小型混凝土泵车泵送行程试验及泵送性能测试研究

2020-01-15

液压与气动 2020年1期

(1.湖南工业职业技术学院机械工程学院,湖南长沙 410208; 2.湖南响箭重工科技有限公司,湖南常德 415000)

引言

小型混凝土泵车是指臂架长度在30 m左右，采用二桥底盘的泵车，具有结构紧凑、臂架伸展回收灵活快捷、支腿占地空间小、整车移动方便、机动性好的特点。近年来，随着新农村建设及城镇化的推进，国内小型混凝土泵车进入了高速发展阶段，各厂家的竞争也趋于白热化。由于小型混凝土泵车市场及施工的特殊性，其整机性能必须具有较高的性价比，尤其是泵送性能既要能满足施工需要，又要简单可靠。对于泵送系统中的油缸、密封、缓冲装置、摆缸甚至整个系统，很多工程技术人员习惯在软件中设置边界条件进行模拟仿真[1-6]。本研究基于一款新型的小型混凝土泵车开发，利用自行设计的行程测试装置对油缸行程进行测试，并使用相关仪器设备对其泵送性能进行检测，查找异常情况，为泵送系统的改进优化提供依据。

1 泵送系统结构及工作原理

泵送系统主要由泵送油缸、混凝土缸、水箱、料斗、摆动油缸组成。两支泵送油缸通过串联油路相连，泵送油缸的结构与一般油缸存在较大区别，油缸前端安装有一副活塞，置于油缸前面混凝土缸中，油缸与混凝土缸分别安装在1个水箱的两端，当1支油缸活塞向前运动推送混凝土时，另1支同时向后运动吸入混凝土，2支油缸反复交替，不断推送混凝土。

小型混凝土泵车泵送液压系统原理如图1所示。电液换向阀3的A，B口分别连接泵送油缸1，2的无杆腔，泵送油缸1，2的有杆腔通过外部管路互连，形成连通腔。在泵送油缸1，2的无杆腔底部均安装有接近开关，当活塞靠近接时接近开关经发送一个到位信号给控制器。主液压泵输出的高压油通过电液换向阀3的右位A口进入泵送油缸1的无杆腔，推动泵送油缸1活塞杆伸出。与此同时泵送油缸1有杆腔内液压油被挤压，致使2个泵送主缸连通腔内压力升高；泵送油缸2有杆腔压力升高，推动活塞杆收回，其无杆腔液压油通过电液换向阀3的B口进入液压油箱。当泵送油缸2的活塞收回靠近接近开关时，控制器即接收到泵送油缸2的活塞收回到位信号。此时控制器让电液换向阀3换向，使其工作在左位；主液压泵输出的高压油通过电液换向阀3的右位B口进入泵送油缸2的无杆腔。泵送油缸2活塞杆伸出而泵送油缸1收回，如此往复，保证混凝土的持续输出。在泵送油缸两端均设置有单向阀，当活塞运动到U形管之间时，单向阀打开将活塞两侧的油液短暂接通，完成缓冲制动和连通腔内油液与外部油液的交换，进而降低连通腔内的油温。

1.左泵送油缸 2.右泵送油缸 3.电液换向阀 4.溢流阀图1 泵送液压系统原理图

2 泵送行程试验

由上述泵送系统原理可知，在混凝土泵送的过程中，油缸行程过位会导致油缸活塞在运动到位后与止动部件发生机械撞击，而行程不到位会使砼活塞无法退到润滑区域，导致活塞寿命和泵送效率降低。另外，行程不到位、分配系统换向与泵送油缸换向时序不匹配、空行程吸料等问题，也会导致实际的泵送方量偏小[7-8]。小型混凝土泵车的泵送方量一般不大，泵送系统对整机性能尤为重要。本研究利用自制的试验装置对泵送油缸的行程进行测试。

2.1 泵送油缸行程试验装置

图2是泵送油缸行程试验装置，主要由安装架、拉线式位移传感器、橡胶轮三大部分组成。安装架固定在泵送水箱上，并利用安装架的横梁和一对弹簧压实在活塞杆上，然后把固定在安装架上方的拉线式位移传感器的拉线缠绕在橡胶轮上。当活塞杆前进或后退时，橡胶轮就缠绕拉线或者释放拉线。这样就把活塞杆的平动转化成了橡胶轮的转动，进而由拉线式位移传感器的拉线反映出来，实际上也就测出了泵送油缸的行程[7-8]。

图2 泵送油缸行程试验装置

2.2 试验结果

油缸活塞结构如图3所示，活塞由OK圈、活塞体、导向环和感应套组成。

1.OK形活塞密封 2.导向环 3.活塞体 4.感应套 5.缓冲孔图3 油缸活塞结构

活塞前推或后退时，油缸的活塞体、导向环、感应套依次经过缓冲孔，直至缓冲孔完全外露。图4为油缸U形管流量脉冲的实测结果，从图中可以看出，U形管中的流量脉冲峰值大约为100 L/min左右。

图5是泵送时测得的油缸行程流量曲线，从图中可以看出此工况下泵送油缸的行程和U形管流量脉冲的变化。从所测油缸行程试验数据来看，此新款小型混凝土泵车的泵送油缸行程与设计基本相符。为进一步了解其泵送性能，将对该泵送系统进行泵送性能测试。

图4 U形管脉冲流量曲线

图5 油缸行程流量曲线

3 泵送性能测试

混凝土泵车在试制时，通常模拟打料工况进行调试。本次试验将在空泵与打水工况下测试泵送系统阀的压降、响应，泵送压力冲击，泵送行程，泵送振动及分配缓冲等，查找异常情况，为泵送系统的改进优化提供依据[9-12]。

3.1 测试仪器

测试仪器主要包括压力传感器、流量传感器、加速度传感器，NI数采系统等，具体见表1。

表1 试验仪器一览表

3.2 测试工况

模拟泵送系统打料的空泵工况和25 MPa压力下的打水工况。

3.3 测试数据分析

1) 空泵特性

分别选择空泵满挡10挡、空泵6挡、空泵3挡进行数据采集。图6所示是测试系统传感器加速度坐标方向(泵送时，顺着油缸方向即X方向为主要振动方向)，图7～图9为空载泵送特性曲线图。

图6 加速度坐标方向

从上述空载泵送特性图可以看出:不同挡位泵送特性曲线走势基本一致，即主泵P曲线先于泵送先导A曲线和泵送先导B曲线发生突变，油缸接近开关曲线随即也出现变化且与油缸压力曲线没有完全重合。从图7可知，满挡10挡时，泵送换向相关的压力曲线走势比较平缓；从图8、图9可知，泵送油缸压力，分配压力等曲线的走势与实际基本相符。

图7 空泵10挡特征曲线

图8 空泵6挡特征曲线

图9 空泵3挡特征曲线

根据特性图及上述分析可以得出以下结论：

(1) 油缸及水箱接近开关都有感应信号输出，说明泵送行程前后都是到位的，这与前面泵送行程测试的数据相符。空泵满挡10挡时，泵送流量最大，此时泵送换向阀压差约为0.5 MPa，可以满足系统要求。空泵6挡、3挡时，泵送压力，流量、换向加速度等泵送性能参数基本正常；

(2) 空载泵送时，在先导控制压力未变化前，主油泵的泵送压力突然升高，这时油缸接近开关先于水箱接近开关发送信号，且油缸接近开关信号与压力突变有时间间隔。基于以上特征可以判断，空泵时出现了撞缸现象(撞泵送油缸前部，现场的撞击声音也验证了此点)；

(3) 左油缸缩回右油缸伸出即右缸泵送，在换向开始时加速度有波动，但行程值在可接受范围内；在换向完成时加速度值突然上升超出传感器量程，而右油缸缩回左油缸伸出即左缸泵送，加速度值则小很多(加速度代表振动，超量程说明晃动厉害肉眼可辨别)。

2) 打水特性

分别选择典型的打水10挡、8挡、5挡、3挡、2挡进行数据采集。图10～图14分别为打水泵送特性图。

图10 打水10挡特征曲线

图11 打水8挡特征曲线

图12 打水5挡特征曲线

图13 打水3挡特征曲线

图14 打水2挡特征曲线

从上述泵送打水特性图可以看出:不同挡位泵送特性曲线走势基本一致，且同一挡位左右缸泵送特性曲线走势基本相同。与空泵特性不同的是：水箱接近开关曲线变化出现在油缸接近开关曲线之前，所有测试挡位的左缸分配换向特征曲线比右缸分配换向特征曲线显示的加速度值要大。

根据特性图及上述分析可以得出以下结论：

(1) 泵送时，水箱接近开关先于油缸接近开关发送信号，10挡时，右油缸缩回左油缸伸出即左缸泵送，在换向完成时加速度值突然上升超出传感器量程(与空泵相反)；挡位降低，加速度幅值减小，5挡及以下，加速度幅值较小，说明挡位较低时，振动较小，与实际相符；

(2) 左油缸缩回右油缸伸出在将换向时即右缸泵送时，先导压力未下降(泵送现场观察电磁阀及液动阀都未换向)，主泵及右油缸压力先下降；而右油缸缩回左油缸伸出即左缸泵送时，泵送换向时主泵及油缸压力变化正常。

3) 分配压力特性

分配系统压力的大小关系到泵送摆动油缸的力度，分配压力过大将使S阀产生快速的冲击及噪声，引起整个泵送单元的惯性冲击和振动增大，同时也造成不必要的能量损失；分配压力过小，将使摆动油缸无力，影响泵送效率。为检测试制新车泵送系统的分配压力，对满挡空泵10挡、打水10挡的分配压力进行检测。图15、图16分别为空泵10挡、打水10挡的分配压力特性曲线图。