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布料机混凝土防离析装置的研制 |
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作者：中联重科 李宇力 |
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随着大型高层钢筋混凝土结构建筑的发展，作为主要建筑材料混凝土的垂直与水平输送成为施工中的突出问题。在过去的工地，混凝土主要是依靠塔机用混凝土罐一罐一罐地输送。这种输送方式效率低，浇铸质量不高。近些年连续输送的泵送混凝土技术较好地解决了混凝土垂直输送的问题，以其工期短、施工质量高、劳动强度低等突出优点，越来越得到普遍的应用。混凝土布料机作为一种与混凝土输送泵配套的新型施工机械，就象一只机械手，能将到了施工面的混凝土快速、准确地送抵作业面的任一浇注部位并进行连续浇注，较好地解决了混凝土水平输送的布料问题。混凝土布料机与垂直输送的泵送混凝土技术成龙配套，充分发挥了两个技术的优势，真正实现了混凝土的连续输送，极大地降低了劳动强度，提高了施工的进度和质量。
1 布料机混凝土的离析现象及产生的原因
作为一种新型的施工机械，混凝土布料机的离析现象一直困扰着施工单位和研究单位，成为制约布料机发展的一个重要因素。布料机混凝土的离析主要表现在几个方面：1)混凝土骨料与砂浆的离析；2)混凝土的泌水。
混凝土布料机作为一种大型的机械手，其作业方式是臂架向作业面的上方伸出，再从上向下往浇注点浇注混凝土。这样一种作业方式决定了布料机的输送管路必然被分为上升段和下降段。(图1) 
(图1-上图)布料机的典型工作工况
(图2-下)混凝土在下降管路中快速地“滚落”
布料机的一般工作工况都是大臂向上，中小臂向下。在管路的上升段(塔身和大臂管路)，管路中的混凝土在混凝土泵的泵送压力下被推送前进。混凝土充满了上升管路，其流速是稳定的，不会发生离析。而在管路的下降段(中、小臂)，由于重力加速度的作用，混凝土的流速越来越快。由于下降段混凝土的输送流量不会改变，故加速的混凝土不能充满输送管路。混凝土在下降管路中不是稳定地被“推进”，而是快速地“滚落”。在“滚落”过程中混凝土与管壁不断地碰撞，其中的骨料会与浆分离，因而产生第一种离析。
布料机在停机待料时，下降管路中的混凝土由重力而流失，混凝土最后停留在上升管路的顶端。料机臂架上升段与下降段的转折处，也就是整个管中是否有混凝土的分界处。一旦停机时间过长，停在这个界面的混凝土中的水分就会离析出来，因而生第二种离析，也即泌水现象。
2 混凝土离析的危害
离析对布料机影响极大，是引起布料机堵管、管的重要因素，严重地影响布料机的正常工作、管的寿命以及混凝土的浇注质量等。
1．在布料机的下降管路中，混凝土中离析的料与管壁快速碰撞，加快了输送管的磨损。特别是管路转弯的部位，由于速度方向发生改变，混凝上些弯管的冲击特别大，因此这些弯管的磨损最厉害这种现象在管路的末端尤为严重，因为混凝土在这被加速到了最大值。试验结果和实际应用情况表明布料机小臂末端弯管(采用普通材质)的输送寿命1000m3左右，有时甚至只有几百m3，布料机小臂直的输送寿命约8000m2。布料机管路的输送寿命与料机的工作姿态有关，臂架管路下降段的落差越大，凝土的加速冲击也就越大，管路的输送寿命也就短。管路磨穿后施工工地频繁地更换管路，既提高施工成本，又影响了工程进度。
(图3) 磨穿的弯管
(图4) 磨穿的直管
2．布料机在停机待料时，臂架管路顶部的混凝离析后水分、细砂沿下降管路流失，一旦停机时间长，管路顶部就会因只剩粗骨料而造成堵管。布料一旦发生堵管，要排除是十分费工费时的，而且还：浪费大量的混凝土。
3．混凝土的离析，严重地降低了混凝土质量。
3 布料机防离析装置的研制
3.1 静态堵料问题——解决布料机混凝土离析的关键
前面已经分析了布料机混凝土离析产生的原因。无论是第一种离析还是第二种离析，都是因下降F路中的重力作用而引起的。那么解决问题的关键，显然就是如何消除重力对下降管路中的混凝土的影响。
可以考虑在布料机的出料口安装一个可开启／关闭的防离析装置，该装置需要一定的推力才能开目，当推力不足或消失时又能自动关闭。布料机工作时混凝土在泵送压力的作用下，推开防离析装置流出。当布料机停止工作时，防离析装置自动关闭，从而堵住下降管路中的混凝土不让其流出，这就是所谓的静态堵料作用。
这种防离析技术的关键在于：出料口有适当的阻力与下降管路内混凝土的重力相平衡，实现所谓的静态堵料。在泵送混凝土时，与重力平衡的出口阻力避免了混凝土在下降阶段的加速。无论是在管路的上升阶段还是下降阶段，混凝土都充满了整个管路，并被“推送”着以稳定的速度前进，因而防止了混凝土因加速下降而引起骨料与砂浆的离析。布料机在停机待料时，因出料口有与重力平衡的阻力而能实现静态堵料，整个输送管路内充满混凝土，因此只有出口部分的混凝土会离析出水分，一旦出口处稍有堵塞也很容易解决。
因此解决布料机混凝土离析的关键，就是在布料臂的出口作用一个可以实现静态堵料的适当的阻力。
3．2 国外的防离析装置以及存在的问题
德国PM泵车配备了一种尼龙防离析装置。这种防离析装置装在泵车布料臂软管的末端，其端部为逐渐收缩的锥形，沿纵向开有几道切缝。PM防离析装置因其逐渐收缩的锥形结构，对混凝土的流过有一定的阻力。在泵车Ⅱ工作时，锥形结构因受混凝土泵送压力的挤压而张开，混凝土可以从张开的锥部流出。当泵车停止工作时，尼龙锥部因自身的弹力而自动收缩关闭，从而堵住下降管路中的混凝土不让其流出。
然而，后面的实验结果表明PM的尼龙防离析装置因弹力太小只适用于混凝土泵车，不能用于布料机中小臂大落差下降的工作工况。必须在研究PM尼龙防离析装置的基础上，研制适合布料机的防离析装置。
首先必须研究混凝土泵车与布料机工作情况的区别。混凝土泵车是在地面工作的机械，其布料臂大多采用向前上方的姿态作业，仅端部的软管为下降管路，其落差约为4m。而布料机(无论是塔式布料机还是内爬式布料机)则是位于建筑物顶部以上的机械，其布料臂大多采用向前下方的姿态作业。在实际浇注作业中，为了避开钢筋架以及避免频繁地顶升，布料机一般都大大高于建筑物，因此其下降管路的落差经常在10m以上。由于布料机下降管路的落差远大于泵车，因此离析问题也严重得多。与其配套的防离析装置必须解决大落差的静态堵料问题。
（图5）PM防离析装置
（图6）泵车的典型工作工况
3．3 几种防离析装置的试验情况
为了找到一种能解决大落差静态堵料问题的防离析装置的结构形式，参照前面提到的德国PM尼龙锥型研制了多种防离析装置，包括自制尼龙锥型、改进的橡塑锥型、以上各种材质的锥型结构+钢套、自制弹簧型等不同形式，并在混凝土泵——布料机上用实际配比的混凝土进行了真刀实枪的对比试验。
试验结果表明，各种材质的锥形结构包括德国PM尼龙锥型结构的防离析装置，因刚度太小只能实现3m左右落差的静态堵料，虽可以解题，但远不能满足布料机大落差的工作需要。尼龙、橡塑锥型结构+钢套的防离析装置因钢套的作用而使刚度增加，但由于钢套刚度无法控制，不是太强就是太弱，弹力很难与下降管路混凝土的重力平衡。而且尼龙、橡塑这类材质均不耐磨，在混凝土中砂石的冲刷下，很快被磨薄。磨薄后的锥形结构因刚度减弱而失效。
改进橡塑锥型 自制尼龙锥型 尼龙锥形十钢套
（图７）各种形式的防离析装置
橡塑、尼龙锥型结构的刚度及耐磨性是很难解决的两个问题。也许经过反复无数次的调整材料配方及结构尺寸，有可能得到一种能实现大落差静态堵料的防离祈装置，但由于它的结构刚度是无法调整的，因此可能只对某一特定的管路落差有效。要想适用不同的管路落差，是很难实现的。而且因磨损产生的刚度减弱问题也无法解决。
3．4 片簧双门式防离析装置
适合布料机的大落差防离析装置，应该具有：1)出口阻力可根据不同的管路落差进行调整，以平衡下降管路中的混凝土重力；2)良好的耐磨性；3)即使磨损后出口阻力的大小也不会改变。
根据以上三点，研制出了所谓的“片簧双门式”全钢结构的防离析装置。该装置的出口有两个出料门，出料门的开启用多片叠加的片弹簧来控制，通过改变片弹簧的叠加数量来调节出料门开启所需的力，以实现不同的管路落差的静态堵料。由于片弹簧不会受到混凝土的冲刷，即使出料门磨损也不会影响装置的性能。为了提高该装置的寿命，在其内壁采用了耐磨堆焊。在实际的试验过程中，这种防离析装置完全达到了我们的预期要求，在管路落差达16m时，可完全实现静态堵料。无论是静态还是动态，整个管路全部充满了混凝土，实现了大落差的防离析目标。
（图8）泵车的典型工作工况
为了验证“片簧双门式”防离析装置对于减少布料机管路磨损所起的作用，对于装有防离析装置和不装防离析装置的布料机，采用相同的混凝土配比，在相同的工作方式和试验条件进行了耐磨对LL试验。
试验结果表明，布料机安装防离析装置后混凝土对管路的冲击大大减少，小臂弯管、直管寿命有了显著提高，其中臂端弯管的寿命提高了8倍。
在安装了“片簧双门式”防离析装置布料机的试验过程中，曾停机40分钟，观察是否会因离析泌水引起堵管。结果防离析装置虽不断有清水析出，但重新开机时，未出现堵管现象。
4 结束语
在对布料机混凝土离祈现象研究分析的基础上，对国外防离析装置进行了试验研究。最后跳出洋人的设计框框，研制出了适合布料机、泵车的片簧双门式防离祈装置。片簧双门式布料机防离析装置的研制成功，解决了多年来一直制约布料机的发展的一个技术瓶颈问题，提高了布料机的管路寿命，减少了堵管现象的发生，提高了混凝土的浇注质量，对于布料机的进一步推广有十分重要的意义。该机构已获得了国家专利。(end)
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(11/11/2004) |
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