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(gè)問題，已經(jīng)設(shè)計(jì)了包括螺旋葉片的防堵塞機(jī)構(gòu)。建立3D模型可以采用CATIA，對泵管內(nèi)的混凝土流場進(jìn)行數(shù)值分析可以用FLUENT軟件。分析結(jié)果表明，防堵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以有效的改善混凝土在泵管中的流動性能，并有效預(yù)防混凝土阻塞泵管。

關(guān)鍵詞：混凝土輸送泵;防堵機(jī)構(gòu);設(shè)計(jì)與研究

在現(xiàn)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(jīng)常堵塞泵管，堵塞的混凝土輸送泵不僅會損壞設(shè)備，還會造成工作損失，并導(dǎo)致重做注入的項(xiàng)目，從而影響項(xiàng)目的進(jìn)度和質(zhì)量，導(dǎo)致很大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)使用混凝土輸送泵時(shí)，經(jīng)常會發(fā)生這種堵塞現(xiàn)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(chǎn)生的壓力沖擊，導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的發(fā)生，本文針對這一系列的問題設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)，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(jīng)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(gè)混凝土輸送缸端口。在泵送混凝土?xí)r，反轉(zhuǎn)系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)使S管線的入口對接至混凝土輸送缸，而混凝土輸送缸進(jìn)入混凝土料斗，混凝土輸送缸的活塞前進(jìn)，混凝土輸送缸內(nèi)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(gè)混凝土輸送缸的活塞被推動。在混凝土分配筒內(nèi)部，該筒向后移動并在料斗中吸取混凝土。當(dāng)混凝土輸送缸的活塞移動到極限位置時(shí)，換向閥和壓力供給油缸反向旋轉(zhuǎn)，S管線和混凝土輸送缸12對接，混凝土輸送缸和料斗對接?；炷凛斔透椎幕钊崔D(zhuǎn)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(gè)泵送油缸交替注入和排出油，并交替循環(huán)循環(huán)以實(shí)現(xiàn)混凝土泵送。

二、防堵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

設(shè)計(jì)防堵機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(jìn)料泵內(nèi)。使用CATIA設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D模型。在防堵機(jī)構(gòu)的工作過程中，當(dāng)進(jìn)油口1進(jìn)入進(jìn)油口，而進(jìn)油口4排出油時(shí)，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(qū)動螺旋葉片的運(yùn)動。當(dāng)螺旋葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，會產(chǎn)生軸向推力。這促進(jìn)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(shí)現(xiàn)防阻塞功能。同時(shí)，油孔25進(jìn)入油，活塞被推動。桿拉動絲杠并向左移動。這時(shí)，螺旋葉片產(chǎn)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(shè)計(jì)

考慮到整個(gè)泵機(jī)構(gòu)、螺旋副機(jī)構(gòu)可以在泵送過程中實(shí)現(xiàn)活塞推桿的線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。考慮到實(shí)際的泵送過程需要很高的泵送速度和機(jī)械效率，傳輸效率為（0.9-0.98）速度達(dá)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(qiáng)、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(yè)、精密機(jī)床、雷達(dá)精密定位器、殼體水平精度等領(lǐng)域用于測量設(shè)備。滾珠絲杠系列尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化在中國已經(jīng)基本完成，并且由于使用了許多冷軋工藝，因此產(chǎn)品的制造成本較低，結(jié)合以上優(yōu)點(diǎn)，滾珠絲杠副適合用作防堵機(jī)構(gòu)的動力傳遞元件。

（二）連接件以及執(zhí)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(shí)現(xiàn)活塞推桿和滾珠絲杠的軸向運(yùn)動，如圖4所示。

執(zhí)行器主要由螺旋葉片和活塞組成，螺旋葉片的基本參數(shù)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(shè)計(jì)執(zhí)行了最佳螺距計(jì)算，因?yàn)槁菥嗖粌H決定了混凝土運(yùn)輸?shù)幕泼?，而且對混凝土泵的效率產(chǎn)生了重大影響。

三、混凝土流體數(shù)值模擬

（一）計(jì)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(zhuǎn)改變了流體的運(yùn)動學(xué)，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(shù)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?？梢哉J(rèn)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，本文將混凝土簡化為水泥漿和石子兩個(gè)階段，僅分析了兩個(gè)運(yùn)動狀態(tài)，忽略了兩個(gè)溫度和內(nèi)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(tài)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?jǐn)?shù)為0.7，粒徑為15mm，密度為2800 kg/m3?？梢詫⒈霉艿谋谠O(shè)置為速度為0.6m/s，沿z軸向左移動，將螺旋葉片的壁設(shè)置為旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為500r/min。動態(tài)參考系模型可以選用流體運(yùn)動模式，將入口設(shè)置為壓力入口，壓力為13MPa，重力加速度為-9.81k^N。

（二）數(shù)值計(jì)算結(jié)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(gè)橫向截面，并針對流場分析截面A、B的相關(guān)參數(shù)。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(tài)，螺旋葉片前面的A部分和B部分的速度流動條件。這兩個(gè)部分的速度運(yùn)動狀態(tài)是一致的，這表明部分A的速度流動狀態(tài)可以反映出混凝土在混凝土輸送筒上的速度流動狀態(tài)。從橫截面可以看出，混凝土輸送筒中心區(qū)域的流速逐漸增大，從中心到邊界的流速逐漸變?yōu)榱悖⑶抑行膮^(qū)域的流體為“柱塞型”，這是因?yàn)檫吔绺浇闹饕煞质蔷哂懈哒承宰枇Φ乃酀{，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(shí)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?？焖傧蚯耙苿硬⒍逊e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(zhuǎn)引起圍繞螺旋葉片的流體的大速度產(chǎn)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(cè)的兩個(gè)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(cè)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(jī)構(gòu)的操作規(guī)則。從A區(qū)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(fā)生碰撞的可能性，可以看出，防止了粗顆粒的發(fā)生，粗骨料顆粒的聚集會促進(jìn)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(jié)語：綜上所述，本文設(shè)計(jì)一個(gè)由滾珠絲杠副和螺旋葉片組成的防堵塞機(jī)構(gòu)，可以有效地防止混凝土堵塞泵管。連接件設(shè)計(jì)用于推桿的軸向運(yùn)動以及導(dǎo)螺桿的旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動，從而確保了泵送過程的可靠性，為混凝土泵的防堵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的參考方案。

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