混凝土泵送设备和混凝土泵车的臂架末端减振方法

摘要

本发明公开了一种混凝土泵送设备和混凝土泵车的臂架末端减振方法，混凝土泵送设备包括混凝土输送管和充气系统，充气系统包括压力气源(1)和充气管道(2)，充气管道连接压力气源与混凝土输送管以向该混凝土输送管的管腔内充入压力气体。其中，创造性地通过增设的充气系统往混凝土输送管内充入压力气体，使得间断性泵送的混凝土的间断体积中充入连续气体，泵送介质连续流动，从而根本上减小泵送冲击，达到减小臂架末端振动的目的，而且由于充入压力气体，使得混凝土输送管道内形成多相流，增加多相流之间的内部能量耗散，也从根本上缓解了振动。因此在混凝土泵车施工过程中，能主动减少臂架末端位移振动，提高混凝土泵车施工稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土泵送领域，具体地，涉及一种泵送设备及其减振方法。

背景技术

通常混凝土泵车是通过双缸非连续间歇动作来泵送混凝土，由于混凝土 输送的不连续性，使得臂架末端的末节混凝土输送管(即软管)处会产生非 常大的振动，导致臂架疲劳，末端定位不准，浇筑操作困难，而且也增加了 操作危险性。

现有技术中采用了多种方式以缓解由于混凝土输送带来的臂架末端的 振动。例如，在公开号为CN1932215A的专利申请中，采用了抑振油缸的方 式。其中，通过臂架油缸与抑振油缸相连，压力检测单元实时检测臂架油缸 和/或抑振油缸中油液的压力信息，将采集到的油液压力信号传送至抑振油缸 控制单元，抑振油缸控制单元对其进行分析、处理后，反复调整抑振油缸中 有杆腔和无杆腔容积，使抑振油缸产生脉冲振动，脉冲振动造成的臂架末端 振动幅值小于或等于混凝土不连续输送造成的臂架末端振动振幅，且相位相 反，从而有效消减振幅，抑制振动。

另外，在公布号为CN102071809A的专利申请中公开了一种混凝土泵和 混凝土泵车臂架的减振装置和方法。其中，混凝土泵车臂架的减振装置包括： 减振控制单元，与臂架油缸的电磁比例阀相连；臂架末端振动检测单元，监 测臂架的末节臂的幅度参数并将幅度参数信号传送给减振控制单元；臂架姿 态监测单元，监测臂架的角度参数并将角度参数信号传送给减振控制单元。 其减振方法包括以下步骤：监测混凝土泵车臂架的运行参数；根据监测参数 生成控制信号，根据控制信号输出电磁比例阀控制电流，控制臂架油缸的活 塞位置；其中，臂架的监测参数包括：末节臂的振动幅度参数以及臂架的角 度参数。

然而，上述抑振措施均具有诸多不足。在采用抑振油缸的方式中，由于 泵车在施工过程中臂架受到不连续混凝土冲击而造成的振动无法预知，且通 过抑振油缸产生脉动振动对不同姿态臂架末端造成的振动在也难以准确控 制，因此通过两个难以预知的量做控制依据，难以获得理想的控制效果，并 且通过增加相位相反的脉冲振动的方法势必增加臂架系统的应力，降低臂架 的使用寿命。在通过振动检测单元来控制臂架油缸的活塞的方式中，通过监 测单元实时监测的臂架姿态及臂架末端振动数据作为控制信号，控制算法复 杂，不同姿态控制参数千变万化，控制鲁棒性较差。

因此，有必要寻求一种简单、可行可靠的抑振方式，以应用于混凝土泵 送设备，尤其是混凝土泵车中。

发明内容

本发明的目的是提供一种混凝土泵送设备，以及一种混凝土泵车的臂架 末端减振方法，以有效缓解或抑制混凝土输送管的末端出口的振动，提高整 车工作性能。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种混凝土泵送设备， 包括混凝土输送管和充气系统，该充气系统包括压力气源和充气管道，该充 气管道连接所述压力气源与所述混凝土输送管，以向该混凝土输送管的管腔 内充入压力气体。

优选地，所述充气系统还包括调压器和压力表，该调压器设置在所述充 气管道中以调节该充气管道内的气体压力，所述压力表检测所述调压器的出 口端气体压力。

优选地，所述充气系统还包括单向阀和用于开关控制所述充气管道的开 关阀，所述单向阀设置在所述调压器与所述混凝土输送管之间的所述充气管 道部分中，以允许所述压力气源的压力气体流入所述混凝土输送管内并反向 截止。

优选地，所述混凝土输送管的管壁上设有管道接头，所述充气管道与所 述管道接头相连以连通所述混凝土输送管的管腔。

优选地，所述混凝土泵送设备为混凝土泵车，该混凝土泵车的底盘安装 有自带气罐，该自带气罐作为所述压力气源与所述充气管道相连。

优选地，所述混凝土泵车包括泵送油缸、臂架和臂架安装转台，所述混 凝土输送管包括前输送管段和后输送管段，所述前输送管段连接在所述泵送 油缸与所述臂架安装转台之间，所述后输送管段安装在所述臂架上，所述充 气管道连接于所述前输送管段的管壁和/或后输送管段的管壁上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种混凝土泵车的臂架末端减振方 法，该方法通过对进行混凝土泵送的混凝土泵车的混凝土输送管的管腔内充 入压力气体，以减轻所述混凝土输送管的末端出口的振动。

优选地，在所述混凝土输送管进行混凝土泵送之前，先往该混凝土输送 管内进行压力气体的充气。

优选地，所述混凝土泵车包括泵送油缸、臂架和臂架安装转台，所述混 凝土输送管包括前输送管段和后输送管段，所述前输送管段连接在所述泵送 油缸与所述臂架安装转台之间，所述后输送管段安装在所述臂架上；

其中，在所述前输送管段和/或所述后输送管段上进行钻孔，而后在所 述钻孔处使充气管道与所述混凝土输送管连通并形成对外密封。

优选地，在所述混凝土输送管的多处位置进行钻孔，多处钻孔中的部分 钻孔安装管道接头并通过该管道接头与所述充气管道连通，多处钻孔中的其 余钻孔利用堵头进行堵塞。

优选地，在所述混凝土泵车的泵送油缸的单个泵送周期内，所需充入的 压力气体量不小于所述泵送油缸的吸料与泵料的间隔时间内，混凝土在所述 混凝土输送管内作惯性移动的移动空间体积。

根据上述技术方案，在本发明的混凝土泵送设备和泵车的臂架末端减振 方法中，创造性地通过增设的充气系统往进行混凝土泵送的混凝土输送管内 充入压力气体，尤其是在泵送混凝土之前预先充入压力气体，使得充入连续 气体到间断性泵送的混凝土的间断体积中，使泵送介质流动连续，从而根本 上减小泵送冲击，达到减小臂架末端甚至整车振动的目的，而且由于充入压 力气体，使得混凝土输送管道内形成多相流，增加多相流之间的内部能量耗 散，也从根本上缓解了振动。因此，在混凝土泵车施工过程中，能主动减少 臂架末端位移振动，提高混凝土泵车施工稳定性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的混凝土泵送设备的充气系统的结构 原理图；

图2为根据本发明的优选实施方式的混凝土泵送设备的结构示意图，该 混凝土泵送设备为混凝土泵车；

图3为显示充气系统的压力气体充入混凝土输送管内后的流向与作用的 原理图，其中箭头代表气流流向或混凝土流向；

图4为泵送油缸作用下的混凝土在混凝土输送管内的惯性位移示意图。

附图标记说明

1压力气源2充气管道

3调压器4压力表

5开关阀6单向阀

7管道接头8前输送管段

9后输送管段10泵送油缸

11臂架12臂架安装转台

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。

在发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、 底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上 而言的各部件相互位置关系描述用词。

本发明首先提供了一种混凝土泵送设备，参见图1，该泵送设备包括混 凝土输送管和充气系统，该充气系统包括压力气源1和充气管道2，该充气 管道2连接压力气源1与混凝土输送管，以向该混凝土输送管的管腔内充入 压力气体。其中，作为总的发明宗旨，本发明通过增设的充气系统往进行混 凝土泵送的混凝土输送管内充入压力气体，从而从根本上减少混凝土输送管 泵送混凝土时产生的泵送冲击，尤其是末端出口的振动。

就其基本原理而言，由于泵送设备如混凝土泵车等均通过双缸非连续间 歇动作来泵送介质诸如混凝土等，因而在通过混凝土输送管进行泵送时，往 混凝土输送管内充入压力气体，可在管腔内形成由气体和混凝土构成的多相 流，在管内流动过程中，多相流内部能量耗散不断增加，从而在抵达臂架末 端处的混凝土输送管的末端出口时的能量更低，振动作用更小。此外，由双 缸非连续间歇动作泵送的混凝土在混凝土输水管内分段形成，通过充入连续 的压力气体至分段混凝土之间的间断体积中，可使得泵送介质流动更连续， 从而在根本上减小泵送冲击，达到减小臂架末端甚至整车振动，以下还将具 体述及。

参见图1，增设的充气系统包括压力气源1、充气管道2、调压器3和压 力表4，调压器3设置在充气管道2中以调节该充气管道2内输往混凝土输 送管的气体压力，压力表4优选地连接于检测调压器3的出口端以检测该出 口端的气体压力。当然，压力表4也可设置在充气管道2的其它位置中。压 力气源1可以是例如带有增压装置的鼓风机等，在本实施方式中，该混凝土 泵送设备为混凝土泵车，混凝土泵车的底盘一般安装有可作为压力气源1的 自带气罐，该自带气罐与充气管道2相连。自带气罐内的气体为具有一定压 力的压力气体，且能够从外界不断获得气体补充，因而能够源源不断地向混 凝土输送管进行压力气体的输送。根据工况和需要，通过调压器3和压力表 4采集压力信号并调节气体压力，还可以通过用于开关控制充气管道2的开 关阀5来量化调节压力气体的流量。开关阀5可以是电动、气动或手动等方 式。此外，在调压器3与混凝土输送管之间的充气管道2部分中还可设置单 向阀6，以允许压力气源1的压力气体流入混凝土输送管内，并且反向截止 以防止压力气体倒流，尤其是当混凝土输送管内的气压高于调压器3设置的 压力值时。

为形成混凝土输送管与充气管道2之间的连接，在本实施方式中，混凝 土输送管的管壁上优选地设有管道接头7，如图1所示，充气管道2与管道 接头7相连，从而连通混凝土输送管的管腔。管道接头7可以是小管段，能 够以焊接方式或螺纹连接方式安装在混凝土输送管的管壁上。管道接头7与 充气管道2之间可以直接套接、焊接或者通过管道连接套等连接件进行接合。

此外，充气位置可以是混凝土输送管上的任意有效位置。对于混凝土泵 车而言，如图2所示，混凝土泵车一般包括泵送油缸10、臂架11和臂架安 装转台12，混凝土输送管可包括前输送管段8和后输送管段9，前输送管段 8连接在泵送油缸10与臂架安装转台12之间，后输送管段9安装在臂架11 上，因此充气管道2可连接于前输送管段8的管壁和/或后输送管段9的管壁， 根据具体工况和参数设定。以下还将具体说明充气位置、数目和接合方式等

在以上所述的充气系统的基础上，以下以混凝土泵车为例，具体说明一 种混凝土泵车的臂架末端减振方法，该方法通过对进行混凝土泵送的混凝土 泵车的混凝土输送管的管腔内充入压力气体，以减轻混凝土输送管的末端出 口的振动。

其中优选地，在混凝土输送管进行混凝土泵送之前，先往该混凝土输送 管内进行压力气体的充气。如此可避开充气初期的激振效应，保证泵送时混 凝土输送管内的气体体积合适，多相介质内部能量耗散稳定，臂架末端输出 压力一直维持在较小的稳定值，臂架末端振动也在较小的范围内波动。

以下针对充入压力气体后，混凝土输送管内的介质流动过程进行具体分 析。其中，在混凝土输送管内泵送介质的过程中，连续向输送管内充入压力 气体，气-固-液多相流流动时平均流动阻力系数为：

$f_m=\frac{1}{\pi }\frac{{\tau }_w}{{\mathrm{\rho v}}^2}{\int }_0^{2\pi }\frac{1}{\theta }*\mathrm{d\theta }$

其中ρ为混凝土输送管的管道内流体平均密度；τ_w为管道内壁面的剪切 应力；v为管道内流体的平均流速；积分项为单位长度的管道内壁面 面积。

在混凝土泵送设备泵送介质过程中，充气初期，混凝土输送管的管道内 气体含量较低，平均流动阻力系数f_m较大，管道内流体平均流速v较小，但 是随着输送管内气体体积的增加，平均流动阻力系数f_m下降，管道内流体的 平均流速v增大；从充气初期至充满混凝土输送管并达至充气稳定时，压力 气体在混凝土输送管内的多相介质中呈层流、气泡流、段塞流等一种或者多 种状态进行运动，随着管道内平均流速v的增大，气-固-液多相介质之间的 相互作用力逐渐增强，内部能量耗散不断增加，当混凝土输送管道内的压力 气体输送到臂架末端释放时，此时湍动能耗散最大。当混凝土输送管的输入 压力相同时，此时臂架末端的输出压力最小，臂架振动也对应最小化。

同时，如图3所示，由于前述的混凝土泵送特性，泵送介质流动为间断、 非连续的，当充气气体沿图3所示的竖直向下箭头充入混凝土输送管内后， 泵送介质内运动状态达到稳定时，压力气体在混凝土输送管道内对充气位置 前、后段的混凝土均产生推力作用，挤压空隙空间，并填充间断体积，同时 压力气体产生的推力对砼活塞与介质的冲击起到了缓冲作用。

其中，不同型式的混凝土泵送设备，泵送油缸的吸料和泵料的时间间隔 不一致，导致形成的间断体积及所需的气体缓冲推力也不一致，因此需要合 理匹配充气位置、充气压力及充气量。

首先，在混凝土泵车的泵送油缸10的单个泵送周期内，所需充入的压 力气体量应不小于泵送油缸10的吸料与泵料的间隔时间内，混凝土在混凝 土输送管内作惯性移动的移动空间体积。如图4所示，泵送介质过程中，在 砼缸泵料停止时刻至砼缸开始吸料时刻的间隔时段内，混凝土输送管道内的 混凝土会在惯性作用下移动距离S，若混凝土输送管的截面积已知为A，则 在此时间间隔内可在混凝土输送管内形成V＝S*A的间断体积，即所述的惯 性移动的移动空间体积，那么所需的充气量Q应不小于V。当然，此充气量 为初步理论估算值，实际值可在理论值上下波动，可通过具体试验测得。

其次，为了克服惯性作用下混凝土形成的间断体积，充气系统的充气压 力需要能克服混凝土输送管内的混凝土推力，即压力气体能够作用于混凝土 使之返流，从而使泵送介质流动连续。因此，充气压力P的函数式可表述为：

P＝F(ρ,μ,θ,D,f,K,L)

其中，ρ为混凝土输送管的管道内流体平均密度；μ为介质粘度；θ为 混凝土输送管与水平面之间的夹角；D为混凝土输送管的管径；L为充气位 置与料斗出料口之间的混凝土输送管的长度；f为长度L的混凝土输送管产 生的内部摩擦力；K为充气气体的体积弹性模量。充气气体的压力与介质物 理参数、充气位置、充气气体物理参数及多相流能量耗散均相关，由于工况 复杂、影响因素多，针对不同的工况充气压力的选取可以通过试验获得并得 出规律。

最后，如前所述，充气位置可以是混凝土泵车输送管上任意有效位置， 例如可以在混凝土泵车的走台板处的混凝土输送管上或者臂架上安装的混 凝土输送管上布置充气位置，可以依据混凝土泵车的泵送介质不同需求选取 合理的充气位置。在图2所示的混凝土泵车中，可选择性地在走台板处的前 输送管段8和/或臂架11上安装的后输送管段9上进行钻孔，可以钻单个孔 进行充气，也可钻多处孔以便于选择和调整。在本实施方式中，在前输送管 段8和后输送管段9上多处钻孔，多处钻孔中的部分钻孔安装管道接头7并 通过该管道接头7与充气管道2连通，多处钻孔中的其余钻孔利用堵头进行 堵塞。具体操作时，也可在各个钻孔处分别焊接管道接头7，充气管道2与 选定的管道接头7相连，形成对外密封，仅与混凝土输送管连通，其余管道 接头7则可通过堵头等进行堵塞。

与现有技术中通过抑振油缸或者通过振动检测单元来控制臂架油缸的 活塞的抑振方式相比，本发明的充气抑振方式主动直接、结构简单，所需硬 件及软件配置少，成本低、能耗小，而且充气性能稳定，不受臂架施工布料 姿态、泵送档位等限制，对臂架末端位移振动减振效果好，工况适应性更强。 充气系统不影响臂架末端振动平衡位置。现有混凝土泵车的减振系统基本均 通过电液控制系统来实现，系统中往往涉及到传感器等精密元器件，减振系 统受诸多元器件限制，同时由于混凝土泵车的施工工况普遍恶劣，减振系统 的可靠性较差，相较而言，本发明的充气系统比其他的电液型减振系统的可 靠性能更高。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。