高压球阀组混凝土泵送系统高低压切换方案探索

液压液力HYDRODYNAMICS & HYDROSTATICS
高压球阀组混凝土泵送系统高低压切换方案探索
贾海云，朱红
（三一重型能源装备有限公司研究院，湖南长沙410100）
［摘要］介绍了以高压球阀为主体组成液压系统，实现混凝土泵送系统高低压切换功能的方案。

在此基础上，分析比较了以二通球阀、三通球阀、四通球阀所组成的高低压切换液压系统。

［关键词］混凝土；泵送；高低压切换；球阀
［中图分类号］TU646 ［文献标志码］B ［文章编号］1001-554X（2015）01-0104-03
High-low pressure switch scheme of concrete pumping system using high
pressure ball valve group
JIA Hai-yun，ZHU Hong
高低压切换是混凝土泵送系统中重要功能之
一，以“高压”和“低压”两种状态进行泵送，可
以适应不同的工况。

当前，实现高低压切换功能多
使用专用的阀块或阀组，普遍存在重量大、成本高
的缺点。

利用高压球阀实现混凝土泵送系统的高低压
切换功能是一种新技术，球阀具有结构简洁、可靠
性高、通用性好、成本更低等优点，用于泵送系统
高低压切换具有很强的优势。

本文介绍分别以二通
球阀、三通球阀、四通球阀所组成的高低压切换液压系统，并对其进行对比分析。

1 传统方案介绍
目前，混凝土泵送系统的高低压切换功能普遍采用专用集成阀块。

如图1所示，高低压切换集成阀块主要由6个逻辑阀和1个两位四通电磁阀组成。

6个逻辑阀分为两组，一组逻辑阀（图中2-1、2-3、2-5）关闭、另一组（2-2、2-4、2-6）打开时，系统处于高压工作状态；反之，一组逻辑阀（2-1、2-3、2-5）打开、另一组（2-2、2-4、2-6）关闭时，系统处于低压工作状态。

该集成阀块也可以与泵送系统的其他功能集成在一起。

使用集成阀块能够很好地实现高低压切换的功能，而且具有较高的可靠性，但由于集成阀块属于非标件，阀块内部管路较多、结构复杂，而且液压件对于加工精度的要求很高，导致其制造成本较高。

由于不同型号混凝土泵所需液压系统压力、排量等参数不同，进一步增加了零部件通用的难度，也导致制造成本的上升。

另外，由于元件数量多、系统复杂，高低压切换系统对液压系统动力也有一定的损耗，增加了系统发热，缩短了液压元件寿命。

2 球阀方案原理
球阀是一种通用元件，高压球阀工作压力达到40MPa，完全可满足混凝土泵送系统对于液压系
DOI:10.14189/ki.cm1981.2015.01.0012
［收稿日期］2014-09-18
［通讯地址］贾海云，湖南省长沙经济技术开发区三一工业城三一重能研究院
图1 高低压切换集成阀块原理图
A2
B2
P2
P1
X1
X2
B1
A
3-1
3-2
2-5
2-6
2-3
2-2
2-1
2-4
4
1
1
统的需求。

球阀具有开关迅速方便、密封性好、使用寿命长、可靠性高等优点，而且其内部通道平整光滑，流体阻力小，可有效降低能耗，降低系统发热，保护液压元器件。

而且球阀可实现批量生产，有效降低使用成本。

2.1 二通球阀方案
如图2所示，使用6个二通球阀与主油缸组成高低压切换系统。

如图2a 所示，当球阀4、5、7打开，3、6、8关闭时，主油缸有杆腔联通，无杆腔接入液压系统，此时泵送系统处于“高压”工作状态；如图6b 所示，当球阀4、5、7关闭，3、6、8打开时，主油缸无杆腔联通，有杆腔接入液压系统，此时泵送系统处于“低压”工作状态。

二通球阀高低压切换方案原理与传统方案类似，但是将逻辑阀换成二通球阀。

该方案使用的元件简单、成本较低，但是管路较复杂。

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4
5
36
7
a 高压状态
b 低压状态
1. 泵送主油缸
2. 液压系统接口 3-8. 二通球阀
图2 二通球阀组高低压切换原理图
2.2 三通球阀方案
如图3所示，使用3个“L 型”三通球阀与主油缸组成高低压切换系统。

当球阀组处于图3a 所示状态时，主油缸无杆腔联通，有杆腔接入液压系统，泵送系统处于“低压”工作状态；当处于图3b 所示状态时，主油缸有杆腔联通，无杆腔接入液压系统，泵送系统处于“高压”工作状态。

三通球阀高低压切换方案有了很大的改进，将元器件的数量减少一半，而且管路较简单。

2.3 四通球阀方案
如图4所示，使用2个四通球阀与主油缸组成高低压切换系统。

当球阀组处于图4a 所示状态时，主油缸无杆腔联通，有杆腔接入液压系统，泵送系
统处于“低压”工作状态；当处于图4b 所示状态时，主油缸有杆腔联通，无杆腔接入液压系统，泵送系统处于“高压”工作状态。

四通球阀高低压切换方案将元器件数量减少到2个，管路也更简化了，但是四通球阀应用面较窄，制造也相对困难，降低了系统的经济性。

1
2
4
3
2
a 低压状态
b 高压状态
1. 泵送主油缸
2. 液压系统接口 3-4. 四通球阀
图4 四通球阀组高低压切换原理图
3 比较分析
综上所述使用二通球阀组所需要的球阀数量最多，为6个，所需要的管路也最复杂，需要6个三通接头；使用四通球阀组所需要的球阀数量最少，为2个，所需要的管路最简单，无需三通接头；使用三通球阀组所需球阀和管路都适中，球阀和三通接头各需3个。

由于二通、三通和四通球阀结构不同，相同通径的阀体结构尺寸及重量也有差别。

比较其球体大小可以作为制定其结构和重量的依据。

图5a 所示二通球阀，其球体半径R 2大约为球阀通径d 的0.8倍；图5b 所示三通球阀的球体，其半径
1
24
53
a 低压状态
b 高压状态
2
1. 泵送主油缸
2. 液压系统接口 3-5. 三通球阀
图3 三通球阀组高低压切换原理图
液压液力
HYDRODYNAMICS & HYDROSTATICS
R 3比二通球阀半径R 2略大，约为通径d 的1倍；图5c 所示的四通球阀，由于其内部有二条通道，球体半径R 4也较大，约为通径d 的1.5倍。

由于球体的体积及重量与其半径成3次方的关
系，在相同通径前提下，设三通球阀球体体积为1，则二通球阀球体体积约为0.51，四通球阀球体体积约为3.38。

据此可得出不同球阀重量之比，算出球阀组的相对重量。

d
d
d
R 2
R
3
R 4
a 二通
b 三通
c 四通
图5 三种球阀的球体示意图
另外，考虑到四通球阀内部有2条通路，结构较复杂，制造成本更高。

各种球阀组所组成的高低压切换系统的对比，如表1所示。

表1 三种球阀组高低压切换方案比较
方案球阀数量球阀组相对 重量管路
三通 接头数量系统发热综合成本二通球 阀组6 1.02复杂6较高较低三通球 阀组31较简单3较低较低四通球 阀组
2
2.25
简单
较低
较高
根据比较可知，以上3种方案各有长短，其适用范围也不同。

二通球阀方案适用于结构空间较大、液压系统压力较低的情况；四通球阀方案使用于对液压管路精简要求较高，但对系统重量要求不高的场合；三通球阀方案的经济性、通用性最好，适合于推广使用。

4 试验实例
以三一重工SY5160THB -23混凝土泵车的试验为例，该泵车应用传统阀块式高低压切换阀方案与三通球阀组高低压切换方案作为液压系统选配，并且进行了比较试验。

泵送系统主要参数及试验环境如下：混凝土理论排量90m 3/h 理论泵送压力7.8MPa 液压系统开式系统油压32MPa 系统排量50%环境温度
21℃
试验结论如表2及图6所示。

表2 两种高低压切换系统试验数据比较
对比方案高低压切换
系统重量系统 发热量系统综合成本系统 可行性液压阀块方案153kg 100%100%可行三通球阀方案
97kg
降低8%
降低24%
可行
2025303540液压系统温度/℃455055602
4
681012
泵送时间/min
球阀组方案阀块方案图6 两种方案系统温升曲线
（下转第110页）
加工制造
MANUFACTURING PROCESS
高压球阀组实现泵送系统高低压切换，具有经济性好、通用性高等优点，不同球阀类型所组成的系统，也有不同特点。

二通球阀组由于球阀数量多、管路复杂，优势不明显；三通球阀组在成本方面有较大优势，但与四通球阀组相比，球阀数量较多；四通球阀组管路最简单，但球阀本身重量较大，成本也较高。

因此，根据不同泵送设备及工况的特点，选择使用不同球阀组完成高低压切换功能，将能发挥其更大优势。

［参考文献］
［1］ 章华友等. 球阀设计与选用，北京科学技术出版社，
1994
［2］ 张国忠. 现代混凝土泵车及施工应用技术，中国建材
工业出版社，2004
［3］ 冀宏. 液压气压传动与控制，华中科技大学出版社，
2009
全固化。

图5 碳纤维力学性能试样表3 拉伸性能结果
厚度/mm
T S /MPa T M /GPa 1 1.5012701182 1.4811001143
1.50
1170
112
表4 层间剪切性能结果
宽度/mm 高度/mm P m /kN F sbs /MPa 114.497.138.8864.5214.207.209.2167.53
14.32
7.25
8.67
62.7
2468载荷/k N
位移/mm
图6 碳纤维层间剪切强度曲线
（3）使用热模拟工艺模拟制作样品的拉伸强度和层间剪切强度分别为1180MPa 和64.9MPa ，性
能优异，符合使用要求。

［参考文献］
［1］ 滕海燕. 中联CIFA “碳”系列泵车盘点.
建筑机械，
2011（24）：67-69.
［2］ S ourourS ，KamalMR.DifferentialScanningCalori
metryofepoxycure ：IsothermalCurekinetics ［J ］.ThermochimicaActa ，1976（14）：41-59.
［3］ 王洪恩，杨洋，陈璐圆，杨霓虹. 一种高温碳纤/环
氧预浸料的固化反应动力学. 航空制造技术，2013（23/24）：111-117.
（上接第106页）。