程為：活塞桿行程達到1.85m 后，觸發器產生并發出壓力信號，在壓力油的作用下，使換向閥及液動閥開始換向，此后，分配回路將開始向擺閥油缸輸送高壓油，實現對S 管的切換，待分配回路中，進油路和回油路之間的壓力上升至15MPa 以后，主換向閥及液動閥結束換向，此時，活塞桿將向后發生運動。換向時，擺閥油缸需要消耗一定的時間來切換，這會對換向的時間造成很大影響，為主要影響因素之一。

高頻泵送過程中，液壓沖擊很大。其主要原因為：高頻泵送過程中，泵送和分配的回路換向閥未能嚴格協調。如前所述，因擺閥油缸需要很長的時間來完成換向，換向時，進油管與回油管實際壓力未能保持穩定，從管內引來的液壓控制油的壓力差未能達到設定要求，液動閥的切換速度很慢，或根本無法切換，在活塞到達終點后，因換向過程緩慢，導致換向動作嚴重滯后，但主油路依然為泵送缸輸送高壓油，即憋死，此時系統油壓異常升高，待換向閥結束換向以后，高壓油在短時間內放掉，使油壓快速降低，產生劇烈液壓沖擊。

根據現場觀察結果，低頻泵送過程中，有混凝土向外濺出的情況，其產生原因為：低頻泵送過程中，泵送和分配回路換向閥未能做到嚴格意義上的協調。因擺閥油缸在換向過程中時間不會太長，不論高頻泵送還是低頻泵送，在分配回路中，響應時間保持不變，具體的響應時間主要由系統具有的動特性而定。換向中，擺閥油缸結束動作，也就是S 管由泵送缸變為吸料缸，而泵送缸活塞未能達到它的終點，在這種狀況下，S 管突然從泵送缸口處離開，此時，處在泵送缸內的混凝土由于壓力很高，所以會發生向外飛濺的現象。

通過仿真分析，導致液壓系統產生壓力波動現場與混凝土飛濺主要原因為：對于分配回路，其響應時間是一個固定值，而活塞運動時間，則是一個變化值，兩者不相匹配。對此，可采用以下方法進行改進：第一，對分配回路進行改進，提高其響應速度，常用的措施為增大蓄能裝置公稱容積，以此縮短切換時間，也可對換向閥對應的中位機實施改善，減小在換向過程中產生的液壓沖擊。通過對以上方法的應用，能避免系統出現壓力峰值，然而，并不能從根本上解決混凝土飛濺問題。第二，利用傳感器對活塞運行速度進行動態檢測，同時，通過邏輯電路的設置與控制器安裝，提前或者是延遲啟動相應的觸發信號，確保分配回路與活塞之間達到匹配，以此避免混凝土飛濺，并消除液壓沖擊。

4 結語

綜上所述，導致系統產生液壓沖擊與混凝土飛濺問題的主要原因為從開始產生信號到進行換向，需要經過一段時間，也就是延時，延時的長短屬于固定值，取決于分配系統當中不同組成部分具有的動特性，然而，活塞從產生信號到完成動作的時間并不是固定值，而是一個變化值，主要與泵送的頻率等因素有關，當泵送的頻率較高時，時間相對較短，相反，如果泵送的頻率較低，則時間相對較長。因這兩者無法匹配，所以在高頻泵送過程中將產生明顯的液壓沖擊，而在低頻泵送過程中也會產生混凝土飛濺的情況。對此，建議通過對分配回路的改進，或者是加強對活塞運行的控制來解決，使分配回路響應與活塞運動的時間達到匹配，即可從根本上消除液壓沖擊，杜絕混凝土飛濺。