不同工况下混凝土泵车长距离泵送负载压力变化特征

(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

0 引言

混凝土泵送施工在现代铁路、公路、水利、建筑等工程建设中十分常见，但是在混凝土泵送施工过程中，混凝土泵车的臂架和底架往往会产生较大的振动，这会造成混凝土在输料管中的流动变为非定常流，特别是在一些特殊高层(如桥梁、高层建筑)的施工中，往往需要用到长距离的混凝土泵送输料管才能将混凝土供给到指定浇筑位置，使得臂架和底架的振动情况更加复杂[1-3]。臂架和底架的振动往往是因为混凝土在泵送过程中产生的负载压力波动所引起的，因此，对泵送负载压力进行监测和分析，可以有助于泵车臂架、底架的振动研究，为后续的泵车改良提供指导意见，同时还能为实际工程提供泵送施工指导，减少泵车在施工过程中堵管现象的发生[4-5]。

召夸至泸西高速公路桥梁工程耿家村1、2号桥均采用混凝土预应力现浇连续箱梁施工，在混凝土浇筑过程中采用JH38-RZ型混凝土泵车，但是受地形限制，混凝土泵车臂架形态难以控制，导致泵送施工过程中多次出现堵管现象，为了解决这一问题，项目部成立了问题攻关小组，专门对混凝土泵送问题展开研究，以期能为工程实践提供帮助。

1 混凝土泵车简介

JH38-RZ型混凝土泵车属于液压传动活塞式泵车，主要由汽车底盘、混凝土泵、底架系统以及臂架系统等四大结构组成，见图1。JH38-RZ型混凝土泵车的主要技术参数为：最大理论输送量140 m3/h，混凝土最大出口压力12 MPa，额定工作压力32 MPa，泵送频率为16～29/min，混凝土缸径×行程=230 mm×1650 mm，转台旋转角度为375°，最大布料(高度/半径/深度)=37 m/33 m/21.2 m，发动机功率为180～340 HP。

图1 JH38-RZ型混凝土泵车结构

按照泵车各结构的功能划分，又可将混凝土泵车划分为泵送系统、液压系统以及电气控制系统三大控制系统，其中：泵送系统的主要作用是通过泵送单元将高压油箱中的压力转化为活塞的推力，从而推动泵送输料管中的混凝土向目标位置移动；液压系统的主要作用是控制高压油流向主油缸，再利用主换向阀、分配阀换向阀的控制，使两个混凝土输送缸连续交替不断地向输料管输送混凝土；电气控制系统由测量单元、运动控制单元、控制对象以及机交互单元等四部分组成，主要作用是对混凝土泵车的液压系统、动力系统、臂架系统等结构实现运动控制，从而使混凝土泵车达到良好的工作状态[6-8]。

2 负载压力计算模型

混凝土泵车在施工运行过程中，受不同浇筑位置的影响，其臂架将处于类水平状态、M形姿态或者弧形姿态等不同的工况下，因此泵送过程中的负载压力是十分复杂的。按照负载压力的相关理论，混凝土泵车的泵送负载压力应等于混凝土输料管的沿程压力损失和弯管、锥管及其他附件引起的局部压力损失之和，但是由于泵送管道处于不同的形态中时，其管道中的二次回流、颗粒间的碰撞及冲击情况也会存在显著变化，导致混凝土在泵送过程中的压力损失变化更加复杂。为了便于分析，本文基于相关研究结果，将弯管、锥管引起的局部损失等效于一定长度的水平直管的压力损失，其计算模型为：

(1)

式中：x表示直管段的长度，m；y表示弯管等效的直管长度，m；z表示锥管等效的直管长度，m；w表示其他附件等效的直管长度，m；l、m、n分别表示弯管、锥管以及其他附件的数量，个；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。

对于90°弯管而言，一般R为0.5～1.0 m，水平换算长度取6.0 m，对于100～175 mm的锥形管而言，水平换算长度取3.0 m，对于5～8 m的软管而言，水平换算长度一般取20 m。

3 现场试验

3.1 试验原理

将压力传感器安装在主油泵出油口，测得混凝土泵送过程中主油泵的压力，由于主油泵至主油缸无杆腔的压力损失非常小，可忽略不计，因此，测得压力值近似等于主油缸无杆腔的压力，主油缸无杆腔的压力与泵车负载压力之间存在一定的转换关系，因此通过测量主油泵的压力就可以估算达到泵车在不同运动状态下的负载压力变化。测试原理见图2。

图2 负载压力测试原理

3.2 试验工况

试验过程中，将混凝土臂架调整为三种工况：水平工况、M 形工况和弧形工况。由于该型号混凝土泵车有6节臂架，为了确保在同一工况下每节臂架的姿态保持不变，将每种工况下每节臂架的倾角进行了规定，并通过安装倾角传感器来进行监控。臂架倾角参数设置情况见图3和表1。

图3 试验工况示意

表1 臂架倾角设置

3.3 试验步骤

首先， 按照工程中最常用的C30配合比进行混凝土拌制，然后通过坍落度试验测得混凝土的坍落度为180 mm，为混凝土的摩擦力取值提供依据。然后，在混凝土泵车主油泵出口处安装好压力传感器，压力传感器型号采用ifmPT5560，输出电流范围为4～20 mA，可测量0～60 MPa的压力变化；在每节臂架上安装好倾角传感器，以控制泵送臂架的姿态。接着，调整臂架姿态为水平姿态，混凝土泵送挡位设置为5档，开始进行混凝土泵送施工，测量主油泵压力值和臂架倾角的实时数据。紧跟着，将臂架姿态调整为弧形姿态，混凝土泵送挡位也设置为5档，进行混凝土泵送施工，测量主油泵压力值和臂架倾角的实时数据。最后，将臂架姿态调整为M形姿态，混凝土泵送挡位仍然设置为5档，进行混凝土泵送施工，测量主油泵压力值和臂架倾角的实时数据。

4 试验结果分析

4.1 类水平工况

采用负载压力计算模型对类水平工况下的泵送负载压力进行计算，并与现场试验结果进行对比，结果见图4。从图4中可知：采用负载压力模型进行计算时，负载压力呈明显的周期性变化特征，且每隔3.8 s就会出现一个负载压力冲击峰值，冲击压力峰值约等于4.94 MPa，其后负载压力略有降低，然后趋于一个稳定值，稳定负载压力约为3.73 MPa；现场试验得到的类水平工况下，混凝土泵车的负载压力也呈周期性的变化特征，但每次的负载压力峰值略有波动，表现为间隔性忽高忽低的变化特征，最大负载压力峰值约为4.95 MPa，与模型计算值仅相差0.2%，在平稳推送阶段，虽然负载压力呈动态波动特征，但波动幅度不大，且与负载压力峰值一样，平稳推送阶段的负载压力也呈间隔性的高低变化，即稳定阶段负载压力为3.72 MPa→3.32 MPa→3.72 MPa→3.32 MPa的循环变化特征，这是因为混凝土泵车在实际泵送施工中，由于有两个输送缸交替为输料管输送混凝土，当主换向阀、分配阀换向阀进行换向操作时，存在一个时间差，此时压力还来不及补充，因而压力会略有降低并呈周期间隔性变化。

图4 类水平工况下负载压力变化

4.2 弧形工况

弧形工况下模型计算与现场试验负载压力变化结果见图5。从图5中可知：当混凝土泵车处于弧形工况下时，通过模型计算得到的负载压力变化特征与类水平工况基本一致，周期间隔时间也为3.8 s，负载冲击压力峰值约等于4.96 MPa，稳定推送阶段的负载压力约等于3.74 MPa；现场试验监测所得的负载压力变化与类水平工况时表现也基本一致，负载冲击压力峰值和稳定推送阶段的负载压力呈周期性间隔性的高低变化，最大负载冲击压力峰值约为5.08 MPa，与模型计算相差2.5%，而稳定阶段负载压力为3.2 MPa→3.53 MPa→3.2 MPa→3.53 MPa循环变化。

4.3 M形工况

同理，可通过模型计算和试验得到M形工况下的负载压力变化情况，见图6。从图6中可知：在M形工况下，模型计算的稳定阶段的负载压力与现场所测的实际负载压力最为接近，模型计算的推送阶段的稳定负载压力值为3.75 MPa，而现场所测的实际负载压力呈3.77 MPa→3.67 MPa→3.77 MPa→3.67 MPa循环变化，周期间隔的高低变化特征已不那么明显；对于负载冲击压力峰值，模型计算得到的约为4.96 MPa，而试验所测压力峰值为4.323 MPa，两者相差14.9%。在M形工况下，推送混凝土加速的时间相较于类水平工况或者弧形工况均较长，这就会导致负载压力冲击的峰值减小，从而使得在M形工况下混凝土泵车泵送较为困难，容易出现混凝土堵管现象，因此，在实际施工过程中，一般不允许泵车臂架呈M形状态。

图5 弧形工况下负载压力变化

图6 M形工况下负载压力变化

4.4 讨论

从不同工况下泵送压力的变化特征可知，主油泵的圧力曲线变化规律基本一致，在一个泵送周期内，先是经过减速换向阶段使压力降低至最低点，然后又迅速进入加速换向阶段将压力提升至负载压力冲击峰值，最后再减速至平稳推送阶段，此时压力基本保持恒定。在三种不同工况下，负载压力相差不大，表明在混凝土输料管布置长度一定的情况下，泵送高度对负载压力的影响较小。模型计算结果与现场试验所测结果基本保持一致，表明将泵送混凝土时的局部损失等效于一定长度的水平直管压力是合理可行的，具有较高的计算准确性，可大大简化计算分析过程。

5 结语

针对JH38-RZ型混凝土泵车，提出将弯管、锥管引起的局部压力损失等效于一定长度的水平直管的压力损失，并给出了计算模型，结合现场试验数据，分析了水平、M 形和弧形三种工况下泵送负载压力的变化规律，得出如下结论：(1)不同工况下混凝土泵送负载压力均经历减速换向-加速换向-减速至平稳推送三个阶段；(2)当混凝土输料管布置相同时，泵送高度(臂架形式)对负载压力的影响较小；(3)模型计算结果与现场试验监测数据基本一致，表明给出的泵送负载压力计算模型合理、准确；(4)为减少堵管现象发生，在实际运用时应尽量避免M形工况下施工。