CC BY
14
q n ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО ВпН И БЫТОВОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ
УДК 62-8: 532.54
РАБОТА БЕТОНОНАСОСОВ В СЕТИ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3
13Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта), 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14;
2Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
236000, г. Калининград, Советский пр., 1
В статье представлен усовершенствованный алгоритм расчета перекачиваемой бетонной смеси в рамках ранее разработанного авторами метода гидравлического расчета насосных установок. В качестве примера рассматривается расчет перекачиваемой бетонной смеси в условиях возведения небоскреба. Представлена диаграмма производительности бетононасоса Putzmeister BSA 14000 SHP-D в трех видах: экспериментальные данные, полученные при строительстве небоскреба; теоретическая диаграмма, предоставленная производителем насоса; зависимость потерь давления от расхода, рассчитанная по предложенному авторами алгоритму.
Ключевые слова: бетонная смесь, гидравлический расчет, бетононасос
OPERATION OF CONCRETE PUMPS IN THE NETWORK
N. L. Velikanov, V. A. Naumov, S. I. Koryagin
The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;
Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1
The article presents an improved algorithm for calculating the pumped concrete mixture in the framework of the previously developed method of hydraulic calculation of pumping units. As an example, the calculation of the pumped concrete mixture in the conditions of construction is considered. The performance diagram of Putzmeister BSA 14000 SHP-D concrete pump in three types is presented: experimental data obtained during the construction of a skyscraper; theoretical diagram provided by the pump manufacturer; dependence of pressure losses on the flow calculated according to the algorithm proposed by the authors.
Keywords: concrete mix, hydraulic calculation, concrete pump
Разработка эмпирических зависимостей Для изучения возможности использова-
для расчетов характеристик бетононасосов, ра- ния смешанных строительных отходов в каче-ботающих в различных сетях (строительная стве засыпного заполнителя, который может площадка, завод, удаленный объект) является быть помещен под землей в шахте, были про-актуальной задачей [1-6]. ведены физико-химические оценки, испытания
В работе [7] рассматривается проблема и эксперименты по прокачиваемости получае-интеграции планирования производства товар- мой бетонной смеси [8].
ного бетона и диспетчеризации автотранспорта Обширные полевые наблюдения пока-
и насосов на заводе с несколькими бетонными зывают [9], что при доставке и размещении го-узлами. Предложена пространственно- тового бетона зачастую происходит потеря ин-временная модель сети, объединяющая произ- формации о сроках его укладки. Это создает водство и диспетчеризацию транспортных проблемы в контроле качества бетона. средств. Для решения этой проблемы разрабо- Промышленное производство товарного
тан эвристический алгоритм с восемью набо- бетона является одним из лидеров в строитель-рами совместных правил приоритета для пла- ной отрасли. Статистика показывает, что ис-нирования производства, диспетчеризации гру- пользование и спрос на бетон увеличиваются зовых автомобилей и насосов, планирования наряду с количеством производителей и рабо-работы бетонных узлов/ чих [10].
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиноведения и технических систем, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: monolit8@yandex.ru;
2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru;
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно - технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: SKoryagin@kantiana.ru
В работе [11] изучались реологические свойства цементных паст при различных дозировках добавляемых полимеров. Критерием являлась достаточная текучесть с течением времени для смешивания, транспортировки, нагнетания и отливки в форму бетона на строительных площадках.
В работе [12] представлены результаты систематических исследований применения бетононасосов при транспортировке бетона на большие расстояния. Описаны полномасштабные полевые испытания для проверки поведения бетона, насоса, их взаимодействия и работы персонала. Установлено, что погода, а именно температурах окружающей среды, существенно влияют на свойства бетона.
Среди современных бетононасосов наибольшую популярность завоевали поршневые бетононасосы с гидравлическим приводом. Для подбора и эффективного использования бетононасосов важно иметь надежный инженерный метод их расчета. Особенно это актуально для супермощных агрегатов. Авторами был разработан метод гидравлического расчета насосных установок, включающий стационарные бетононасосы и бетоноводы [13]. Моделировались зависимости подачи Q от давления Р, оказываемого на смесь плунжерным насосом, по диаграммам, представляемым производителями: Р = ). Для расчета гидравлических потерь использовалась эмпирическая зависимость
[14]:
P = a р + у • g • н
A P
4 L d
(т0 + Ъ • V ) ,
где Ар - потери давление на транспортирование смеси по бетоноводу, Па;
Ь - приведенная (расчетная) длина трубопровода, м;
й - внутренний диаметр бетоновода, м; у - объемная масса бетонной смеси, кг/м3;
V - средняя (по расходу) скорость движения смеси, м/с;
т0 - предельное напряжение сдвига бетонной смеси, Па;
g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - высота подачи бетонной смеси, м; Ь - коэффициент скорости, Пас/м.
По рекомендации [14] для определения Ь к фактической длине трубопровода Ьо прибавляется по 1 м горизонтальной подачи смеси на каждые 10° поворота бетоновода. В [15, 16] на основе экспериментальных данных о реологических характеристиках была получена регрессионная модель зависимость предельного напряжения сдвига т0 и коэффициента скорости Ь 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 использования метода расчета, в том числе для модифицированных бетонных смесей, требуется использовать реологическую модель. Известно несколько моделей, используемых для расчета расхода для перекачиваемых бетонных смесей.
Одна из них - формула Букингама-Рейнера (Buckingham-Reiner) (см., например,
[17]):
п d4 AP г 4 ( 4 т ^ 1 ( 4 т V1 m
Q -----11 - 41-— 1+ 11-— | |.(1)
128 л L ^ 3 \AP / L ) 3 {AP / L Jj
В формуле (1) предельное напряжение сдвига т0 и пластическая (структурная) вязкость п определяются при стандартном реологическом изучении бетонной смеси с помощью вискозиметра.
В [18] предложены формулы
A P
A P =
4 L
4 L d
4Q
п d
т. +
4 Q
п d d 'т,
k 8л1
li. k
d 'т0 6л
(2)
1 + | • d / (81)
"• Л,
(3)
где к - коэффициент заполнения, в первом приближении можно принять равным единице. Для использования формул (2), (3), кроме указанных ранее величин, требуется определить с помощью приборов параметры т 1 (Па) и л, (Па с/м) на поверхности между внутренним цилиндром и бетонной смесью.
Обращает на себя сходство формул (1) и (2). Поэтому в оценочных расчетах по формуле (2) заменим т 1 на т , а для параметра л, воспользуемся рекомендацией [11]: Л л л
Л1
5 r - r 0,5 d - 2 т /(A P / L )
, (4)
где 5 - толщина пристеночного слоя в модели Бингама.
Тогда расход и градиент давления по расходу придется находить из уравнений
A P • d 4 L
4 Q
Л
■ = 0
п d 0,5 d - 2 т /(AP / L)
Q
п d 41
2
V
2 .то • L
A P
^ f A P • d ^ -- т
4L
(5) . (6)
В работе [19] была проверена возможность использования формулы (1) для расчета расхода перекачиваемой бетонной смеси. В результате расчетов получалось от 20 до 40 % измеренных значений расхода, т.е. е, относитель-
- т о -
ная ошибка расчета по формуле (7), составляла от 60 до 80 %:
е = (1 - 2 / 2 ) • 10 0% . (7)
4 расч измер ' 4 '
Проверим возможность использования формулы (6). В табл. 1 представлены результаты измерений характеристик перекачиваемых бетонных смесей, приведенные в [19]. Во всех опытах неизменными оставались то = 0,1 Па; й = 0,125 м. Обращает на себя внимание завышенное значение измеренного расхода в 5-м опыте.
Расчет по одним и тем же данным по формуле (1) здесь и в [19] должен давать одинаковые результаты. В табл. 2 получено, что в условиях опыта 3 и, особенно, опыта 5, получаются разные значения расхода. Если результат расчета по 3-му опыту не отклонился от
Вначале был выполнен расчет по формуле (6) при длинах бетоновода из табл. 1 (Ь = Ьо). Относительная ошибка расчетного значения расхода по модулю оказалась в пределах 19%, что значительно лучше, чем при расчете по формуле (1). Можно еще уменьшить е, если учесть местные гидравлические потери в коленах бетоновода, как в последнем столбце табл. 2, где принято Ь = Ь0.
Далее формула (6) была использована при расчетах перекачиваемой бетонной смеси в условиях возведения небоскреба Бурдж-Халифа (табл. 3). Во всех опытах длина бетоновода Ь0 = 659 м; внутренний диаметр й = 0,15 м; высота, на которую поднималась бетонная смесь Н = 576 м. Р - это давление на выходе насоса. Гидравлические потери в бетоноводе рассчитаны по формуле
д р = р - у • g • н . (8)
Результаты расчета расхода по формуле (1) здесь и в [19], практически, совпали (табл. 4). Следовательно, ошибок измерений или опечаток таблица результатов измерений не содержит. Как и в предыдущем случае, примене-
других результатов, то 5-й имеет признаки ошибки. Возможно, это опечатка в значении расхода в табл. 1. В дальнейшем строку 5 в табл. 2 исключим из рассмотрения.
ние формулы (6) значительно снижает относительную ошибку расчета расхода.
Таблица 3 - Результаты измерений характеристик перекачиваемых бетонных смесей при строительстве небоскреба Бурдж-Халифа [19]
В [20] описан процесс подачи бетонной смеси на большую высоту на строительстве небоскреба. Были использованы 3 супермощных бетононасоса немецкой компании Putzmeister серии BSA 14000. Производителем представлены упрощенные диаграммы производительности бетононасосов [15], в том числе BSA 14000 SHP-D.
Таблица 4 - Результаты расчета расхода бетонных смесей при строительстве небоскреба Бурдж-Халифа
№ пп По (1) и в [131 По (6), L = Lo По (6), L = L,07-Lo
Q, м3/час 8, % Q, м3/час 8, % Q, м3/час 8, %
1 7,9 -62,9 31,6 48,3 29,5 38,5
2 5,1 -76,6 17,4 -20,1 16,0 -26,4
3 5,1 -72,9 17,0 -9,8 15,6 -17,0
4 4,5 -76,8 15,1 -22,2 13,9 -28,4
Таблица 1 - Результаты измерений характеристик перекачиваемых бетонных смесей [19]
№ пп Lo, м П, Па с P, МПа Q, м3/час
1 400 107,0 10,7 18,9
2 400 71,9 12,4 31,4
3 700 49,3 8,8 23,7
4 700 143,0 12,0 11,9
5 1000 96,0 17,8 29,1
6 1000 126,0 18,1 12,7
7 1000 71,4 17,1 18,6
Таблица 2 - Результаты расчета расхода бетонных смесей при условиях опытов [19]
№ пп в [131 по формуле (1) по (6), L = Lo по (6), L =1,07-Lo
Q, м3/час Q, м3/час 8, % Q, м3/час 8, % Q, м3/час 8, %
1 5,4 5,39 -71,5 21,6 14,1 29,2 6,6
2 9,3 9,30 -70,4 37,2 18,5 34,8 10,7
3 2,8 5,50 -76,8 22,0 -7,2 20,6 -13,3
4 2,6 2,59 -78,3 10,3 -13,1 9,7 -18,8
5 12,5 4,01 -86,3 16,0 -45,0 14,9 -48,6
6 3,1 3,10 -75,6 12,4 -2,4 11,6 -8,8
7 5,2 5,17 -72,2 20,7 11,1 19,3 3,8
№ To, Па Q, P, AP,
пп Пас м3/час МПа МПа
1 0,1 44,1 21,3 17,1 5,13
2 29,4 73,6 21,8 18,0 5,71
3 32,5 70,5 18,8 17,9 5,49
4 29,3 75,5 19,4 17,6 6,18
На рис. 1 линия 1 состоит из горизонтальной прямой, дуги гиперболы и вертикальной прямой. Экспериментальные точки, полученные при сравнительно небольших расходах, говорят о том, что давление Р = при
уменьшении Q не остается постоянным, а
уменьшается.
р
мш
Рисунок 1 - Диаграмма производительности бетононасоса Putzmeister BSA 14000 SHP-D: точки -экспериментальные данные, полученные при строительстве небоскреба Бурдж-Халифа [19]; 1 - теоретическая диаграмма, предоставленная производителем [20], 2 - зависимость потерь давления от расхода, рассчитанная по уравнению (5)
На рис. 2 показаны результаты расчета гидравлических потерь в бетоноводе насоса Putzmeister BSA 14000 SHP-D при горизонтальном участке длиной 83 м (как в [20]) и различной высоте подачи. На наклонном участке диаграммы производитель приводит затрачиваемую мощность бетононасоса N = 470 кВт [9]. Полезную мощность на указанном участке можно рассчитать по диаграмме: Nn = QP = 326 кВт, что соответствует коэффициенту полезного действия 69 %. По рис. 3 такой КПД будет при высоте подачи от 275 м примерно до 455 м. При H > 455 м КПД начнет падать. При H < 275 м использовать данный бетононасос нецелесообразно, его работа может быть неустойчивой.
при H = 576 м; 3 - H = 450 м; 4 - H = 350 м; 5 - H = 275 м
На рис. 3, 4 показаны результаты расчета гидравлических потерь в бетоноводе насоса Putzmeister BSA в зависимости от плотности бетонной смеси, и от ее пластической вязкости.
р МПа
20
15
10
70 О. м3/чаг
4/
'з/
10
20
30
40
50
60
70 0;М3/ча£
Рисунок 3 - Расчет гидравлических потерь в бетоноводе насоса Putzmeister BSA в зависимости от плотности бетонной смеси при H = 400 м; п =
73,6 Пас: 1 - р = 1000 кг/м3; 2 - р = 1500 кг/м3; 3 - р = 2000 кг/м3; 4 - р = 2500 кг/м3
Описанные выше этапы расчета насосной установки можно представить в виде алгоритма. Алгоритм расчета включает в себя четыре этапа.
1. Экспериментальное определение следующих характеристик бетонной смеси: плотности, [р] = кг/м3; пластической вязкости, [п] = Па с; предельного напряжения сдвига [г0 ] =
Па.
Рисунок 2 - Расчет гидравлических потерь в бе-тоноводе насоса Putzmeister BSA 14000 SHP-D: 1 -
теоретическая диаграмма; 2 - зависимость потерь давления от расхода, рассчитанная по уравнению (5)
Рисунок 4 - Расчет гидравлических потерь в бетоноводе насоса Putzmeister BSA в зависимости от пластической вязкости бетонной смеси при H
= 400 м; р = 2000 кг/м3: 1 - ц = 50 Пас; 2 - ц = 70 Па с; 3 - ц = 90 Па с; 4 - ц = 120 Па с
2. Определение зависимости гидравлических потерь в бетоноводе AP от расхода Q по его длине L и внутреннему диаметру d с помощью уравнения (5) c учетом потерь в коленах. Потребный напор насоса
PL (Q ) = AP (Q ) + ygH . (9)
3. Уточнение диаграммы бетонасоса, предоставляемой производителем
Ph (Q) = f (Q).
(10)
Требует нахождения контрольных точек диаграммы P-Q, особенно в области низких расходов, где точность диаграммы невысока.
4. Совместное решение уравнений (9)-(10) для расчета расхода в рабочей точке насосной установки.
Пересечение графика зависимости потерь давления с диаграммой производительности отличается от рабочей точки центробежного насоса. После определения расхода в указанной точке необходимо подобрать соответствующую этому расходу частоту вращения коленвала бетононасоса.
Нецелесообразно использовать бетононасос, если график зависимости потерь давления в сети расхода пересекает горизонтальную линию диаграммы производительности (4 на последнем рис. 4). Так как будет срабатывать предохранительный клапан, КПД насосной установки упадет.
Литература
1. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Анализ характеристик плунжерных насосов.-Вестник машиностроения. 2018. № 3. С. 25-27.
2. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Определение производительности поршневого бетононасоса. -Технико-технологические проблемы сервиса. 2018. № 2 (44). С. 8-11.
3. Velikanov N.L., Koryagin S.I., Naumov V.A. Characteristics of plunger pumps.-Russian Engineering Research. 2018. Т. 38. № 6. С. 428-430.
4. Naumov V., Velikanov N. Consideration of the characteristics of the concrete mix when choosing concrete pump.- В сборнике: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 21, Construction - The Formation of Living Environment. 2018. С. 032017.
5. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Расчет характеристик трехплунжерных насосов.-Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 11 (704). С. 60-67.
6. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Определение дальности подачи смеси бетононасосом при работе в сети.-Технико-технологические проблемы сервиса. 2018. № 4 (46). С. 7-10.
7. Liu Z.Y., Zhang Y.K., Yu M.H., Zhou X.L. Heuristic algorithm for ready-mixed concrete plant scheduling with multiple mixers. - Automation in construction. 2017. V. 84. Pp. 1-13. DOI: 10.1016/j.autcon.2017.08.013.
8. Chen Q.S., Zhang Q.L., Xiao C.C., Chen X. Backfilling behavior of a mixed aggregate based on construction waste and ultrafine tailings. - Plos one. 2017. V. 12. I. 6. Article number e0179872. DOI: 10.1371/journal.pone.0179872.
9. Moon S., Zekavat P.R., Bernold L.E. Dynamic Quality Control of Process Resource to Improve Concrete Supply Chain. - Journal of construction engineering and management. 2017. V. 143. I. 5. Article number 04016130. DOI: 10.1061/(ASCE)C0.1943-7862.0001270.
10. Akboga O., Baradan S. Safety in ready mixed concrete industry: descriptive analysis of injuries and development of preventive measures. - Industrial health. 2017. V. 55. I.1. Pp. 54-66.
11. Erzengin S.G., Bodur A., Ozkorucuklu S.P., Yild-irim G., Coban O. Applications of sulfonate-carboxylate copolymers in cement. - Advances in cement research. 2016. V. 28. V. 10. Pp. 630-642. DOI: 10.1680/jadcr.15.00134.
12. Hazaree C.V., Mahadevan V. Single-Stage Pumping of Concrete up to 2.432 km (1.51 miles): Admixture, Mixture, and Full-Scale Trials. - Journal of materials in civil engineering. 2016. V. 28. I. 11. Article number 05016002. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001446.
7. Великанов, Н.Л. Определение рабочей точки бетононасоса / Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, Л.В. Примак // Механизация строительства. - 2015. - № 9. - С. 42-44.
13. Руководство по укладке бетонных смесей бето-нонасосными установками ЦНИИОМТП / Под ред. Г.А. Захарченко. - М.: Стройиздат, 1978. - 144 с.
14. Великанов, Н.Л. Основные этапы выбора стационарного бетононасоса / Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, Л.В. Примак // Механизация строительства. - 2016. - № 9. - С. 44-49.
15. Великанов, Н.Л. Совершенствование методики гидравлического расчета потерь в бетоноводе / Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, Л.В. Примак // Механизация строительства. - 2015. - № 10. - С. 22-25.
16. Jacobsen S., Mork J.H., Lee S.F., Haugan L. Pumping of concrete and mortar - State of the art. COIN Project report 5. - 2008. - 46 p. [Электронный ресурс]. URL:https: // brage. bibsys. no / xmlui / bitstream /handle / 11250 /2388633 / COIN%2Breport%2Bno%2B5.pdf? se-quence=3&isAllowed=y (дата обращения: 15.10.2019).
17. Kaplan D., de Larrard F., Sedran T. Design of concrete pumping circuit, ACI Mater. Journal. - 2005. Vol. 102, pp. 110-117.
18.Jo S.D., Park C.K., Jeong J.H., Lee S.H., Kwon S.H. A Computational approach to estimating a lubricating layer in concrete pumping. C. Mater. Contin. - 2012. Vol. 27, pp. 189-210.
19. Aldred J. Burj Khalifa - a new high for highperformance concrete. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Civil Engineering. - 2010. - Vol. 163(2), pp. 66-73.
20. Putzmeister Holdung. Stationary Concrete Pumps [Электронный ресурс]. - URL: http://putzmeister.com/enu/index.htm (дата обращения: 15.10.2019).
