基于泵送压力的混凝土泵排量计量方法.pdf

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1、 基于泵送压力的混凝土泵排量计量方法*刘会勇1,2 李 伟1 林勇刚1 顾大强3 宋瑞银4(1浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 杭州 310027；2贵州大学机械工程与自动化学院 贵阳 550003；3浙江大学机械设计研究所 杭州 310027；4浙江大学宁波理工学院 宁波 315104)摘要：分析现有混凝土泵排量计量方法的特点，指出现有计量方法在计量精度方面的不足。根据混凝土泵工作原理建立混凝土泵排量数学模型，指出计量混凝土泵排量的关键是实时泵送效率系数。分析影响实时泵送效率系数的因素以及混凝土缸压力与主油缸压力之间的关系，提出基于泵送压力的计量方法。通过直接测量混凝土泵主油缸压力，分析

2、主油缸压力变化趋势，计算实时泵送效率系数，对混凝土泵实际排量进行计量。试验表明，所提方法具有较高计量精度。关键词：混凝土泵 排量 计量 泵送压力 实时泵送效率系数 中图分类号：TH321 0 前言*混凝土的搅拌和泵送通常是在相距较远的两地进行，搅拌、运输和施工方也常为三个不同的单位。建筑机械租赁业中因信息不对称而处于劣势的一方施工用户方提出急需混凝土泵排量的实时计量系统来弥补这方面的不足。混凝土泵排量的实时计量可以给施工双方或三方的业务结算带来方便，同时保证施工质量以及为有关部门提供监测的客观依据。SAEKI1，UCHIDA2，ADACHI3提出采用开关传感器对活塞行程计数来计量混凝土泵排量。

3、类似地，梁华庆4，张新国等5提出采用开关式转速传感器测量泵的冲数来间接测量泥浆泵出口流量，给出了泵出口流量的计算式。上述方法理论清晰，实现简单，但由于混凝土物料不是理想牛顿流体，具有一定的泵送可压缩性。对于不同的泵送高度，反馈压力差别很大。当泵的充满度不高或不恒定时，此法的测量误差增大，其精度不高，计量误差一般大于 5%。此外，赵志缙6提出通过现场实测混凝土缸吸入容积效率计量混凝土泵排量。类似地，沙润荣7，周德军等8-9提出对于不同的特殊钻井作业和不同的钻井井段，在施工前对排量系数进行实测来计算泥浆泵排量。这些方法原理简单，可以减少因排量系数不准确而造成的实际平均排量的误差。但要求 国家自然科

4、学基金(50475103)和浙江省自然科学基金(Y104455)资助项目。20061113 收到初稿，20070905 收到修改稿 有专门的测量管道，不仅耗费时间，频繁测定也不现实。本文提出一种新的计量方法，即基于泵送压力的混凝土泵排量计量方法，并阐述了该方法的特点，最后作了试验对照分析。1 混凝土泵排量数学模型 混凝土泵的工作方式是通过压力油推动主油缸活塞，从而推动混凝土缸工作活塞来实现泵送混凝土的过程，其工作原理如图 110所示。图 1 混凝土泵工作原理图 1,14主油缸 2水箱 3换向开关 4,13混凝土缸 5,12混凝土缸活塞 6摆臂 7,11摆动油缸 8料斗 9出料口 10分配阀 混

5、凝土缸活塞 5 和 12 分别与主油缸 1 和 14 的活塞杆相连，在主油缸压力油的作用下作往复运动；分配阀一端接出料口，另一端口通过花键轴与摆臂相连，在摆动油缸的作用下，可以左右摆动。设混凝土缸的直径为，理论行程为，每小时的泵送冲程次数为，则混凝土泵的理论排量为 DLnLDnQ2041=(1)式中 混凝土泵理论排量,0Qh/m3 每小时泵送冲程次数，nh/次 混凝土缸直径，Dm 混凝土缸理论行程，Lm 当混凝土缸活塞处于吸料行程时，混凝土拌和物在自重和活塞吸力的作用下，被吸入混凝土缸中。但由于混凝土在输送管中的流动性能和摩擦阻力等原因，混凝土拌和物不可能 100%充满整个混凝土缸，混凝土泵在

6、每一个排料行程的实际排量小于理论排量。对于第i个泵送冲程，引入实时泵送效率系数i，则混凝土泵在第 个泵送冲程的实际排量为 iiiLDQ=241 (2)式中 i实时泵送效率系数，=,2,1i将所有泵送冲程的实际排量累加，则混凝土泵的实际排量为 iiiiLDQQ=241 (3)式中 混凝土泵实际排量，Qh/m3从式(2)可以看出，计量混凝土泵实际排量的关键是实时泵送效率系数i。影响i的因素较多，主要是混凝土的坍落度和混凝土缸活塞的速度。混凝土的坍落度越小，泵送时吸入混凝土缸内的混凝土少，则i的值越小，坍落度在 15 cm以上时，i较稳定。混凝土缸活塞速度小，混凝土在缸中的流动速度小，有利于吸入，则

7、i的值大；反之，活塞速度大，混凝土在缸中流动出现滞后，则i的值小。此外，混凝土分配阀的结构形式，阀的密封程度，吸料口的大小和形状，通道的方向和断面面积等都会影响i的值10。在混凝土的泵送过程中，泵送压力即混凝土缸活塞对混凝土拌和物的推压力随着混凝土坍落度的降低而增大，随着活塞速度的增大而增大6,10。因此，可以通过对泵送压力进行分析，计算实时泵送效率系数，实现对混凝土泵实时排量的计量。2 计量原理 通过分析混凝土缸压力与主油缸压力之间的关系，测量主油缸压力，分析其压力变化趋势，计算实时泵送效率系数，从而获得混凝土泵实时排量。混凝土缸压力和主油缸压力之间的关系如图2a、2b所示。(a)无杆腔连通

8、 (b)有杆腔连通 图 2 混凝土缸压力和主油缸压力关系 图2中，为主油缸直径，为活塞杆直径，为混凝土缸直径，0DdDp为泵送液压系统压力,为连通腔油压压力，为回油背压，为混凝土缸压力，为混凝土吸入时的负压,为空载压力。根据力的平衡方程可得出如下表达式(推导过程略)。cpbphpfp0p低压输送(无杆腔连通)()()f22200hpDdDppp=(4)令()f22200122201,pDdDpCDdD=则有 11hCpp+=(5)高压输送(有杆腔连通)()f2200hpDDppp=(6)令 f220022202,pDDpCDD=则有 22hCpp+=(7)通过前面分析可知，混凝土缸压力与主油缸

9、压力hpp呈线性关系。由于混凝土物料复杂，混凝土缸压力不易直接测量，因此可以将混凝土缸压力的测量转换为对主油缸压力的测量。对于活塞式混凝土泵，其主油缸油压和主油缸前腔油压的动态曲线如图311所示，其中为主油缸油压，为主油缸前腔油压。1p2p 图3 主油缸油压和主油缸前腔油压的动态曲线 结合图3可以看出，混凝土压实阶段，主油缸压力从一个较低值很快上升到一个稳定值；稳定泵送阶段，主油缸压力基本保持在一个稳定值；泵送结束后换向时有一个较大的值，这是由于泵送施工时两个混凝土缸交替工作换向时产生的液压冲击。将一个泵送冲程的主油缸压力采样和滤波之后，通过计算相邻两个采样点之间的斜率 11=nnnnttpp

10、 （8）可以得到主油缸压力变化趋势，这里分别为第个采样点压力和第个采样点压力，分别为第个采样点对应的时间和第1,nnppn1n1,nnttn1n个采样点对应的时间。再对主油缸压力变化趋势进行线性处理，可以得到如图 4 所示的图形。图 4 一个泵送冲程的主油缸压力变化趋势 结合图 3 和图 4，第 次泵送开始后，当混凝土缸内活塞对混凝土拌和物进行压实时，主油缸压力很快上升，相邻两个压力采样点连线的斜率从一个负值变化为一个正值(AB)；当混凝土被完全压实进行稳定泵送时，相邻两个压力采样点连线的斜率从一个正值变化为零(BC)，主油缸压力保持一个稳定值(CE)；当泵送完毕进行换向时，主油缸压力很快上升

11、，相邻两个压力采样点连线的斜率从零变化为一个较大的正值(EF)；换向之后，主油缸压力降低，相邻两个压力采样点连线的斜率从一个较大的正值变化为一个负值(FG)。i图 4 中，是第i个泵送冲程开始的时间，是混凝土被完全压实的时间，是混凝土泵送完毕的时间，是换向时的时间。对于第 个泵送冲程，从泵送开始到泵送完毕所用总时间为：it0it1it2it3iiitt02，而有效泵送时间为：iitt12，通过比较有效泵送时间和本次泵送所用总时间，可以计算出一个泵送冲程的实时泵送效率系数 iiiiitttt0212=（9）已知混凝土泵第 个泵送冲程的理论排量，就可以计算出混凝土泵在第i个泵送冲程的实际排量iiQ

12、0iiiQQ=0。将所有泵送冲程的实际排量累加起来，就可以得到混凝土泵在整个工作过程中的实际排量=iiQQ。3 试验结果及分析 本次试验使用的混凝土泵是由上海鸿得利机械制造有限公司生产的 HBC85-14-161S 车载泵，混凝土缸内径为200 mm，理论行程为 1 800 mm，泵送混凝土浇注地点为某小区地平。试验中将压力表与主油缸进油油路的连接头取下，将压力传感器安装在主油缸进油油路上，测量混凝土泵主油缸压力，如图 5 所示。图 5 压力传感器安装位置 由于泵送冲程次数一般不超过 32 次/min，根据采样定理将采样频率设置为 25Hz，采集混凝土泵主油缸压力。主油缸的实测压力波形如图 6

13、a、6b 所示(这里仅列出两组主油缸实测压力)。(a)第 1 组 (b)第 2 组 图 6 主油缸压力波形 可以看出，图 6 中混凝土泵主油缸压力实测波形与图 3 中混凝土泵主油缸压力波形是一致的。由于泵送施工现场环境恶劣，采集到的主油缸压力信号中包含噪声等干扰，在对其进行分析、处理前需预处理以确保信号稳定、可靠。中值滤波为非线性的滤波方法，常用于有高频干扰的随机信号，对于有随机脉冲或噪声叠加的信号尤为有效。中值滤波是由TURKY在 1971 年提出的，其基本原理是把采样序列中一点的值，用该点邻域中各点值的中值来替代12。对采样序列而言中值的定义如下：若iniixxx,21 为一组采样序列，先

14、按大小排列为iniixxx 21，则该序列的中值为 iy 连接头 压力传感器 将所有组成一个新的序列，则iy()iyf()iyf即为经过中值滤波处理后的数据序列。本文中每次取连续 5 个采样点构成一组数据序列，对采集到的主油缸压力信号进行滤波。滤波后的主油缸压力波形如图 7a、7b 所示。(a)第 1 组 (b)第 2 组 图 7 滤波后主油缸压力波形 结合图 6 和图 7 可以看出，中值滤波前主油缸压力峰值达到 32 MPa，在泵送混凝土过程中，压力波动较大。中值滤波后，主油缸压力峰值不超过 18 MPa，而且在泵送混凝土过程中，压力比较平稳，与实际泵送工况相符。计算相邻两个压力采样点连线的

15、斜率，得到主油缸压力变化趋势如图 8a、8b 所示。(a)第 1 组 (b)第 2 组 图 8 主油缸压力变化趋势图 结合图 8，通过对主油缸压力变化趋势进行分析，可以计算得到各个泵送冲程的实际排量，将所有泵送冲程的实际排量累加，即可得到混凝土泵实际排量。采用本文提出的计量方法对10辆额定方量为8 m3的混凝土搅拌车输送的混凝土进行计量，并通过现场实测混凝土施工方量，计量结果如下表所示。表 混凝土泵排量计量结果 车次 额定方量 L/m3实际方量La/m3计算方量 Lc/m3计量误差/%1 8 7.9875 7.8565 1.6 2 8 7.9768 7.9125 0.8 3 8 7.9853

16、7.9527 0.4 4 8 7.9785 7.9172 0.8 5 8 7.9832 7.8936 1.1 6 8 7.9786 7.9153 0.8 7 8 7.9763 7.9315 0.6 8 8 7.9872 7.8957 1.1 9 8 7.9751 7.9283 0.6 10 8 7.9865 7.9075 1.0 上表中，额定方量为混凝土搅拌车的额定输送量，实际方量为现场实际测量得到的泵送混凝土量。从表中可看出，采用本文提出的计量方法，其计算方量与实际方量比较接近，其计量误差不超过 2%，计量精度较高。4 结论(1)提出了基于泵送压力信号的混凝土泵排量计量方法。初步的试验表明，

17、该方法计量精度得到较大的提高，并满足施工计量的需要。(2)该方法通过直接测量主油缸压力，分析压力变化趋势，计算实时泵送效率系数，对混凝土泵排量的计量具有柔性。(3)影响实时泵送效率系数的因素有混凝土的坍落度和混凝土缸活塞速度等，在进一步的试验中将通过测量混凝土坍落度和混凝土缸活塞速度等参数，对实时泵送效率系数进行修正。(4)利用该计量原理，有望设计出新的计量测试装置系统，使其逐步达到实用化。除混凝土泵外，往复式活塞泵排量的有效计量方法可望推广到其他采用往复式活塞泵输送物料的场合，必将产生很大的社会效益和经济效益。参 考 文 献 1 SAEKI Hiromi.Display device for

18、 concrete spraying appratus:JP,8303191P.1996-11-19.2 UCHIDA Toshiaki.Concrete discharge indicating device of concrete pumping pumping car:JP,2002276157P.2002-09-25.3 ADACHI Kazuaki.Concrete discharging amount indicating device for concrete pump vehicle:JP,2002276542P.2002-09-25.4 梁华庆.往复式泥浆泵出口流量的一种非接

19、触测量方法J.自动化仪表，2001，22(8)：21-22.LIANG Huaqing.The contactless measuring method for outlet flow of reciprocating sludge pumpJ.Process Automation Instrumentation,2001,22(8):21-22.5 张新国，刘征.间接式泥浆泵体积流速流量测量仪的研制J.兰州大学学报(自然科学版)，1993，29(3)：99-104.ZHANG Xinguo,LIU Zheng.The development of indirect volume-flow m

20、eter for mud pumpsJ.Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),1993,29(3):99-104.6 赵志缙.泵送混凝土M.北京：中国建材工业出版社，1985.ZHAO Zhijin.Pumping concreteM.Beijing:China Structural Material Industry Press,1985.7 沙润荣.浅析泥浆泵实际排量与容积效率计算方法J.石油钻采工艺，1991，3：1-7.SHA Runrong.The simple analysing of computational metho

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22、系数的实测法J.石油钻井工程，1996，3(2)：53-58.ZHOU Dejun,WANG Licheng.The actual measuring method for discharge factor of drilling well pumpJ.Petroleum Drilling Engineering,1996,3(2):53-58.10 张国忠.现代混凝土泵车及施工应用技术M.北京：中国建材工业出版社，2004.ZHANG Guozhong.Applications technology of modern concrete-pump truckM.Beijing:China B

23、uilding Material Industry Publishing House,2004.11 赵志缙，赵帆.混凝土泵送施工技术M.北京:中国建筑工业出版社，1998.ZHAO Zhijin,ZHAO Fan.Concrete pumping and construction technologyM.Beijing:China Architecture&Building Press,1998.12 阮秋琦.数字图像处理学M.北京：电子工业出版社，2001.RUAN Qiuqi.Digital image processingM.Beijing:Publishing House of El

24、ectronics Industry,2001.MEASURING METHOD OF CONCRETE PUMP DISCHARGE BASED ON PUMPING PRESSURE LIU Huiyong1,2 LI Wei1 LIN Yonggang1GU Daqiang3 SONG Ruiyin4(1.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027;2.College of Mechanical Engineering and Automa

25、tion,Guizhou University,Guiyang 550003;3.Institute of Mechanical Design,Zhejiang University,Hangzhou 310027;4.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315104)Abstract：The characteristics of current measuring methods of concrete pump discharge are analyzed,and the deficiency in measu

26、ring accuracy of these methods is pointed out.The mathematic model of concrete pump discharge is established based on the working principle of the concrete pump,and it is pointed out that the key of the measurement of the concrete pump discharge is the real-time pumping efficiency factor.The factors

27、 which effect the measurement of the concrete pump discharge and the relationship between the material cylinder and the master cylinder are analyzed,and the measuring method based on pumping pressure is proposed.The actual discharge of concrete pump is calculated by directly measuring the pressure i

28、n the master cylinder of concrete pump,analyzing the tendency of the pressure change in the master cylinder,and computing the real-time pumping efficiency factor.The experiment indicates that the measuring method based on pumping pressure has relatively high measuring accuracy.Key words:Concrete pump Discharge Measuring Pumping pressure Real-time pumping efficiency factor 作者简介：刘会勇，男，1979 年出生，博士研究生。主要从事机电系统测量及控制的研究。E-mail：huiyong- 李伟，男，1956 年出生。教授，博士研究生导师。主要从事机电控制系统、传感与测试技术方面的研究。