Производительность автобетононасосов

Применение автобетононасосов относится к перспективным и востребованным строительным технологиям. Современный рынок предлагает большое количество таких насосов разных производителей с широким спектром характеристик [1-6].

Например, в табл. 1 приведены технические параметры автобетононасосов компании

Putzmeister [1]. Параметры насоса: Q T – наибольшая теоретическая подача, P M – наибольшее давление на бетонную смесь, D – диаметр цилиндра, l – ход поршня. Параметры распределительной стрелы: H – наибольшая высота, X – горизонтальная дальность, h – глубина.

В первом столбце табл. 1 указано наиме-     1 указан тип складывания распределительной нование автобетононасоса, в котором послед-     стрелы. Все насосы комплектуются бетоново- няя цифра равна количеству секций распреде-     дом с внутренним диаметром d=125 мм.

лительной стрелы. В последнем столбце табл.

Таблица 1 – Технические параметры автобетононасосов компании Putzmeister [1]

Автобетононасос	Q T , м3/час	P M , МПа	H , м	X , м	h , м	D , мм	l , мм	Стрела
М 20-4	90	7,8	19,5	16,1	11.1	230	1400	ZR
М 24-4	110	7,8	23,6	19,7	14,5	230	1400	ZR
М 28-4	140	7,0	27,7	23,8	17,0	230	2100	Z
М 31-5	140	7,0	30,5	26,6	20,4	230	2100	MZR
М 36-4	160	8,5	35,6	31,4	23,9	230	1400	Z
М 38-5	160	8,5	37,5	32,8	25,3	230	2100	RZ
М 42-5	160	8,5	41,6	37,6	30,7	230	2100	RZ
М 46-5	160	8,5	45,5	40,5	32,2	230	2100	RZ
М 47-5	140	7,0	46,1	41,1	32,4	230	2100	RZ
М 49-5	160	8,5	48,4	44,5	33,9	230	2100	RZ
М 52-5	160	8,5	52,0	48,1	38,1	230	2100	Z
М 56-5	160	8,5	55,1	49,9	40,3	230	2100	RZ
М 58-5	200	8,5	57,6	53,6	42,4	280	2100	RZ
М 63-5	200	8,5	62,1	58,1	46,3	260	2100	RZ

Из табл. 1 видно, что в наиболее широких пределах изменяются дальность и высота подачи смеси, что обеспечивается изменением длины секций распределительной стрелы.

В техническом паспорте чаще всего указываются максимальная производительность и максимальное давление на выходе бетононасоса. Известно, что максимальные значения Q и P не могут быть достигнуты одновременно. Например, увеличение высоты подачи приводит к снижению производительности [7-9]. Влияют на производительность автобетононасосов и параметры бетонных смесей [10, 11]. В [12] выполнено интересное исследование изменения гидравлического сопротивления бето-новода в зависимости от радиуса закругления колена. Понятно, что гидравлическое сопротивление также влияет на производительность автобетононасосов. Правда, конструкция современных распределительных стрел такова, что переход бетоновода с одной секции распределительной мачты на другую происходит через два колена 90° с небольшим радиусом закругления R (см. рис. 1). Это необходимо учитывать в расчете гидравлического сопротивления бетоновода.

Параметры работы автобетононасосов в номинальном режиме могут быть определены по диаграммам производительности, как и для стационарных бетононасосов [9-11]. Компания Liebherr-Hausgeräte GmbH [2] разместила в открытом доступе диаграммы производительности своих автобетононасосов. Например, на автобетононасос 37 Z4 XXT (рис. 2) устанавливается бетононасос TPH-140H.

Рисунок 1 – Схема бетоновода в сочленении секций распределительной мачты автобетононасоса: 1, 2 – секции мачты, 3 – бетоновод

Рисунок 2 – Автобетононасос 37 Z4 XXT с 4-секционной распределительной мачтой [2]

Теоретическая бетононасоса подача прямо пропорциональна частоте поршня (частота накачки, n , мин^–1):

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

Q T = V 0 ·n/ 60, (1)

где V 0 – объем бетонной смеси, подаваемый за одну секунду. В бетононасосе TPH-140H = 100 дм³, максимальная частота накачки в режиме низкого давления (rod side) n max = 23 мин^–1. Наибольшая теоретическая подача Q T = 38,33 дм³/с = 139 м³/час соответствует точке A на рис. 3.

Рисунок 2 – Зависимость производительности поршневого бетононасоса TPH-140H от частоты поршня. Точки – экспериментальные данные [2]: линия – расчет по формуле (1)

На рис. 4. показана диаграмма производительности поршневого бетононасоса TPH-140H, она связывает теоретическую подачу и номинальное давление P Н . Справа график ограничен точкой A, соответствующей максимальной частоте накачки, ограничение сверху (точка B) обусловлено срабатыванием предохранительного клапана при увеличении давления выше P M = 8 МПа (частота менее 10,6 мин^{– 1}). В точке A номинальное давление P Н = 3,62 МПа, заметно меньше максимального по техпаспорту P M .

Р_н. МПа

Рисунок 4 – Диаграмма производительности поршневого бетононасоса TPH-140H в режиме высокой производительности и низкого давления (rod side): Точки – экспериментальные данные [2], линии – расчет по формуле (2)

Частота накачки устанавливается с помощью редуктора. При этом мощность, передаваемая насосу от двигателя, практически не изменяется. Полезная мощность TPH-140H, рассчитанная по экспериментальным точкам, на дуге AB остается постоянной:

N n = P H Q T ≈ 139,87 кВт = const. (3)

Лишь при срабатывании предохранительного клапана полезная мощность бетононасоса падает. Поэтому частоту накачки не устанавливают ниже 10 мин^–1. Формула (3) позволяет определить номинальное давление по величине Q T .

Реальная подача будет ниже теоретической, а давление может отличаться от номинального значения. В [13] был разработан метод расчета рабочих (нагрузочных) характеристик трехплунжерных насосов по безразмерным аналогам. В [14] было показано, что такой метод применим и для поршневых бетононасосов. Полагаем справедливым утверждение, что при фиксированной частоте подача и затраченная мощность бетононасоса линейно зависят от давления:

Q ( P ) = Q t -a- P , N ( P ) = N ₀ + р. P , (4)

где α, β, N 0 – эмпирические константы, подлежащие определению.

Как в [14], используем безразмерную форму уравнений:

^{Q (} Р )                 о х

q ⁽ Р ) = ------= 1 ^-( 1 -П H ) • Р ; ^Р =        ;

q _T                        P_H

о Q	o     Q H	(5)
n = ----.	, n H           ;
Q T	Q T

N (p )

N ( p ) = --------= N о + Р о • Р ,

Qt • PH

---0— В = -!—

, ^в о               .

Qt • P H          Q t

6 ⁽ Р ) = П / n _max = Р • ( 4,3 - 8,4 p + ^8,1 p ^{2 - 3,0} p ³ )

.             (7)

где η – КПД бетононасоса;

η о – значение объемного КПД в номи- нальном режиме, в примере п = о ,86 .

Построим нагрузочные характеристики TPH-140H. Рассчитаем по формулам (4)-(7) параметры при наибольше частоте n max : Q T = 38,33 дм³/с; P Н = 3,62 МПа; N 0 = 39,72 кВт; β = 36,89 кВт/МПа; α = 1,47 дм³/(с·МПа). На рис. 5 показан примерный вид нагрузочных характеристик.

Чтобы найти подачу и давление в рабочей точке насосной установки необходимо определить гидравлическую характеристику бетоновода P = f(Q) :

f ( Q ) = Д P + Y- g • H , ^ ^P = А ^P L + Д P M , (8)

где   ΔPL, ΔPM – потери давления на транс портирование смеси по бетоноводу по длине и в местных сопротивлениях, соответственно, Па;

γ – объемная масса бетонной смеси, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²;

H – высота подачи бетонной смеси, м.

Рисунок 5 – Примерный вид рабочих характеристик бетононасоса TPH-140H с теоретической подачей Q Т = 38,33 дм³/с

В [11] было показано, что для расчета гидравлических потерь по длине бетоновода применима модель Бингама в форме, предложенной [14]. Величина Δ P L находится по расходу из уравнения (9):

Δ P_L ⋅ d 4 Q µ

• -τ ₀ - ⋅ = 0 , 4 L π d ² 0,5 d - 2 τ / ( Δ P / L )

(9) где L – длина трубопровода, м;

τ 0 – предельное напряжение сдвига бетонной смеси, Па;

μ – пластическая вязкость бетонной смеси, 50 Па·с.

Гидравлические потери давления в местных сопротивлениях Δ P M будем находить по формулам [12] в зависимости от скорости движения смеси по бетоноводу.

Сначала выполним расчет при вертикальном положении распределительной мачты автобетононасоса 37 Z4 XXT, H = 36,8 м; длина бетоновода с концевым шлангом L = 47,9 м. Используем в расчете параметры бетонных смесей γ = 2400 кг/м³; τ 0 = 0,1 Па с тремя разными значениями пластической вязкости (рис. 6).

По рис. 5 видно, что увеличение пластической вязкости бетонной смеси смещает рабочую точку влево, производительность автобетононасоса уменьшается. В первом случае расход будет 32,2 дм3/с, в третьем – 27,3 дм3/с. Перепад давления увеличится с 4,17 до 7,51 МПа; затраченная мощность с 163,6 до 316,4 кВт.

На рис. 7 показаны результаты расчета подачи бетонной смеси (μ = 80 Па·с) на три разных уровня по высоте: первый соответствует наибольшей вертикальной доступности 37 Z4

XXT, второй –уровню установки автобетононасоса, третий – наибольшей глубине.

Рисунок 6 – Рабочая точка насосной установки TPH-140H при γ = 2400 кг/м³; H = 36,8 м и разной пластической вязкости бетонной смеси:

1 – характеристика бетоновода при μ = 50 Па·с;

2 – μ = 85 Па·с; 3 – μ = 120 Па·с; 4 – нагрузочная характеристика насоса

Рисунок 7 – Рабочая точка насосной установки TPH-140H при γ = 2400 кг/м³; – μ = 80 Па·с и разной высоте подачи: 1 – характеристика бетоновода при H = 36,8 м ; 2 – H = 0; 3 – H = –25,3 м; 4 – нагрузочная характеристика насоса

Подача в первом случае будет 29,9 дм3/с;

в третьем 31,6 дм3/с. Затраченная мощность снижается с 251,2 до 207,7 кВт.