装配式建筑施工中灌浆套筒灌浆泵的设计研究

2022-07-29康学云谢彩毓王海颖

建筑机械化 2022年7期

王彬，康学云，刘垚，谢彩毓，王海颖

（1.北京建筑机械化研究院有限公司，北京 100007；2.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北廊坊 065000；3.中交二航局第四工程有限公司，安徽芜湖 241000）

近年来，装配式建筑在我国得到大力发展，在预制构件现场装配过程中，预制构件的受力钢筋连接技术直接影响着装配式混凝土结构安全，是建筑工业化的关键技术之一，而钢筋套筒灌浆技术是国内外公认的一种成熟、可靠的解决方案，通过将高强度灌浆料灌入专用套筒中，使套筒与两端的钢筋连接在一起，从而将墙板、梁柱等构件稳定的连接在一起，在我国的工业化建筑中得到了广泛的应用。

现阶段，现场灌浆主要采用手动泵或者螺杆式注浆泵进行灌浆，手动灌浆施工效率低，劳动强度大，施工作业不连续，灌浆不饱满。螺杆式灌浆泵施工效率较高，提高了工作效率，但螺杆式注浆泵定子转子工作时回转摩擦，对于含砂量较大的灌浆料，砂粒对螺杆副磨损极大，容易导致设备损坏，降低螺杆泵的使用寿命，从而增大了施工成本。另外，由于螺杆副啮合紧密，螺杆泵启动需要的转矩很大，导致电机及减速机功率增大很多，造成设备自重大，现场施工移动不便。

挤压式输送泵具有泵送能力强、使用寿命长、可泵送带骨料、粘稠浆料等一系列优点，在建筑砂浆泵送、水泥注浆、石膏砂浆泵送等多个领域应用广泛。因此，根据挤压式输送泵的特点，结合套筒灌浆工艺，设计研发一套结构简单、使用寿命长、操作简单、移动方便的挤压式灌浆套筒灌浆泵（以下简称灌浆泵）。

1 灌浆泵原理及结构

套筒灌浆料一般采用高强度灌浆砂浆料，其具有强度高、粘度大、凝固速度快、不易离析等特点，不易于吸浆泵送。搅拌完成后，需要立即将浆料加入灌浆泵的料斗进行泵送，料斗容量不低于现场施工用转运桶的容积（25L），为减小吸浆阻力，将料斗设计在吸浆口的正上方，浆料在重力作用下可自流入吸浆口，并尽可能地减小了吸浆管路长度，增强吸浆能力。另外，该设备使用时需要在不同楼层进行移动，因此应带有轮式底座，总重量应控制在80kg 以内，才能保证现场的使用要求，根据以上施工特点，结合挤压泵的原理，设计该灌浆泵的主要结构如图1 所示。

图1 灌浆套筒灌浆泵结构图

灌浆施工主要工艺流程如下：构件就位→座浆料填→灌浆料搅拌→泵送灌浆→套筒封孔。工作时，将搅拌完成的灌浆料加入料斗，回转架在电机驱动下转动，橡胶软管在挤压轮的作用下重复产生“压瘪变形”在弹性及复位轮的作用下产生“弹性恢复”，从而产生容积的变化，在吸浆口产生负压，将料斗中的浆料连续吸入软管，再通过出浆口输送至灌浆套筒。该泵结构简单，浆液只在软管中流动，无轴封结构，整个流道无阻碍结构。根据施工现场调研，灌浆套筒灌浆工艺对灌浆料输送泵的最大排量需求约为5L/min，并且需要变频调速功能，以此为依据对该挤压式灌浆泵进行设计计算。

2 排量设计计算

根据灌浆泵的工作原理，对于设置有2 个挤压轮的挤压泵，回转一圈的理论排量为两个挤压轮之间挤压管内腔所封闭的液体的体积的两倍，以此为依据计算泵的排量。如图2 所示，计算出2 个挤压轮之间封闭液体的体积v，选取泵的转速为n，泵的容积效率为η，则泵每分钟的排量

图2 密封液体示意图

式中v——封闭液体的体积，L；

n——转速，参考JB/T 12753-2015《软管泵》，n≤50r/min；

η——容积效率，取85%。

现以2 个挤压轮之间的封闭体积v为对象进行研究计算，根据体积法和三维建模对比，对其进行如下简化，如图3 所示，对于左侧图形，其角度θ部分外侧阴影部分体积A′与内侧部分A的体积近似相等，可将整个阴影部分体积的计算简化为右图角度α区间内的体积，因此先对角度α的大小进行计算如下

图3 密封液体体积简化图

式中r——挤压轮半径；

δ——挤压管壁厚；

D——泵壳体内径。

然后计算阴影部分的体积如下

式中R0——挤压软管内半径；

d——挤压管外径。

由以上计算可得每分钟泵的排量

根据设计和使用要求，对灌浆泵各项参数进行初步设计选型。根据相关标准，挤压软管选取内径25mm，外径49mm 的软管，则R0=12.5mm，d=49mm；转速初选n=35r/min；结合软管弯曲半径和整机结构设计要求，初选壳体内径D=250mm。带入以上参数，计算可得排量q=5.25L/min，现场施工一般排量为5L/min，该设计排量满足要求。