混凝土輸送泵中防堵機構的設計與研究

楊龍

摘要：在泵輸送過程中，混凝土骨料會積聚在泵管上，并堵塞泵管。為了解決這個問題，已經設計了包括螺旋葉片的防堵塞機構。建立3D模型可以采用CATIA，對泵管內的混凝土流場進行數值分析可以用FLUENT軟件。分析結果表明，防堵機構的設計可以有效的改善混凝土在泵管中的流動性能，并有效預防混凝土阻塞泵管。

關鍵詞：混凝土輸送泵;防堵機構;設計與研究

在現代混凝土輸送泵中，活塞推桿將混凝土推入泵管中，混凝土在泵送過程中經常堵塞泵管，堵塞的混凝土輸送泵不僅會損壞設備，還會造成工作損失，并導致重做注入的項目，從而影響項目的進度和質量，導致很大的經濟損失。當使用混凝土輸送泵時，經常會發生這種堵塞現象，并且該問題目前尚未得到有效解決。因此，本文研究了輸送泵的堵塞問題，并分析了堵塞的原因，其原因主要是由于主油泵在換向過程中產生的壓力沖擊，導致了這一現象的發生，本文針對這一系列的問題設計一種機構，以防止泵堵塞。

一、混凝土泵送的工作原理

混凝土輸送泵的工作原理是由，油缸的活塞和推桿連接到混凝土輸送缸的活塞和推桿。S管道的出口經由料斗的外部端口連接至外部管道，并且S管道的入口交替地連接至換向閥和兩個混凝土輸送缸端口。在泵送混凝土時，反轉系統的反轉使S管線的入口對接至混凝土輸送缸，而混凝土輸送缸進入混凝土料斗，混凝土輸送缸的活塞前進，混凝土輸送缸內的混凝土被活塞向前推動，并通過S管線被輸送到外部管線，另一個混凝土輸送缸的活塞被推動。在混凝土分配筒內部，該筒向后移動并在料斗中吸取混凝土。當混凝土輸送缸的活塞移動到極限位置時，換向閥和壓力供給油缸反向旋轉，S管線和混凝土輸送缸12對接，混凝土輸送缸和料斗對接。混凝土輸送缸的活塞反轉方向，并通過S管線將剛被吸入到泵送缸中的混凝土泵送，混凝土輸送缸的活塞向后移動，從而將料斗中的混凝土輸送到混凝土中，將其拉入混凝土輸送缸。兩個泵送油缸交替注入和排出油，并交替循環循環以實現混凝土泵送。

二、防堵機構設計與建模

設計防堵機構是為了解決液壓活塞式混凝土泵的混凝土骨料積聚在泵管中而容易堵塞的問題。防堵塞機構主要由傳動元件（滾珠絲杠副）、連接器和致動器（螺旋葉片）組成，并置于混凝土液體進料泵內。使用CATIA設計機械結構的3D模型。在防堵機構的工作過程中，當進油口1進入進油口，而進油口4排出油時，油將活塞推桿向右推動，并且活塞推桿通過推動螺桿而移動。螺桿驅動螺旋葉片的運動。當螺旋葉片旋轉時，會產生軸向推力。這促進了混凝土泵送和混凝土的混合，防止混凝土積聚和阻塞泵管，從而實現防阻塞功能。同時，油孔25進入油，活塞被推動。桿拉動絲杠并向左移動。這時，螺旋葉片產生吸力以輔助混凝土吸力泵管。

（一）傳動元件滾珠絲杠副的設計

考慮到整個泵機構、螺旋副機構可以在泵送過程中實現活塞推桿的線性和旋轉運動。考慮到實際的泵送過程需要很高的泵送速度和機械效率，傳輸效率為（0.9-0.98）速度達到1m/s或更高的滾珠絲杠副可以滿足泵送要求，由于滾珠絲杠副的傳輸精度高、接觸剛度強、使用壽命長，并且具有非自鎖特性，因此可用于航空、石油鉆探行業、精密機床、雷達精密定位器、殼體水平精度等領域用于測量設備。滾珠絲杠系列尺寸的標準化在中國已經基本完成，并且由于使用了許多冷軋工藝，因此產品的制造成本較低，結合以上優點，滾珠絲杠副適合用作防堵機構的動力傳遞元件。

（二）連接件以及執行元件

絲杠與推桿之間的連接包圓形螺母、襯套、緊固件、列角接觸球軸承（7213B）和止動墊圈，其主要功能是實現活塞推桿和滾珠絲杠的軸向運動，如圖4所示。

執行器主要由螺旋葉片和活塞組成，螺旋葉片的基本參數包括螺旋葉片的螺旋軸的直徑d為48 mm、大直徑160 mm，螺旋葉片設計執行了最佳螺距計算，因為螺距不僅決定了混凝土運輸的滑移面，而且對混凝土泵的效率產生了重大影響。

三、混凝土流體數值模擬

（一）計算模型及方法

螺旋葉片部件的主要工作是防堵，螺旋葉片的旋轉改變了流體的運動學，致使混凝土流動順暢并防止了混凝土積聚。因此，只需建立泵管中混凝土流體和螺旋葉片的數值模型。對于泵送混凝土和泵入混凝土，螺旋葉片的工作原理是相同的。本文僅討論泵送混凝土。可以認為混凝土是砂石懸浮的本體，由于液壓的作用，混凝土向前流動。為了方便進行數值計算，本文將混凝土簡化為水泥漿和石子兩個階段，僅分析了兩個運動狀態，忽略了兩個溫度和內部能量的變化。Fluent軟件使用混合兩相湍流模型，主要相流是水泥相，水泥漿相的動態粘度為21 Pa_s，流體相密度為1600kg/m3。第二相是顆粒相，并與流體相比較。顆粒相體積分數為0.7，粒徑為15mm，密度為2800 kg/m3。可以將泵管的壁設置為速度為0.6m/s，沿z軸向左移動，將螺旋葉片的壁設置為旋轉，旋轉速度為500r/min。動態參考系模型可以選用流體運動模式，將入口設置為壓力入口，壓力為13MPa，重力加速度為-9.81k^N。

（二）數值計算結果分析

為了便于觀察，將z-y平面視為包含泵管軸線的縱向截面A，該截面垂直于各個橫向截面，并針對流場分析截面A、B的相關參數。混合相速度場的分布可以反映混凝土在混凝土輸送筒中的流動狀態，螺旋葉片前面的A部分和B部分的速度流動條件。這兩個部分的速度運動狀態是一致的，這表明部分A的速度流動狀態可以反映出混凝土在混凝土輸送筒上的速度流動狀態。從橫截面可以看出，混凝土輸送筒中心區域的流速逐漸增大，從中心到邊界的流速逐漸變為零，并且中心區域的流體為“柱塞型”，這是因為邊界附近的主要成分是具有高粘性阻力的水泥漿，并且主要部分是具有低粘性的粗骨料顆粒，因此中心速度較大，同時混凝土由于水壓而加速。由于A部分的速度差大，粗骨料和水泥漿很容易分離，并且粗骨料顆粒快速向前移動并堆積在前面，從而使混凝土輸送筒更容易堵塞。

添加螺旋葉片后混合相的速度場可以看出，螺旋葉片的旋轉引起圍繞螺旋葉片的流體的大速度產生渦流，這對于在混合相中混合相是有利的。水泥漿在螺旋葉片右側的兩個邊界處的速度趨于為零，這起潤滑劑的作用并可以降低泵送阻力。在螺旋葉片右側的除邊界以外的其他分水嶺中，混合相流體的移動速度基本上與“柱塞狀”相同。這表明粗骨料顆粒完全包裹在水泥漿中，懸浮在水池中并以“柱塞狀”流動。符合Bingham機構的操作規則。從A區的速度流場來看，在泵送混凝土期間，流域中的小速度差減小了兩相分離的可能性，從而降低了粗骨料顆粒之間發生碰撞的可能性，可以看出，防止了粗顆粒的發生，粗骨料顆粒的聚集會促進混凝土的泵送，添加螺旋葉片后，粗骨料顆粒的密度分布如圖7所示。

結語：綜上所述，本文設計一個由滾珠絲杠副和螺旋葉片組成的防堵塞機構，可以有效地防止混凝土堵塞泵管。連接件設計用于推桿的軸向運動以及導螺桿的旋轉和軸向運動，從而確保了泵送過程的可靠性，為混凝土泵的防堵機構設計提供了新的參考方案。

參考文獻：

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