不同工況下混凝土泵車長距離泵送負載壓力變化特征

(中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

0 引言

混凝土泵送施工在現代鐵路、公路、水利、建筑等工程建設中十分常見，但是在混凝土泵送施工過程中，混凝土泵車的臂架和底架往往會產生較大的振動，這會造成混凝土在輸料管中的流動變為非定常流，特別是在一些特殊高層(如橋梁、高層建筑)的施工中，往往需要用到長距離的混凝土泵送輸料管才能將混凝土供給到指定澆筑位置，使得臂架和底架的振動情況更加復雜[1-3]。臂架和底架的振動往往是因為混凝土在泵送過程中產生的負載壓力波動所引起的，因此，對泵送負載壓力進行監測和分析，可以有助于泵車臂架、底架的振動研究，為后續的泵車改良提供指導意見，同時還能為實際工程提供泵送施工指導，減少泵車在施工過程中堵管現象的發生[4-5]。

召夸至瀘西高速公路橋梁工程耿家村1、2號橋均采用混凝土預應力現澆連續箱梁施工，在混凝土澆筑過程中采用JH38-RZ型混凝土泵車，但是受地形限制，混凝土泵車臂架形態難以控制，導致泵送施工過程中多次出現堵管現象，為了解決這一問題，項目部成立了問題攻關小組，專門對混凝土泵送問題展開研究，以期能為工程實踐提供幫助。

1 混凝土泵車簡介

JH38-RZ型混凝土泵車屬于液壓傳動活塞式泵車，主要由汽車底盤、混凝土泵、底架系統以及臂架系統等四大結構組成，見圖1。JH38-RZ型混凝土泵車的主要技術參數為：最大理論輸送量140 m3/h，混凝土最大出口壓力12 MPa，額定工作壓力32 MPa，泵送頻率為16～29/min，混凝土缸徑×行程=230 mm×1650 mm，轉臺旋轉角度為375°，最大布料(高度/半徑/深度)=37 m/33 m/21.2 m，發動機功率為180～340 HP。

圖1 JH38-RZ型混凝土泵車結構

按照泵車各結構的功能劃分，又可將混凝土泵車劃分為泵送系統、液壓系統以及電氣控制系統三大控制系統，其中：泵送系統的主要作用是通過泵送單元將高壓油箱中的壓力轉化為活塞的推力，從而推動泵送輸料管中的混凝土向目標位置移動；液壓系統的主要作用是控制高壓油流向主油缸，再利用主換向閥、分配閥換向閥的控制，使兩個混凝土輸送缸連續交替不斷地向輸料管輸送混凝土；電氣控制系統由測量單元、運動控制單元、控制對象以及機交互單元等四部分組成，主要作用是對混凝土泵車的液壓系統、動力系統、臂架系統等結構實現運動控制，從而使混凝土泵車達到良好的工作狀態[6-8]。

2 負載壓力計算模型

混凝土泵車在施工運行過程中，受不同澆筑位置的影響，其臂架將處于類水平狀態、M形姿態或者弧形姿態等不同的工況下，因此泵送過程中的負載壓力是十分復雜的。按照負載壓力的相關理論，混凝土泵車的泵送負載壓力應等于混凝土輸料管的沿程壓力損失和彎管、錐管及其他附件引起的局部壓力損失之和，但是由于泵送管道處于不同的形態中時，其管道中的二次回流、顆粒間的碰撞及沖擊情況也會存在顯著變化，導致混凝土在泵送過程中的壓力損失變化更加復雜。為了便于分析，本文基于相關研究結果，將彎管、錐管引起的局部損失等效于一定長度的水平直管的壓力損失，其計算模型為：

(1)

式中：x表示直管段的長度，m；y表示彎管等效的直管長度，m；z表示錐管等效的直管長度，m；w表示其他附件等效的直管長度，m；l、m、n分別表示彎管、錐管以及其他附件的數量，個；h表示泵送高度，m；V表示混凝土速度，m/s；ρ表示混凝土密度，kg/m3。

對于90°彎管而言，一般R為0.5～1.0 m，水平換算長度取6.0 m，對于100～175 mm的錐形管而言，水平換算長度取3.0 m，對于5～8 m的軟管而言，水平換算長度一般取20 m。

3 現場試驗

3.1 試驗原理

將壓力傳感器安裝在主油泵出油口，測得混凝土泵送過程中主油泵的壓力，由于主油泵至主油缸無桿腔的壓力損失非常小，可忽略不計，因此，測得壓力值近似等于主油缸無桿腔的壓力，主油缸無桿腔的壓力與泵車負載壓力之間存在一定的轉換關系，因此通過測量主油泵的壓力就可以估算達到泵車在不同運動狀態下的負載壓力變化。測試原理見圖2。

圖2 負載壓力測試原理

3.2 試驗工況

試驗過程中，將混凝土臂架調整為三種工況：水平工況、M 形工況和弧形工況。由于該型號混凝土泵車有6節臂架，為了確保在同一工況下每節臂架的姿態保持不變，將每種工況下每節臂架的傾角進行了規定，并通過安裝傾角傳感器來進行監控。臂架傾角參數設置情況見圖3和表1。

圖3 試驗工況示意

表1 臂架傾角設置

3.3 試驗步驟

首先， 按照工程中最常用的C30配合比進行混凝土拌制，然后通過坍落度試驗測得混凝土的坍落度為180 mm，為混凝土的摩擦力取值提供依據。然后，在混凝土泵車主油泵出口處安裝好壓力傳感器，壓力傳感器型號采用ifmPT5560，輸出電流范圍為4～20 mA，可測量0～60 MPa的壓力變化；在每節臂架上安裝好傾角傳感器，以控制泵送臂架的姿態。接著，調整臂架姿態為水平姿態，混凝土泵送擋位設置為5檔，開始進行混凝土泵送施工，測量主油泵壓力值和臂架傾角的實時數據。緊跟著，將臂架姿態調整為弧形姿態，混凝土泵送擋位也設置為5檔，進行混凝土泵送施工，測量主油泵壓力值和臂架傾角的實時數據。最后，將臂架姿態調整為M形姿態，混凝土泵送擋位仍然設置為5檔，進行混凝土泵送施工，測量主油泵壓力值和臂架傾角的實時數據。

4 試驗結果分析

4.1 類水平工況

采用負載壓力計算模型對類水平工況下的泵送負載壓力進行計算，并與現場試驗結果進行對比，結果見圖4。從圖4中可知：采用負載壓力模型進行計算時，負載壓力呈明顯的周期性變化特征，且每隔3.8 s就會出現一個負載壓力沖擊峰值，沖擊壓力峰值約等于4.94 MPa，其后負載壓力略有降低，然后趨于一個穩定值，穩定負載壓力約為3.73 MPa；現場試驗得到的類水平工況下，混凝土泵車的負載壓力也呈周期性的變化特征，但每次的負載壓力峰值略有波動，表現為間隔性忽高忽低的變化特征，最大負載壓力峰值約為4.95 MPa，與模型計算值僅相差0.2%，在平穩推送階段，雖然負載壓力呈動態波動特征，但波動幅度不大，且與負載壓力峰值一樣，平穩推送階段的負載壓力也呈間隔性的高低變化，即穩定階段負載壓力為3.72 MPa→3.32 MPa→3.72 MPa→3.32 MPa的循環變化特征，這是因為混凝土泵車在實際泵送施工中，由于有兩個輸送缸交替為輸料管輸送混凝土，當主換向閥、分配閥換向閥進行換向操作時，存在一個時間差，此時壓力還來不及補充，因而壓力會略有降低并呈周期間隔性變化。

圖4 類水平工況下負載壓力變化

4.2 弧形工況

弧形工況下模型計算與現場試驗負載壓力變化結果見圖5。從圖5中可知：當混凝土泵車處于弧形工況下時，通過模型計算得到的負載壓力變化特征與類水平工況基本一致，周期間隔時間也為3.8 s，負載沖擊壓力峰值約等于4.96 MPa，穩定推送階段的負載壓力約等于3.74 MPa；現場試驗監測所得的負載壓力變化與類水平工況時表現也基本一致，負載沖擊壓力峰值和穩定推送階段的負載壓力呈周期性間隔性的高低變化，最大負載沖擊壓力峰值約為5.08 MPa，與模型計算相差2.5%，而穩定階段負載壓力為3.2 MPa→3.53 MPa→3.2 MPa→3.53 MPa循環變化。

4.3 M形工況

同理，可通過模型計算和試驗得到M形工況下的負載壓力變化情況，見圖6。從圖6中可知：在M形工況下，模型計算的穩定階段的負載壓力與現場所測的實際負載壓力最為接近，模型計算的推送階段的穩定負載壓力值為3.75 MPa，而現場所測的實際負載壓力呈3.77 MPa→3.67 MPa→3.77 MPa→3.67 MPa循環變化，周期間隔的高低變化特征已不那么明顯；對于負載沖擊壓力峰值，模型計算得到的約為4.96 MPa，而試驗所測壓力峰值為4.323 MPa，兩者相差14.9%。在M形工況下，推送混凝土加速的時間相較于類水平工況或者弧形工況均較長，這就會導致負載壓力沖擊的峰值減小，從而使得在M形工況下混凝土泵車泵送較為困難，容易出現混凝土堵管現象，因此，在實際施工過程中，一般不允許泵車臂架呈M形狀態。

圖5 弧形工況下負載壓力變化

圖6 M形工況下負載壓力變化

4.4 討論

從不同工況下泵送壓力的變化特征可知，主油泵的圧力曲線變化規律基本一致，在一個泵送周期內，先是經過減速換向階段使壓力降低至最低點，然后又迅速進入加速換向階段將壓力提升至負載壓力沖擊峰值，最后再減速至平穩推送階段，此時壓力基本保持恒定。在三種不同工況下，負載壓力相差不大，表明在混凝土輸料管布置長度一定的情況下，泵送高度對負載壓力的影響較小。模型計算結果與現場試驗所測結果基本保持一致，表明將泵送混凝土時的局部損失等效于一定長度的水平直管壓力是合理可行的，具有較高的計算準確性，可大大簡化計算分析過程。

5 結語

針對JH38-RZ型混凝土泵車，提出將彎管、錐管引起的局部壓力損失等效于一定長度的水平直管的壓力損失，并給出了計算模型，結合現場試驗數據，分析了水平、M 形和弧形三種工況下泵送負載壓力的變化規律，得出如下結論：(1)不同工況下混凝土泵送負載壓力均經歷減速換向-加速換向-減速至平穩推送三個階段；(2)當混凝土輸料管布置相同時，泵送高度(臂架形式)對負載壓力的影響較小；(3)模型計算結果與現場試驗監測數據基本一致，表明給出的泵送負載壓力計算模型合理、準確；(4)為減少堵管現象發生，在實際運用時應盡量避免M形工況下施工。