盾構(gòu)注漿泵容積效率建模分析與研究

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中基于穩(wěn)固圍巖的需要，在管片脫離盾尾的過(guò)程中，需在管片與隧道形成的環(huán)形間隙中注入一定量的混凝土，防止盾尾脫離后地表產(chǎn)生瞬時(shí)沉降[1～2]。隨著地鐵施工要求的提高，因此如何在規(guī)定的壓力下完成所需注漿量是對(duì)注漿泵能力和注漿效率的一大考驗(yàn)。

張景異等人[3]基于負(fù)載敏感變量泵對(duì)盾構(gòu)注漿系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；任德志等人[4]在分析盾構(gòu)注漿施工工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了滿足盾構(gòu)注漿工藝要求的柱塞式注漿泵電液控制系統(tǒng)；董志斌等人[5]對(duì)新型HB10 盾構(gòu)注漿泵的研發(fā)等。如上，盾構(gòu)用注漿泵大多為柱塞式，現(xiàn)有柱塞式注漿泵存在高注漿壓力下注漿泵的容積效率急速下降，造成施工的注漿量不夠等問(wèn)題，但目前對(duì)柱塞式注漿泵存在的一系列問(wèn)題尚無(wú)系統(tǒng)的分析，本文以中鐵裝備自制注漿泵為例，針對(duì)柱塞式注漿泵存在的反漿、容積效率低等問(wèn)題進(jìn)行理論分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 注漿泵工作原理

注漿泵作為盾構(gòu)重要的配套設(shè)備，隨著盾構(gòu)的不斷向前掘進(jìn)，它能夠快速、高效地將混合好的水泥漿按設(shè)定壓力注入到盾體前進(jìn)而使洞壁與管片間產(chǎn)生的間隙，從而有效控制地表的沉降。

1.1 柱塞式注漿泵結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，柱塞式注漿泵主要由水平提升閥缸、豎直提升閥缸、泵送活塞、清洗水箱、泵送主油缸等組成。泵運(yùn)行過(guò)程中，水平提升閥1關(guān)閉，豎直提升閥2 打開(kāi)，主油缸帶動(dòng)泵送活塞3 后移完成吸漿動(dòng)作。而后，豎直提升閥2 關(guān)閉，水平提升閥2 打開(kāi)，主油缸帶動(dòng)泵送活塞3 前移完成排漿動(dòng)作。

圖1 柱塞式注漿泵結(jié)構(gòu)圖

1.2 柱塞式注漿泵液壓系統(tǒng)原理

圖2 柱塞式注漿泵液壓系統(tǒng)原理

如圖2 所示，該注漿系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)注漿及沖洗兩種功能。注漿工況下，換向閥3 左位進(jìn)入工作狀態(tài)，在高壓油的作用下?lián)Q向閥2 左位進(jìn)入工作。泵出口高壓油經(jīng)換向閥2、1 進(jìn)入豎直提升閥油缸有桿腔及水平提升閥油缸無(wú)桿腔，使吸料口打開(kāi)，出料口關(guān)閉。同時(shí)，換向閥1 左側(cè)引出高壓油使換向閥4 右位進(jìn)入工作，輸送油缸有桿腔進(jìn)油使油缸向后移動(dòng)完成吸料過(guò)程。輸送油缸前后裝有行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸送油缸向后移動(dòng)觸碰油缸后側(cè)行程開(kāi)關(guān)后，換向閥1 得電，右位進(jìn)入工作狀態(tài)，泵出口高壓油進(jìn)入豎直提升閥油缸無(wú)桿腔及水平提升閥油缸有桿腔，使吸料口關(guān)閉，出料口打開(kāi)，同時(shí)，換向閥1 左側(cè)引出高壓油使換向閥4 左位進(jìn)入工作，輸送油缸無(wú)桿腔進(jìn)油使油缸向后移動(dòng)完成出料過(guò)程。當(dāng)輸送油缸向后移動(dòng)觸碰油缸前側(cè)行程開(kāi)關(guān)后，換向閥1 斷電，左側(cè)進(jìn)入工作狀態(tài)，完成吸料過(guò)程，以此往復(fù)。

沖洗工況下，換向閥3 右側(cè)進(jìn)入工作狀態(tài)，在高壓油的作用下?lián)Q向閥2 右位進(jìn)入工作。連鎖響應(yīng)與注漿工況相似，從而實(shí)現(xiàn)反沖洗。

2 容積效率分析

柱塞式注漿泵結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，維修方便，但普遍存在容積效率低的問(wèn)題。如圖3 所示，注漿泵在注漿過(guò)程中，提升閥開(kāi)啟的瞬間，會(huì)使出料口與吸料口相通。外界漿液負(fù)載壓力較高，將使原本輸送出去的漿液通過(guò)出料口與吸料口產(chǎn)生的間隙壓回到砂漿罐中，即為反漿現(xiàn)象。

圖3 注漿泵反漿示意圖

2.1 反漿量及容積效率理論計(jì)算

進(jìn)行柱塞式注漿泵反漿量的計(jì)算，可將出料口與吸料口之間的間隙等效為薄壁小孔。只需求得水平提升閥閥頭與閥孔1 形成的等效面積即可得出反漿量，等效為薄壁小孔流量的反漿量計(jì)算如下。

如圖4 所示，對(duì)水平提升閥閥頭運(yùn)行軌跡進(jìn)行建模分析，過(guò)閥孔1 外圓一點(diǎn)W向水平提升閥閥頭作垂線交于C點(diǎn)，延長(zhǎng)交閥孔1 中心線于D點(diǎn)，求得以D為圓心CW所圍成的圓環(huán)面積Sw即為等效面積。

圖4 水平提升閥閥頭運(yùn)動(dòng)模型

假定閥頭瞬時(shí)位移為L(zhǎng)1，水平提升閥運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)時(shí)間為t1，閥頭錐度為α，可得

其中，v為水平提升閥運(yùn)動(dòng)速度，L1=vt1；H為閥頭直徑。

進(jìn)一步可得水平提升閥閥頭與閥孔1 形成的等效面積

水平提升閥的運(yùn)動(dòng)速度取決于系統(tǒng)流量，假定系統(tǒng)流量為q，水平提升油缸無(wú)桿腔面積為A，即可得水平提升閥運(yùn)動(dòng)速度

將（4）式帶入（3）式可得

將出料口與吸料口之間的間隙等效為薄壁小孔流量，可得注漿泵一次循環(huán)的反漿量Q反為

其中，Cq為小孔流量系數(shù)，由于孔前管道對(duì)液流進(jìn)入小孔起導(dǎo)向作用，取Cq=0.7。

反漿量隨著換向閥的移動(dòng)，是對(duì)換向時(shí)間的變量函數(shù)，對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，可得

可得注漿泵完成一次注漿的容積效率

由式（7）可知，當(dāng)提升閥換向時(shí)間一定的情況下反漿量與注漿壓力呈線性比例關(guān)系，隨著注漿壓力的增高，反漿量越大，容積效率越低。

2.2 容積效率實(shí)驗(yàn)分析

中鐵裝備自制注漿泵1 臺(tái)，液壓動(dòng)力源，帶攪拌電機(jī)砂漿罐1 個(gè)，注漿泵控制輸入電信號(hào)，注漿壓力傳感器2 個(gè)，機(jī)械式土壓表1 只，注漿次數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器2 只，注漿管路連接附件，足量砂漿原料。

將注漿泵吸料口連接沙漿罐底部出料口，注漿泵出料口連接到沙漿罐頂部，并將注漿土壓傳感器和土壓表安裝到注漿泵出料口，注漿泵液壓控制閥塊由連接的盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)液壓泵站提供動(dòng)力，控制塊中電磁閥控制信號(hào)由盾構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制柜給定，土壓傳感器壓力信號(hào)線、脈沖計(jì)數(shù)器信號(hào)線連接到控制柜。

將提升閥換向時(shí)間T控制在500ms，實(shí)驗(yàn)可得，注漿壓力、反漿量和一次注漿容積效率之間的關(guān)系如表1 所示。

由表1 可得，當(dāng)提升閥的換向時(shí)間一定時(shí)，反漿量隨著注漿壓力的升高而增大，一次注漿容積效率隨著注漿壓力的升高而減小。

3 容積效率優(yōu)化設(shè)計(jì)

由式（7）可得，反漿量不僅與注漿壓力有關(guān)，同時(shí)與提升閥的換向時(shí)間有關(guān)，當(dāng)注漿壓力一定時(shí)，反漿量隨著換向時(shí)間的減小而減小，隨之，容積效率增大。

以相同的實(shí)驗(yàn)條件，加大提升閥油缸無(wú)桿腔油液流量，從而提高提升閥的運(yùn)動(dòng)速度，現(xiàn)將提升閥的運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短為0.1s 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得注漿壓力和一次注漿容積效率之間的關(guān)系如表2所示。

表1 T=0.5s時(shí)，注漿壓力、反漿量和一次注漿容積效率關(guān)系

表2 T=0.1s時(shí)，注漿壓力和一次注漿容積效率關(guān)系

由表2 可得，當(dāng)提升閥的換向時(shí)間縮短為0.1s 時(shí)，一次注漿容積效率可達(dá)到95%以上。因此，減小換向閥的換向時(shí)間可有效地增大注漿泵的容積效率。減小提升閥的換向時(shí)間，則需提高提升閥油缸的運(yùn)行速度。當(dāng)提升閥油缸選定的情況下，需增大無(wú)桿腔的流量。但無(wú)限制的加大流量，將增加功率損耗。同時(shí)，速度越快，慣量越大，沖擊較大，將影響泵的使用壽命。若控制水平提升閥和豎直提升閥的開(kāi)關(guān)順序，吸料時(shí)水平提升閥先關(guān)閉，豎直提升閥后打開(kāi)，輸出時(shí)豎直提升閥先關(guān)閉，豎直提升閥后打開(kāi)。這樣，在注漿泵在過(guò)程中則不會(huì)發(fā)生反漿現(xiàn)象，大大提升了柱塞式注漿泵的容積效率。

如圖5 所示，在水平提升油缸和豎直提升油缸的有桿腔進(jìn)油處，分別串聯(lián)一個(gè)順序閥。吸料時(shí)，水平提升閥有桿腔油液經(jīng)過(guò)單向閥快速回油箱，將水平提升閥關(guān)閉，待壓力達(dá)到后，油液將豎直提升閥有桿腔進(jìn)油口順序閥頂開(kāi)，進(jìn)入豎直提升閥有桿腔，從而使豎直提升閥打開(kāi)，完成吸料過(guò)程。注漿時(shí)，豎直提升閥有桿腔油液經(jīng)過(guò)單向閥快速回油箱，將豎直提升閥關(guān)閉，待壓力達(dá)到后，油液將水平提升閥有桿腔進(jìn)油口順序閥頂開(kāi)，進(jìn)入水平提升閥有桿腔，從而使水平提升閥打開(kāi)，完成注漿過(guò)程。

圖5 提升閥順序動(dòng)作原理圖

實(shí)驗(yàn)可得，不同換向時(shí)間T下，注漿壓力與反漿量、一次容積效率之間的關(guān)系如表3 所示。

由表3 可得，該方法能有效地防止注漿過(guò)程中的反漿情況，容積效率可達(dá)100%。

4 結(jié)論

1）注漿過(guò)程中提升閥的同步開(kāi)關(guān)造成反漿，是柱塞式注漿泵容積效率低的主要原因。對(duì)提升閥的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模分析，得出反漿量與注漿壓力P以及提升閥運(yùn)動(dòng)時(shí)間T有關(guān)，隨著注漿壓力的增大，提升閥運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，反漿量越大，容積效率越低。

表3 優(yōu)化后注漿壓力和一次注漿容積效率關(guān)系

2）進(jìn)行柱塞式注漿泵容積效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小提升閥的運(yùn)行時(shí)間并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得知減小提升閥的運(yùn)行時(shí)間可有效減小反漿量，將容積效率提高至95%。

3）在水平和豎直提升油缸的有桿腔進(jìn)油處分別串聯(lián)順序閥，實(shí)現(xiàn)水平和豎直油缸的順序動(dòng)作，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得知，該方法可有效防止反漿情況發(fā)生，進(jìn)一步提高注漿泵的容積效率。