混凝土输送泵中防堵机构的设计与研究

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混凝土输送泵中防堵机构的设计与研究

宫百香，冉杰娃，韩冬，陈延伟，王影杰(长春工业大学机电工程学院，长春130012)

摘要：泵送过程中混凝土骨料易聚集于泵管中而堵塞泵管。针对这一问题，设计了一种含有螺旋叶片的防堵机构。采用

CATIA建立其三维模型，并利用FLUENT软件对泵管中混凝土流场进行数值模拟分析。分析表明，设计的防堵机构改善了泵 管中混凝土的流动特性，可有效防止混凝土堵塞泵管。关键词：混凝土输送录;防堵机构;堵塞;数值模拟中图分类号:TU

文献标志码:A

文章编号：1002-2333(2017)08-0031-04

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)Abstract： Concrete aggregates gatheres easily in pump pipe and then blocked pump pipe during the process of pumping. To solve this problem, an anti-blocking mechanism with spiral blade is designed. 3D solid model of this mechanism is built using CATIA. Numerical simulation of the fluid field of concrete is carried out using software of FLUENT. Result shows that liquidity of concrete is improved after adding anti-blocking mechanism. The anti-blocking mechanism will prevent concrete from blocking pump pipe.Key words： concrete pump; anti-blocking mechanism; block; numerical simulation

〇引言

混凝土输送泵在城市的快速发展中得到广泛应用。 当前的混凝土输送泵如图1所示，是活塞推杆推动泵管中 的混凝土。在泵送过程中，常出现混凝土堵塞泵管的现象[1]〇 混凝土输送泵发生堵塞，不仅会损坏设备，而且会误工， 甚至导致对已经浇注的工程进行返工，从而影响工程的 进展和质量，造成一定的经济损失[2]。这种堵塞现象在输 送泵的使用中经常发生，目前该问题一直没有得到有效 解决。为此本文作者针对输送泵的堵塞问题进行了调研， 分析其堵塞的原因主要是主油泵换向时产生压力冲击％ 使混凝土大小骨料运动速度不一致而造成骨料颗粒的集 聚，针对这一问题设计一种防止堵泵机构。

28 27 26

Design and Research on the Anti-blocking Mechanism in Concrete Pump

GONG Baixiang, RAN Jiewa, HAN Dong, CHEN Yanwei, WANG Yingjie

3\\

q

6' 7\\

8' 9\\JB

11 12 13 14

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11 V

=15

f7

7

25 24 23 22

n18 yjrr21 r29 i20 19 n17 w16

图2

当前整体布局

piBlj I

I, 4,28,25.进出油口 2,27.油缸 3,13,17,26.

5,9,10,19,24,29.法兰 6,21.密封管 7,23.推杆 8,22.连接件II, 18.丝杠12,15.荥管14,16.螺旋叶片20.水箱

活塞

机构主要由传动元件(滚珠丝杠副）、连接件、执行元件 (螺旋叶片)组成，并布置于混凝土输送泵中。采用CATIA 进行机械结构三维模型设计，如图2所示。

防堵机构的工作过程如图2所示，当油口 1进油，油口 4排油时，油液推动活塞推杆向右运动，活塞推杆推动丝 杠运动，使丝杠带动螺旋叶片运动。螺旋叶片转动时，产 生轴向推力有利于混凝土的泵出[5'并对混凝土进行搅 拌，防止混凝土因集聚而堵塞泵管，实现防堵功能;同时， 图2中油口 25进油，活塞推杆拉动丝杠向左运动，此时螺 旋叶片产生助吸力有利于混凝土吸入泵管。

针对液压活塞式混凝土输送泵中混凝土骨料易聚集 于泵管中而堵塞泵管的问题，设计了一种防堵机构。防堵基金项目：“液压活塞式混凝土输送泵防诸系统研究”

(吉教科合字2015-号）

图3滚珠丝杠副模型

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表1滚珠丝杠副基本参数

导程80

取摩擦因数为0.2,对机械效率公式求导得最佳螺距

丝杠长度1600

Ph

公称直径

100

滚珠直径仄

12.7

L

方程。

細

螺距/\"边界约束条件:100 mm

7.7传动元件

滚珠丝杠副具有传动效率髙、接触刚度髙、工作寿命 长、不能自锁且移动速度可达1 m/s等特点'因此本文选 择滚珠丝杠副作为防堵机构传动元件，如图3所示。根据 泵送技术参数确定滚珠丝杠副的具体参数，如表1所示。

7.2连接件

推杆与丝杠连接的连接件由双列角接触球轴承(7213B)、圆螺母、止动垫圈、轴套、紧固件组成'其主要 功能是实现活塞推杆的轴向移动和滚珠丝杠的转动与轴 向移动，如图4所示。

TTD-0.2P

nird-0.2P

160 mm〇

1.248^(/)-^-0.17T73(D3-d3) 〇

以螺距P为目标函数，设定尸的步长为1 mm，数值迭 代逼近法寻找目标函数最优解，利用MATLAB对螺距方 程进行求解，如图6所示求得的螺距为123 mm,此时泵送 机械效率达到最大。

图6螺距求解结果

图4连接件示意图

1,9.法兰2.轴套3.聚氨酯垫圈4.圆螺母5.轴承6.丝 杠7.轴肩8.紧固件10.螺母11.推杆12.止动垫圈

2混凝土流体数值模拟

防堵几个的主要工作元件是螺旋叶片，螺旋叶片的

2.1计算模型及方法

旋转改善流体的运动特性，使混凝土流动更流畅，防止混

螺旋叶片

凝土集聚，故只需在泵管中建立螺旋叶片和混凝土流体 的数值模型(图7)。

图5螺旋叶片

人3

执行元件

执行元件主要是螺旋叶片与活塞组成，如图5所示。 螺旋叶片的基本参数包括螺旋叶片的大径D为160

泵管泵入混凝土与泵出混凝土时，螺旋叶片工作原理

一样，本文只对泵出混凝土进行研究。混凝土可以看作是砂石悬泮在水泥楽中的Bingham体，在液压推力的作用下 向前流动[_。为便于数值计算，本文将混凝土简化为水泥 浆和石子两相，只分析二者的运动状况而忽略二者的温度 和内能的变化。在Fluent软件中，选用mix两相湍流模型A

mm，螺旋轴的直径^为48 mm，螺旋升角jSFarctan/VTTc^。

在设计螺旋叶片时，由于螺距S不仅决定混凝土输送

的滑移面而且对提高混凝土泵送效率有至关重要的影 响，故对螺距进行优化计算。

采用数学方法推导出螺旋叶片机械效率与螺距的函 数关系式：

主相流为水泥相，水泥浆相的流体相密度为1600 kg/m3,动 力黏度为21 Pa_s;第二相为颗粒相，将其比拟为流体[13]，颗 粒相的密度2800 kg/m3,体积分数为0.7,颗粒直径为15

71^~D2~^)3irS{7TXD2-^y

h7Stan(l>(D^d)

TiD-Stan(f)

ird-Stamf)

2i:han4>(D2-d2)+3S{l+tan24>)

+2Shan2(f)ln

mm。将泵管的壁面(Wall)设置为沿z轴向左运动，速度为 0.6 m/s，螺旋叶片壁面(Wall)设置为绕嫌旋转，转速为500 r/min。流体的运动方式采用动参考系模型。将进口设置为 压力进口，压力为13 MPa,重力加速度为-9.81 k^N。

为观察方便，在含泵管轴线的纵剖面上取z-y平面为

式中4为螺旋叶片直径W为轴径;P为螺距;(/>为混凝土 与螺旋叶片间的摩擦角。

2.2数值计算结果分析

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纵剖面4，垂直于取不同的横剖面方，通过对剖面4 的相关参数进行流场分析。

混合相速度场的分布，可反映混凝土输送缸内混凝 土的流动状态。无螺旋叶片前，截面4和截面^的速度流 动状态如图8(a)所示，两截面速度运动状态一致，表明截 面4速度流动状态可反映整个混凝土输送缸中混凝土速 度流动状态。由截面^可知，混凝土输送缸中心区域的流 速逐渐增大，中心到边界的流速渐趋于零，中心区域的流 体呈“柱塞状”[14硫动。这是因为边界附近主要成分为水 泥浆，其黏性阻力较大，中心区域主要是粗骨料颗粒，阻 力小，故中心区域的速度较大，同时由于在液压力的作用 下，混凝土加速运动使出口端的速度较大。截面4速度差较 大容易使粗骨料与水泥浆之间的分离，粗骨料颗粒快速向 前移动并在前方集聚，容易引起混凝土输送缸的堵塞。

侧出现浅蓝色，即此处粗骨料颗粒所占比例较小;右侧出现红色，越接近出口端颜色越深，说明粗骨料颗粒在此堆 积。这是由于混凝土在冲击力的作用，粗骨料颗粒相加速 向前移动，同时水泥浆由于自身的黏度而具有一定的滞 后性，使粗骨料颗粒和水泥浆出现分离，粗骨料颗粒在前 方集聚％不利于混凝土的顺畅泵送。

添加螺旋叶片后，粗骨料颗粒的密度分布如图9(b) 所示，截画4粗骨料颗粒的密度分布与原始相比更均匀。 这是由于螺旋叶片的转动，对混凝土进行搅拌混合，促使 两相进行混合运动并保持各相的均勻状态。此时，混凝土

减面

在泵送过程中出现离析的可能性减小，粗骨料颗粒出现 的集聚情况得到明显改善，这有助于混凝土在混凝土输 送缸中顺畅流动。3结论

1)

设计一种由滚珠丝杠副和螺旋叶片组成的防堵机

构，通过螺旋叶片的旋转而产生的助推力、助吸力和搅

■ 3034««0002e»7«>0002 3e〇*H»0 I2023TKW0 1 685rK)001348#^)00 蠢10tl^KXN) m 6 742^001 3J71«^01 OOOOTH3QO

FludVaioaty Contour 1

(a)

4截面

拌，可有效防止混凝土堵塞泵管。

2) 设计了一种连接件，将推杆与滚珠丝杠连接起来， 实现推杆的轴向移动和丝杠的转动以及轴向移动，保证 了泵送过程的可靠性。3) 通过流体模拟对比分析可知，添加防堵机构后，泵 管中骨料颗粒运动速度基本一致，骨料颗粒密度分布均 匀，有效防止骨料颗粒因集聚而堵塞泵管。为混凝土输送 泵中防堵机构的设计，提供了一种新的参考方案。

[参考文献]

减面

(b)

图8流速分布云图

添加螺旋叶片后，混合相的速度场如图8(b)所示，螺 旋叶片周围由于螺旋叶片的转动，流体运动速度较大，出 现涡流，有利于混合相中各相的混合。螺旋叶片右侧除边 界外的其他流域，混合相流体的运动速度基本保持一致 呈“柱塞状”，说明粗骨料颗粒完全被水泥浆包裹并悬浮 在流域中呈“柱塞状”流动，符合宾汉姆体实际运动规律。 由截面^速度流场可知，整个流域的速度差较小，两相间 发生离析的可能性较小，粗骨料颗粒之间发生碰撞的概率降低，防止粗骨料颗粒出现集聚现象，这有利于混凝土的泵送。

混凝土中粗骨料颗粒占主要成分，粗骨料颗粒的密 度分布，可反映出粗骨料颗粒相与水泥浆相在泵送过程 中的混合效果。

在无螺旋叶片前，混凝土输送缸中混凝土在流动过 程中粗骨料颗粒的密度分布分布如图9(a)所示，截面4左

[1] 王学东.混凝土输送泵发生堵塞的因素及控制方法[J].混凝土

2005(3):67-84.

[2] 张峰,张荣宗.预拌混凝土泵送堵塞原因及控制方法[J].建筑技

术开发,2011,38(8):22-25.

[3] QIU Wengning,WEI Honyu. Pressure Analysis of Hydraulic

Pumping System of Concrete Pump [J]. Advanced Materials Research, 2011, 383-390:73-79.[4] 叶鑫，胡军科，韩强.混凝土栗泵送系统液压冲击控制方法研究

[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2〇13,36(3):261-266.

[5] 韩冬，宫百香.用于混凝土输送泵的防止堵泵结构：

GN2025214U[P].2012-11-21.

[6] 陈宜通.混凝土机械[M].北京:中国建材工业出版社,2002:115-

117,138.147.

[7] 王文斌.机械设计手册:第二卷[M].北京:机械工业出版社,2004:

112-156.[8] 宋现春，姜洪奎,许向荣，等.髙速滚珠丝杠副弹性变形的有限元

分析[J].北京工业大学学报,2009(5):582-586.(下转第37页）

网址:www.jxgcs.com 电邮：hrbengineer@163.com 2017 年第 8 期■ 33

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软件系统由PLC的编程软件CX-programmer和触摸 屏的编程软件CX-designer来进行程序设计以及仿真调 试，软件程序主要包括进料、送料和注油三大部分。程序 编写完成后实现触摸屏与PLC的联合仿真调试。实现的 过程是先将编好无误的程序导人PLC,并完成对触摸屏的 界面设计，在电脑上进行PLC和触摸屏的联合调试，再进 行上电实验。

其中送料的准确性决定了注油的精度，要求进行注 油操作前滑轨在进料端即辅助工位1处按预设要求3个一 组按一定间距排列，程序流程图如图12所示。

送料采用步进式送料方式，轨迹为矩形，抬升和下降 阶段采用螺旋升降器驱动，水平方向的往复运动采用汽 缸实现。

注油段程序流程图如图13所示，分为三个工位同时 进行，三个工位互相，分别进行注油和推平工序。

统的设计[J].机械设计与制造工程,2016(3):53-56.

李军，徐明强.基于价值流的汽车座椅滑轨生产线分析与改善 [J].工业工程与管理，2008(1):122-126. 徐秀娟，董继先.单片机控制自动装配机设计[J].机械,2004(8):

[4][5]

4

结论

本文基于FBS理论，分别建立了注油系统的功能模 型、行为模型和结构模型，完成了总体结构的设计，并编 写了相关的PLC控制程序。本套注油系统能较好适合企 业的生产环境,具备极好的稳定性和高柔性的特点，能满 足产品多样化需求，大幅度降低企业的加工成本,大大降 低工人的劳动强度，提高了企业的生产效率。

[参考文献]

44-46.[6] 李治斌，张海，苏建良，等.汽车座椅滑道自动装配线自动注油机

的设计[J].机械设计与制造,2010(9):3.

[7] GERO J S, KANNENGIESSER U.The Situated Function -

Behaviour-Structure Framework[J].Design Studies, 2004, 25(4): 373-391.[8] 王靖滨，俞杰，耿卫东，等.基于FBS的产品创新设计模型[J].计算

机辅助设计与图形学学报，2000,12(11):824-826,

[9] 王科•基于FBS的机械产品概念设计方法与应用[D].宁波:宁波

大学，2011.

[10] 史冬岩.基于功能的概念设计求解过程研究[D].哈尔滨:哈尔滨

工程大学，2006.[11] 邹光明，胡于进，肖文生，等.基于功能基的产品概念设计模型研

究[J].中国机械工程，2004，15(3):206-210.

[12] 罗海玉.于功能分析的概念设计[J].机械研究与应用，2002，15(4):

65-67.

[13] 郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].南京:东南大

学出版社，2003.

[14] 张志.PLC伺服电动机和触摸屏在控制系统中的应用[J].包装与

食品机械，2007,25(5):56-57,[15] 刘金浦，鲁俊娇.触摸屏的功能探究[J].办公自动化，2008,135(7):

41-43. (编辑黄荻）

[1] 刘海初.汽车座椅滑轨运动行程的设计与变更[J].工业技术，

作者简介:袁志兴(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为现代设计方

2011(25):125.

法；

[2] 马如宏.基于单片机的汽车座椅滑道滞动力在线检测控制系统

余晓流（1962—），男，教授，硕士生导师，研究方向为机械

[J].机械设计,2008(10):76-79.制造、机器人技术等。[3] 顾文斌，王登阳,胳文韬，等.汽车座椅滑轨自动注油装置控制系收稿 H 期：2017-01-135-461.

[5] 盛振邦,刘应中.船舶原理[M].上海:上海交通大学出版社，2009: 岸多体浮式栈桥运动响应研究提供参考依据。

317-325.[参考文献]

[6] 王志东，付佳，李洋，等.波浪中柔性连接浮式栈桥运动响应分析 [1] 颜锦.浮式栈桥码头总体研究[D].天津:天津大学，2004:1-2.

[J]澥放军理工大学学报(自然科学版)，2016,17(2):133-139•[2] 杨建民，肖龙飞，盛振邦.海洋工程水动力学试验研究[M].上海：

[7] 赵晶.浅海浮式栈桥锚定技术研究[D].南京:理工大学，

上海交通大学出版社,2008:50-52.

2015. (编辑黄荻）

[3] 唐友刚，胡楠，张若瑜.系泊浮桥运动的非线性动力特性[J].天津

大学学报,2005,38(4):318-321.

凌杰(1990-)，男，助教，研究方向为船舶流体力学性能。

[4] WU J S,SHIH P Y. Moving -load -included vibrations of a 作者简介：

收稿日期：2017-03-06moored floating bridge[J].Computers and Structures,1998,66(4):

型2,即在浮箱首尾加舭龙骨为最优减摇改型方案。为连

(上接第30页）

[9] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社，2011.

[10] 黄明奎•公路材料流变学[M]•成都:西南交通大学出版社，2010.[11] MECHTCHERINE V, NERELLA V N, KASTEN K. Testing

pumpability of concrete using Sliding Pipe Rheometer [J]. Construction & Building Materials, 2014, 53(2):312-323.

[12] VERMA V, DEEN N G, PADDING J T, et al. Two-fluid

modeling of three-dimensional cylindrical gas-solid fluidizedbeds using the kinetic theory of granular flow [J], Chemical Engineering Science, 2013, 102(15):227-245.

[13]封立英•混凝土搅拌输送车多相流动的数值模拟[D].长春:吉林

(上接第33页)

大学，2008.

[14] LI T, BENYAHIA S. Revisiting Johnson and Jackson boundary conditions for granular flows [J]. Aiche Journal, 2011, 58(7):2058-2068.

[15]童德源.混凝土输送泵的堵塞与排出[J].上海铁道科2006⑴:31-

34.

(编辑昊天)

--------------------------------------作者简介:宫百香(1965_)，女，副教授，研究方向为机械CAD/CAM。收稿曰期:2016-11-25

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