Поворотные шиберы двухпоршневых бетононасосов

Стебунова К.С., Кошкарёв Е.В., Степанов М.А. Московский государственный строительный университет(МГСУ).
Исследование конструкций и режимов работы поворотных шиберов двухпоршневых бетононасосов.

Шибер - небольшой отрезок трубы (патрубок), концентрично или шарнирно присоединённый к напорному бетоноводу, что позволяет поворачивать его поперёк оси последнего на некоторый угол, обеспечивая поочерёдное подключение к подающим бетонную смесь цилиндрам. Учитывая тот факт, что диаметр подающего цилиндра варьирует в пределах 150-280мм, а диаметр бетоновода составляет только 100, 125 или 150мм, то шибер может выполнять другую важную роль, обеспечивая частичную или полную компенсацию этой разницы (постепенного сужения трубопровода), т. е. с точки зрения гидравлики является конфузором. Течение жидкости в конфузоре сопровождается увеличением скорости и падением давления, в нём имеются лишь потери на трение.
В том случае, если шибер имеет постоянный диаметр, то на протяжении нескольких первых метров диаметр бетоновода плавно уменьшается до необходимого стандартного размера.

Шибер, наполненный бетонной смесью, совершает возвратно-поступательное движение в бункере бетононасоса, наполненном сильно абразивной бетонной смесью, а, учитывая сложную форму, наилучшим технологическим приёмом для его изготовления является литьё.
По конструкции различают шиберы прямые и изогнутые (косые).
Наибольшее распространение получили косые изогнутые шиберы, которые по общепризнанной классификации немецких производителей (фирмы Putzmeister Concrete Pumps GmbH и Schwing/Stetter Incorporated) бывают трёх типов, напоминая контуром написание соответствующих латинские букв:
С - образные;
S - образные;
CS - образные.

Каждый из названных типов обладает достоинствами и недостатками и, в связи с этим, своей предпочтительной областью использования.
Теоретическая производительность двухпоршневого бетононасоса:

П_теор =60* π*D²_бн/4 *s *n = 47,1 *D²_бн *s *n,    м³ /час,    (1)

где D_бн - диаметр рабочего цилиндра, м; s - ход поршня, м; n - число ходов поршня в минуту.
Техническая производительность зависит от коэффициента объёмного наполнения цилиндра ?об, который в случае бесперебойной подачи смеси (неразрывности струи) и шибера в форме конфузора может быть определён, как:

V_ш = V_бн * ηоб,    (2)

где V_ш - внутренний объём шибера, определяемый его типом, размерами цилиндра и диаметром бетоновода.
Следовательно, шибер выполняет ещё одно важное функциональное назначение - уменьшение или устранение пульсации подаваемой бетонной смеси в напорном бетоноводе, обусловленное коэффициентом объёмного наполнения при заполнении бетоноподающего цилиндра.

Таким образом, можно назвать три основных функции шибера двухпоршневого бетононасоса:
- соединение подающего цилиндра с бетоноводом;
- компенсация разницы диаметров подающего цилиндра и бетоновода;
- частичное уменьшение или полное устранение пульсации бетонной смеси, обусловленной объёмным наполнением подающего цилиндра.

Учитывая, что максимальное число рабочих ходов современных двухпоршневых бетононасосов по данным производителей составляет 13- 32 в минуту, можно оценить длительность 1 рабочего цикла, как:

t_ц= 60/n = 60/(13-32) = (1,8-4,6)c,    (3)

С другой стороны, рабочий ход также включает время поворота шибера, т.е.:

t_ц = t_x + t_пов, с    (4)

где t_x - время хода (нагнетания или всасывания) поршня подающего цилиндра; t_пов - время поворота шибера.

По данным, приводящимся в исследованиях среднее время поворота шибера не превосходит 0,5с.
Среднее время хода поршня подающего цилиндра определится как:

t_x = L_x/v_x, c    (5)

На практике значение теоретической скорости для существующих бетононасосов достигает 0,5-1,2м/с на выходе из рабочего цилиндра, а учитывая средние значения хода (1,8-2,5)м можно оценить время хода, как: 2,7-3,75с.

Следовательно, за очень короткое время поворота шибер, заполненный бетонной смесью, которая по инерции после отсоединения от 1-го подающего цилиндра продолжает двигаться внутри, должен повернуться для соединения с другим подающим цилиндром.
При этом масса нетто смеси, находящейся в шибере, практически не зависит от его типа, например для насоса с D_бн = 230мм; s = 2100мм и η_об = 0,7 - 0,86 она, в среднем, составит 100-125кг. Собственная масса шибера сильно зависит от его типа, имея минимальные значения для прямых и S - образных шиберов и максимальные значения для С и СS - образных. Наличие больших масс и малых времён поворота обуславливает значительные динамические нагрузки, протекающие при движении шибера в бункере с бетонной смесью, которые обусловлены также разными углами поворота (ходами) для разных типов шиберов: от малых (30 - 45)° - для прямых, С и СS - образных, до 45-90° - для S - образных шиберов, при необходимости иметь практически одинаковое время поворота. Исследованию данного феномена и посвящены результаты данной работы.