杨龙

摘要：在泵输送过程中，混凝土骨料会积聚在泵管上，并堵塞泵管。为了解决这个问题，已经设计了包括螺旋叶片的防堵塞机构。建立3D模型可以采用CATIA，对泵管内的混凝土流场进行数值分析可以用FLUENT软件。分析结果表明，防堵机构的设计可以有效的改善混凝土在泵管中的流动性能，并有效预防混凝土阻塞泵管。

关键词：混凝土输送泵;防堵机构;设计与研究

在现代混凝土输送泵中，活塞推杆将混凝土推入泵管中，混凝土在泵送过程中经常堵塞泵管，堵塞的混凝土输送泵不仅会损坏设备，还会造成工作损失，并导致重做注入的项目，从而影响项目的进度和质量，导致很大的经济损失。当使用混凝土输送泵时，经常会发生这种堵塞现象，并且该问题目前尚未得到有效解决。因此，本文研究了输送泵的堵塞问题，并分析了堵塞的原因，其原因主要是由于主油泵在换向过程中产生的压力冲击，导致了这一现象的发生，本文针对这一系列的问题设计一种机构，以防止泵堵塞。

一、混凝土泵送的工作原理

混凝土输送泵的工作原理是由，油缸的活塞和推杆连接到混凝土输送缸的活塞和推杆。S管道的出口经由料斗的外部端口连接至外部管道，并且S管道的入口交替地连接至换向阀和两个混凝土输送缸端口。在泵送混凝土时，反转系统的反转使S管线的入口对接至混凝土输送缸，而混凝土输送缸进入混凝土料斗，混凝土输送缸的活塞前进，混凝土输送缸内的混凝土被活塞向前推动，并通过S管线被输送到外部管线，另一个混凝土输送缸的活塞被推动。在混凝土分配筒内部，该筒向后移动并在料斗中吸取混凝土。当混凝土输送缸的活塞移动到极限位置时，换向阀和压力供给油缸反向旋转，S管线和混凝土输送缸12对接，混凝土输送缸和料斗对接。混凝土输送缸的活塞反转方向，并通过S管线将刚被吸入到泵送缸中的混凝土泵送，混凝土输送缸的活塞向后移动，从而将料斗中的混凝土输送到混凝土中，将其拉入混凝土输送缸。两个泵送油缸交替注入和排出油，并交替循环循环以实现混凝土泵送。

二、防堵机构设计与建模

设计防堵机构是为了解决液压活塞式混凝土泵的混凝土骨料积聚在泵管中而容易堵塞的问题。防堵塞机构主要由传动元件（滚珠丝杠副）、连接器和致动器（螺旋叶片）组成，并置于混凝土液体进料泵内。使用CATIA设计机械结构的3D模型。在防堵机构的工作过程中，当进油口1进入进油口，而进油口4排出油时，油将活塞推杆向右推动，并且活塞推杆通过推动螺杆而移动。螺杆驱动螺旋叶片的运动。当螺旋叶片旋转时，会产生轴向推力。这促进了混凝土泵送和混凝土的混合，防止混凝土积聚和阻塞泵管，从而实现防阻塞功能。同时，油孔25进入油，活塞被推动。杆拉动丝杠并向左移动。这时，螺旋叶片产生吸力以辅助混凝土吸力泵管。

（一）传动元件滚珠丝杠副的设计

考虑到整个泵机构、螺旋副机构可以在泵送过程中实现活塞推杆的线性和旋转运动。考虑到实际的泵送过程需要很高的泵送速度和机械效率，传输效率为（0.9-0.98）速度达到1m/s或更高的滚珠丝杠副可以满足泵送要求，由于滚珠丝杠副的传输精度高、接触刚度强、使用寿命长，并且具有非自锁特性，因此可用于航空、石油钻探行业、精密机床、雷达精密定位器、壳体水平精度等领域用于测量设备。滚珠丝杠系列尺寸的标准化在中国已经基本完成，并且由于使用了许多冷轧工艺，因此产品的制造成本较低，结合以上优点，滚珠丝杠副适合用作防堵机构的动力传递元件。

（二）连接件以及执行元件

丝杠与推杆之间的连接包圆形螺母、衬套、紧固件、列角接触球轴承（7213B）和止动垫圈，其主要功能是实现活塞推杆和滚珠丝杠的轴向运动，如图4所示。

执行器主要由螺旋叶片和活塞组成，螺旋叶片的基本参数包括螺旋叶片的螺旋轴的直径d为48 mm、大直徑160 mm，螺旋叶片设计执行了最佳螺距计算，因为螺距不仅决定了混凝土运输的滑移面，而且对混凝土泵的效率产生了重大影响。

三、混凝土流体数值模拟

（一）计算模型及方法

螺旋叶片部件的主要工作是防堵，螺旋叶片的旋转改变了流体的运动学，致使混凝土流动顺畅并防止了混凝土积聚。因此，只需建立泵管中混凝土流体和螺旋叶片的数值模型。对于泵送混凝土和泵入混凝土，螺旋叶片的工作原理是相同的。本文仅讨论泵送混凝土。可以认为混凝土是砂石悬浮的本体，由于液压的作用，混凝土向前流动。为了方便进行数值计算，本文将混凝土简化为水泥浆和石子两个阶段，仅分析了两个运动状态，忽略了两个温度和内部能量的变化。Fluent软件使用混合两相湍流模型，主要相流是水泥相，水泥浆相的动态粘度为21 Pa_s，流体相密度为1600kg/m3。第二相是颗粒相，并与流体相比较。颗粒相体积分数为0.7，粒径为15mm，密度为2800 kg/m3。可以将泵管的壁设置为速度为0.6m/s，沿z轴向左移动，将螺旋叶片的壁设置为旋转，旋转速度为500r/min。动态参考系模型可以选用流体运动模式，将入口设置为压力入口，压力为13MPa，重力加速度为-9.81k^N。

（二）数值计算结果分析

为了便于观察，将z-y平面视为包含泵管轴线的纵向截面A，该截面垂直于各个横向截面，并针对流场分析截面A、B的相关参数。混合相速度场的分布可以反映混凝土在混凝土输送筒中的流动状态，螺旋叶片前面的A部分和B部分的速度流动条件。这两个部分的速度运动状态是一致的，这表明部分A的速度流动状态可以反映出混凝土在混凝土输送筒上的速度流动状态。从横截面可以看出，混凝土输送筒中心区域的流速逐渐增大，从中心到边界的流速逐渐变为零，并且中心区域的流体为“柱塞型”，这是因为边界附近的主要成分是具有高粘性阻力的水泥浆，并且主要部分是具有低粘性的粗骨料颗粒，因此中心速度较大，同时混凝土由于水压而加速。由于A部分的速度差大，粗骨料和水泥浆很容易分离，并且粗骨料颗粒快速向前移动并堆积在前面，从而使混凝土输送筒更容易堵塞。

添加螺旋叶片后混合相的速度场可以看出，螺旋叶片的旋转引起围绕螺旋叶片的流体的大速度产生涡流，这对于在混合相中混合相是有利的。水泥浆在螺旋叶片右侧的两个边界处的速度趋于为零，这起润滑剂的作用并可以降低泵送阻力。在螺旋叶片右侧的除边界以外的其他分水岭中，混合相流体的移动速度基本上与“柱塞状”相同。这表明粗骨料颗粒完全包裹在水泥浆中，悬浮在水池中并以“柱塞状”流动。符合Bingham机构的操作规则。从A区的速度流场来看，在泵送混凝土期间，流域中的小速度差减小了两相分离的可能性，从而降低了粗骨料颗粒之间发生碰撞的可能性，可以看出，防止了粗颗粒的发生，粗骨料颗粒的聚集会促进混凝土的泵送，添加螺旋叶片后，粗骨料颗粒的密度分布如图7所示。

结语：综上所述，本文设计一个由滚珠丝杠副和螺旋叶片组成的防堵塞机构，可以有效地防止混凝土堵塞泵管。连接件设计用于推杆的轴向运动以及导螺杆的旋转和轴向运动，从而确保了泵送过程的可靠性，为混凝土泵的防堵机构设计提供了新的参考方案。

参考文献：

[1]刘丽群. 混凝土输送泵防堵泵系统中浆叶结构与面型的研究[D].长春工业大学，2018.

[2]宫百香，冉杰娃，韩冬，陈延伟，王影杰.混凝土输送泵中防堵机构的设计与研究[J].机械工程师，2017（08）：31-33+37.