Определение дальности подачи смеси бетононасосом при работе в сети

Среди современных бетононасосов наибольшую популярность завоевали поршневые бетононасосы с гидравлическим приводом. Для подбора и эффективного использования бетононасосов важно надежный инженерный метод расчета.

Авторами был разработан метод гидравлического расчета поршневых стационарных бетононасосных установок [1 – 3]. Метод включает моделирование зависимости подачи Q от давления P, оказываемого на смесь плунжерным насосом, по диаграммам, представляемым производителями: P = f(Q). В данной статье предложен метод расчета максимальной дальности подачи смеси бетононасосом.

Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, С.И. Корягин

В [4, 5] проведен анализ диаграмм подачи, приведенных производителями бетононасосов [6-8]. Диаграммы подачи бетононасосов могут быть разбиты на 3 участка (рис. 1): на первом участке функция f(Q) представляет собой отрезок горизонтальной прямой, на втором – лучше всего аппроксимируется гиперболой, на третьем – отрезком наклонной прямой:

(Р о      при Qo;

P = f(Q) = \N n /Q   приQ o < Q < Q i ; (1)

(а - 6 • Qпри Q > Q i .

где N n – полезная мощность насоса, которая практически не изменяется на рабочем участке (дуга AB). Значения параметров в формуле (1), например, для модели 307D компании CIFA: Q 0 = 14,1 м³/час; Q 1 = 29,5 м³/час; N n = 27,5 кВт; a = 85 МПа; b = 2,8 МПа/(м³/час); P 0 = 7 МПа.

Функции f(Q) , полученные для бетононасосов разных производителей, отличаются от формулы (1) только значениями параметров.

a

Рисунок 1 – Диаграммы производительности бетононасосов : a – 307D компании CIFA [6], b –

SP-500 компании Schwing Stetter [7]. Точки –

b

экспериментальные данные, линии – результат расчета по формуле (1)

Для расчета максимальной дальности подачи будем использовать давление и производительность бетононасоса в точке А диаграммы (рис. 1). В этой точке давление, создаваемое бетононасосом, максимальное для данной модели. Использовать параметры в точках левее А, нецелесообразно, так как будет меньше расход и КПД насоса. При значительном снижении Q возможно падение давления, неустойчивая работа установки.

В [1, 2] на основе экспериментальных данных о реологических характеристиках была получена регрессионная модель зависимости предельного напряжения сдвига τ и коэффициента скорости b от осадки конуса. Ограниченность такой статистической модели заключается в том, что расчеты можно проводить для ограниченного ряда, исследованных бетонных смесей. Чтобы была возможность более широкого применения метода расчета, в том числе для модифицированных бетонных смесей, требуется применить реологическую модель.

Здесь будем использовать хорошо зарекомендовавшую себя формулу [9]

АР = ^+^),      (2)

где АР - потери давление на транспортирование смеси по бетоноводу, Па; L – приведенная (расчетная) длина трубопровода, м; d – внутренний диаметр бетоновода, м; k – коэффициент заполнения, в первом приближении можно принять равным единице; параметры τ (Па) и T_t (Па-с/м) требуется определить с помощью трибометра на поверхности между внутренним цилиндром и бетонной смесью.

В оценочных расчетах по формуле (2) заменим τ на τ (предельное напряжение сдвига бетонной смеси), а для параметра η воспользуемся рекомендацией [10]: ч     ч            ч

Tt ~ 5   г-г0   0,5й-2т0/(ДР/Ь')’

где δ – толщина пристеночного слоя в модели Бингама; η – пластическая (структурная) вяз- кость; величины η и τ определяются при стандартном реологическом изучении бетонной смеси с помощью вискозиметра.

Тогда расход может быть определен по гидравлическим потерям давления:

Q^-^i^X^^-^o). (4)

Исходные данные: P 0 , Q 0 , η, τ , d, γ – объемная масса бетонной смеси, кг/м ³ (необходима лишь для расчета максимальной дальности подачи по вертикали).

Максимальная дальность подачи по горизонтали находится решением численным методом уравнения (4) относительно величины L. при замене ΔP на P 0 . Результаты расчета для диапазонов структурной вязкости и предельного напряжения сдвига, как у смесей, исследованных в [11], представлены на рис. 2 -3.

a                      b

Рисуок 2 – Зависимость приведенной дальности подачи бетона по горизонтали от структурной вязкости (бетононасос 307D): a – при τ 0 = 0,1 Па и различных диаметрах бетоновода (1 – d = 120 мм, 2– d = 125 мм, 3 – d = 130 мм); b – при d = 125 мм и различных значениях предельного напряжения сдвига (1 – τ 0 = 0,1 Па; 2– τ 0 = 20 Па; 3 – τ 0 = 35 Па)

a                           b

Рисунок 3 – Зависимость приведенной дальности подачи бетона по горизонтали от структурной вязкости (бетононасос SP-500): a – при τ 0 = 0,1 Па и различных диаметрах бетоновода (1 – d = 120 мм,

2– d = 125 мм, 3 – d = 130 мм); b – при d = 125 мм и различных значениях предельного напряжения сдвига (1 – τ 0 = 0,1 Па; 2– τ 0 = 20 Па; 3 – τ 0 = 35 Па)

Видно, что наибольшее влияние на максимальную дальность подачи по горизонтали заданной установкой оказывает величина структурной вязкости бетонной смеси, меньшее – диаметр бетоновода, совсем небольшое – значение предельного напряжения сдвига.

Для расчета максимальной дальности подачи по вертикали необходимо в уравнении (4) замене Δ P на P - γ gH . Тогда уравнение примет вид:

О ₌ ^кй 2 . (5. _ 2-T o -L(H+L o) \ , ( (Р о -уднуа _

'    44    2      Р о -УдН        4'(H+L o )

Т о ).              (5)

где L0 – приведенная длина, учитывающая гид- равлические потери в местных сопротивлениях (например, 1 м на каждые 10° поворота бетоно-вода [12]).

Результаты расчета на рис. 4-5 получены при L 0 = 30 м.

a

b

Рисунок 4 – Зависимость дальности подачи бетона по вертикали от его объемной массы (бетононасос 307D): a – при η = 120 Па·с и различных диаметрах бетоновода (1 – d = 120 мм, 2– d = 125 мм, 3 – d = 130 мм); b – при d = 125 мм и различных значениях структурной вязкости (1 – η = 90 Па·с; 2 – η = 120 Па ·с; 3 – η = 160 Па·с)

Рисунки 4 – 5 показывают существенную зависимость дальности подачи бетона по вертикали от его объемной массы, диаметра бетоновода и структурной вязкости. Так при d = 120 мм, η = 100 Па·с легкая бетонная смесь

( γ = 500 кг/м³) может быть подана установкой 307D на высоту 250 м, тогда как тяжелая ( γ = 2500 кг/м³) – только на 140 м. В технических документах компании CIFA [6] для модели бетононасоса 307D максимальная дальность подачи приведена без указания характеристик смеси: по горизонтали и вертикали, соответственно, 500 и 120 м. Эти величины находятся в диапазоне приведенных результатов расчетов. Но разработанный метод расчета позволяет определить максимальную дальность подачи заданного бетононасоса для конкретных характеристик смеси.

a                     b

Рисунок 5 – Зависимость дальности подачи бетона по вертикали от его объемной массы (бетононасос SP-500): a – при η = 120 Па·с и различных диаметрах бетоновода (1 – d = 120 мм, 2– d = 125 мм, 3 – d = 130 мм); b – при d = 125 мм и различных значениях структурной вязкости (1 – η = 90 Па·с; 2 – η = 120 Па·с; 3 – η = 160 Па·с)