一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵的制作方法

本实用新型注浆泵技术领域，尤其涉及一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵。

背景技术：

注浆广泛用于各类实际工程中，特别是在盾构掘进的过程中，壁后注浆和二次注浆是非常重要的施工工序。目前国内外隧道建设如火如荼，特别是盾构隧道建设也越来越多，而建设者所面临的施工环境也日趋复杂，类似于越江跨海隧道的建造面临着高水压环境的巨大挑战，在注浆过程中注浆压力、注浆量等因素不能明确，对盾构掘进效率和掘进姿态等影响巨大，急需通过室内试验进行研究探索。

室内注浆试验与实际注浆工程相比对注浆泵的要求不同，室内注浆试验更侧重于对试验数据的精确测量和控制；小流量和稳定的注浆压力是数据测量的前提，而目前市场上的注浆泵，普遍具有注浆压力不稳定、无法精确量化控制的问题，难以满足室内模型试验的需求。因此，为了更好的对室内模型试验中注浆过程进行研究，有必要研究一种室内模型试验用的智能无脉冲注浆泵。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供了一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：

本实用新型的实施例提供的一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵，其特征在于，该装置包括：泵身、活塞杆、泵送系统、浆液储存箱、推进油缸、液压系统和PLC控制系统，所述泵送系统安装在所述泵身上，所述泵送系统通过所述活塞杆与所述推进油缸连接，所述液压系统置于所述PLC控制系统与所述推进油缸之间，所述浆液储存箱与所述泵送系统连接；

所述PLC控制系统控制所述液压系统向所述推进油缸提供动力，让所述推进油缸带动所述活塞杆进行上下往复运动，在所述泵送系统内产生压力变化，从而将所述浆液储存箱内的注浆液提供给所述泵送系统，再从所述泵送系统将注浆液向外送出。

优选地，所述装置还包括：输浆管和出浆管；

所述输浆管置于所述浆液储存箱和所述泵送系统之间，用于将所述浆液储存箱内的注浆液输送到所述泵送系统；

所述出浆管用于连接所述泵送系统并向外引出，将所述泵送系统内的注浆液向外送出。

优选地，所述泵送系统包括：钢球、钢球支撑环、进浆口、出浆口、有杆腔和无杆腔；

所述进浆口位于所述泵送系统底部的中心位置，所述出浆口置于所述泵送系统的上端边沿，所述有杆腔在所述泵送系统的上部，所述无杆腔在所述泵送系统的下部，所述钢球为两个，分别为钢球1和钢球2，所述钢球支撑环为两个，分别为钢球支撑环1和钢球支撑环2，所述钢球1置于所述有杆腔与所述无杆腔之间的所述钢球支撑环1上，所述钢球2置于所述无杆腔与所述进浆口之间的钢球支撑环2上。

优选地，所述钢球，用于在所述活塞杆进行上下往复运动时，对所述有杆腔和所述无杆腔的底部进行密封，当所述活塞杆向上运动时，所述钢球1密封所述有杆腔的底部，当所述活塞杆向下运动时，所述钢球2密封所述无杆腔的底部；

所述进浆口，用于安装所述输浆管，将所述泵送系统与所述输浆管进行连接；

所述出浆口，用于安装所述出浆管，将所述泵送系统与所述出浆管进行连接；

所述有杆腔，用于置放所述活塞杆，并随着所述活塞杆的上下运动改变体积和腔内压力；

所述无杆腔，用于连接所述输浆管，并根据所述有杆腔体积和腔内压力的变化而改变体积和腔内压力。

优选地，所述活塞杆，从所述推进油缸一直延伸到所述有杆腔的底部；

在所述活塞杆的底部设置开口，将所述有杆腔与所述无杆腔之间形成通路进行连通，当所述活塞杆向下运动时，注浆液从所述无杆腔进入所述有杆腔；

在所述有杆腔与所述无杆腔之间的通路，通过所述钢球1控制通断。

优选地，所述泵送系统还包括：O型圈密封件、耐磨环、导向套、内法兰、YS圈密封件和耐磨生铁件，所述导向套、所述内法兰和所述YS圈密封件置于所述泵送系统的顶部，所述耐磨环和所述耐磨生铁件置于所述有杆腔与所述无杆腔之间；

所述O型圈密封件为5个，其中，两个安装于所述泵送系统的顶部，用于分别密封所述导向套与所述泵身的接触处，以及密封所述导向套和所述内法兰的接触处；两个分别位于所述钢球支撑环1和所述钢球支撑环2上，用于密封所述密封钢球支撑环1及其周围连接件，以及密封所述密封钢球支撑环2及其周围连接件；一个位于所述耐磨生铁件与所述活塞杆的底部；

所述导向套置于所述泵送系统的底部，与所述内法兰螺纹连接，并与所述泵送系统的外壳进行螺纹连接，所述导向套与所述活塞杆之间还安装防尘圈，用于起到防尘和二次动态密封的作用；

所述YS圈密封件置于所述内法兰与所述活塞杆之间，用于在所述活塞杆与所述内法兰之间进行动态密封，密封压力达5Mpa；

所述耐磨生铁件置于所述活塞杆底部，在所述耐磨生铁件上下各安装一个所述耐磨环，所述耐磨生铁件用于，在所述耐磨环被磨坏后起到保护所述活塞杆的作用。

优选地，所述液压系统还设置伺服阀，所述PLC控制系统将控制信号发送到所述伺服阀，利用所述伺服阀实现对所述推进油缸的控制。

优选地，所述PLC控制系统，用于控制和记录所述泵送系统的注浆压力和注浆量，所述PLC控制系统通过向所述液压系统发送控制信号，从而对所述推进油缸进行控制，实现对注浆压力的控制；

在所述PLC控制系统的控制作用下，所述泵送系统的注浆压力范围为：0～5Mpa，精度为：0.1Mpa；

所述PLC控制系统通过控制所述泵送系统的注浆速度，从而实现对注浆量的控制，所述注浆速度的计算公式为：

当活塞杆向上运动时：

v注浆＝πv油缸(R1²-R0²)， (1)

当活塞杆向下运动时：

v注浆＝πv油缸R0²， (2)

其中：v注浆为注浆泵的注浆速度，v油缸为油缸的注浆速度，R1为泵送系统的内径，R0为活塞杆的半径；

v油缸的值，通过所述PLC控制系统进行设定；

为保证注浆的连续性，保持所述活塞杆进行往复运动的v注浆不变，则需要满足：

优选地，在所述PLC控制系统的控制作用下，所述推进油缸带动所述活塞杆进行上下往复运动，从而实现注浆的具体运行过程如下：

当所述活塞杆向上运动时，所述有杆腔体积迅速减小，所述钢球1被注浆液压住密封，注浆液从所述出浆口挤出，实现注浆，所述无杆腔内的压力减小，所述钢球2被所述进浆口的注浆液挤开，注浆液进入并储存于所述无杆腔内；

当所述活塞杆向下运动时，所述钢球2受压力作用对所述无杆腔进行密封，所述无杆腔内的注浆液挤开所述钢球1进入所述有杆腔，并从所述出浆口向外挤出，所述无杆腔内的注浆液也会从所述出浆口挤出，实现注浆。

由上述本实用新型的实施例提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例通过利用PLC控制系统传递信号给液压系统的伺服阀，从而控制推进油缸带动活塞杆进行上下往复运动，在活塞杆的运动下改变泵送系统内的压力，从而实现连续注浆。本实用新型克服了传统注浆系统的注浆压力不稳定、不可控的缺点，可实现大流量、高压力，高精度的注浆需求，有效的对注浆量、注浆速度实现定量控制和监测，同时往复运动时，在同等速度下实现相同注浆量，可为实现精确控制提供保证。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵的泵送系统细节图；

其中，1-泵身，2-活塞杆，3-泵送系统，4-浆液储存箱，5-输浆管，6-出浆管，7-推进油缸，8-液压系统，9-PLC控制系统，10-钢球，11-O型圈密封件，12-耐磨环，13-进浆口，14-出浆口，15-有杆腔，16-无杆腔，17-导向套，18-内法兰，19-YS圈密封件，20-钢球支撑环，21-耐磨生铁件。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。

实施例一

本实用新型实施例提供了一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵，利用PLC控制系统传递信号控制推进油缸的活动，从而调节活塞杆的运动，改变泵送系统中的有杆腔和无杆腔内的压力，实现注浆速度相同，并能在活塞杆上下运动时均能实现无脉冲的连续注浆。

本实用新型实施例提供的一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵的结构示意图如图1所示，该装置包括：泵身、活塞杆、泵送系统、浆液储存箱、输浆管、出浆管、推进油缸、液压系统和PLC控制系统，泵送系统安装在泵身上，泵送系统通过活塞杆与推进油缸连接，液压系统置于PLC控制系统与推进油缸之间，浆液储存箱通过输浆管与泵送系统连接，出浆管与泵送系统连接。

该装置各部件的具体内容如下：

(1)泵送系统

本装置提供的一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵的泵送系统的结构示意图如图2所示，泵送系统包括：钢球、钢球支撑环、进浆口、出浆口、有杆腔、无杆腔、O型圈密封件、耐磨环、导向套、内法兰、YS圈密封件和耐磨生铁件。进浆口位于所述泵送系统底部的中心位置，出浆口置于所述泵送系统的上端边沿，有杆腔在所述泵送系统的上部，无杆腔在所述泵送系统的下部，钢球为两个，分别为钢球1和钢球2，所述钢球支撑环为两个，分别为钢球支撑环1和钢球支撑环2，所述钢球1置于所述有杆腔与所述无杆腔之间的所述钢球支撑环1上，所述钢球2置于所述无杆腔与所述进浆口之间的钢球支撑环2上。导向套、内法兰和YS圈密封件置于所述泵送系统的顶部，耐磨环和耐磨生铁件置于所述有杆腔与所述无杆腔之间。

A、钢球和钢球支撑环

钢球，用于在所述活塞杆进行上下往复运动时，对所述有杆腔和所述无杆腔的底部进行密封，当所述活塞杆向上运动时，所述钢球1密封所述有杆腔的底部，当所述活塞杆向下运动时，所述钢球2密封所述无杆腔的底部。

钢球支撑环，用于放置钢球。

B、进浆口和出浆口

进浆口，用于安装所述输浆管，将所述泵送系统与所述输浆管进行连接。

出浆口，用于安装所述出浆管，将所述泵送系统与所述出浆管进行连接。

C、有杆腔和无杆腔

有杆腔，用于置放所述活塞杆，并随着所述活塞杆的上下运动改变体积和腔内压力。

无杆腔，用于连接所述输浆管，并根据所述有杆腔体积和腔内压力的变化而改变体积和腔内压力。

D、O型圈密封件和YS圈密封件

O型圈密封件为5个，其中，两个安装于所述泵送系统的顶部，用于分别密封所述导向套与所述泵身的接触处，以及密封所述导向套和所述内法兰的接触处；两个分别位于所述钢球支撑环1和所述钢球支撑环2上，用于密封所述密封钢球支撑环1及其周围连接件，以及密封所述密封钢球支撑环2及其周围连接件；一个位于所述耐磨生铁件与所述活塞杆的底部。

YS圈密封件置于所述内法兰与所述活塞杆之间，用于在所述活塞杆与所述内法兰之间进行动态密封，密封压力可达5Mpa。

E、耐磨环和耐磨生铁件

耐磨生铁件置于所述活塞杆底部，在所述耐磨生铁件上下各安装一个所述耐磨环，所述耐磨生铁件用于，在所述耐磨环被磨坏后起到保护所述活塞杆的作用。

F、导向套和内法兰

导向套置于所述泵送系统的底部，与所述内法兰螺纹连接，并与所述泵送系统的外壳进行螺纹连接，所述导向套与所述活塞杆之间还安装防尘圈，用于起到防尘和二次动态密封的作用。

(2)活塞杆

活塞杆，从所述推进油缸一直延伸到所述有杆腔的底部。

在所述活塞杆的底部设置开口，将所述有杆腔与所述无杆腔之间形成通路进行连通，当所述活塞杆向下运动时，注浆液从所述无杆腔进入所述有杆腔。

在所述有杆腔与所述无杆腔之间的通路，通过所述钢球1控制通断；当钢球1位于所述钢球支撑环的正上方，则所述有杆腔与所述无杆腔之间的通路断开，当钢球1离开所述钢球支撑环的正上方，则所述有杆腔与所述无杆腔之间的通路打开。

(3)输浆管和出浆管

输浆管置于所述浆液储存箱和所述泵送系统之间，用于将所述浆液储存箱内的注浆液输送到所述泵送系统。

出浆管用于连接所述泵送系统并向外引出，将所述泵送系统内的注浆液向外送出。

(4)液压系统

液压系统用于连接PLC控制系统和推进油缸。

液压系统还设置伺服阀，所述PLC控制系统将控制信号发送到所述伺服阀，利用所述伺服阀实现对所述推进油缸的控制。

(5)推进油缸

推进油缸由所述液压系统提供动力实现推进控制，在伺服阀传递的控制信号作用下进行往复运动，并带动活塞杆进行上下运动。

(6)PLC控制系统

PLC控制系统，用于控制和记录所述泵送系统的注浆压力和注浆量，所述PLC控制系统通过向所述液压系统发送控制信号，从而对所述推进油缸进行控制，实现对注浆压力的控制。

在所述PLC控制系统的控制作用下，所述泵送系统的注浆压力范围为：0～5Mpa，精度为：0.1Mpa。

PLC控制系统通过控制所述泵送系统的注浆速度，从而实现对注浆量的控制，所述注浆速度的计算公式为：

当活塞杆向上运动时：

v注浆＝πv油缸(R1²-R0²)， (1)

当活塞杆向下运动时：

v注浆＝πv油缸R0²， (2)

其中：v注浆为注浆泵的注浆速度，v油缸为油缸的注浆速度，R1为泵送系统的内径，R0为活塞杆的半径。

v油缸的值，通过所述PLC控制系统进行设定。为保证注浆的连续性，保持所述活塞杆进行往复运动的v注浆不变，则需要满足：

在所述PLC控制系统的控制作用下，所述推进油缸带动所述活塞杆进行上下往复运动，从而实现注浆的具体运行过程如下：

当所述活塞杆向上运动时，所述有杆腔体积迅速减小，所述钢球1被注浆液压住密封，注浆液从所述出浆口挤出，实现注浆，所述无杆腔内的压力减小，所述钢球2被所述进浆口的注浆液挤开，注浆液进入并储存于所述无杆腔内；

当所述活塞杆向下运动时，所述钢球2受压力作用对所述无杆腔进行密封，所述无杆腔内的注浆液挤开所述钢球1进入所述有杆腔，并从所述出浆口向外挤出，所述无杆腔内的注浆液也会从所述出浆口挤出，实现注浆。

实施例二

该实施例提供了一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵，其具体实现结构如图1所示，具体可以包括如下的部件：

一种室内模型试验用智能无脉冲注浆泵，包括：泵身1、活塞杆2、泵送系统3、浆液储存箱4、输浆管5、出浆管6、推进油缸7、液压系统8和PLC控制系统9；所述泵送系统3安装在所述泵身1上，所述泵送系统3通过活塞杆2与所述推进油缸7连接，所述推进油缸7由所述液压系统8提供动力实现推进控制，所述PLC控制系统9将信号传递至所述液压系统8上的伺服阀，控制所述推进油缸7的往复运动，所述泵送系统3连接所述输浆管5和所述出浆管6，所述输浆管5连接所述浆液储存箱4，为所述泵送系统3提供充足的浆液。

泵送系统3包括：钢球10、O型圈密封件11、耐磨环12、进浆口13、出浆口14、有杆腔15、无杆腔16、导向套17、内法兰18、YS圈密封件19、钢球支撑环20和耐磨生铁件21。

出浆口14安装于所述泵送系统3上部，进浆口13安装于所述泵送系统3的底部中心。

钢球10安置于所述有杆腔15与钢球支撑环处和无杆腔16与所述进浆口间的圆环处，分别用于活塞上下运动时腔体底部的密封。

O型圈密封件11包括五个，其中，两个安装于所述泵送系统3的顶部，分别密封所述导向套17与泵身的接触和所述导向套17和所述内法兰18的接触；两个位于所述钢球支撑环20上，用于密封钢球支撑环20与连接件；一个位于生铁固定件21与所述活塞杆2底部。

在注浆泵中，O型圈密封件可采用四氟圈密封件等实现高压密封，从而达到小流量、高压力注浆效果。

导向套17与所述内法兰18间螺纹连接，所述导向套17与所述泵送系统泵身间螺纹连接。

活塞杆2底部开口，使得所述有杆腔15与所述无杆腔16形成通路，可在所述活塞杆2向下运动时浆液可从所述无杆腔16进入有杆腔15，有效的实现浆液连续注入。

活塞杆2底部与泵身间安装耐磨生铁件21，所述耐磨生铁件21上下各安装一个所述耐磨环12，所述耐磨生铁件21加工公差较小而且耐磨，其作用是二次耐磨，在所述耐磨环12磨坏后起到保护活塞杆的作用。

内法兰18与所述活塞杆2间安装YS圈密封件19，用于所述活塞杆2与所述内法兰18间的动态密封，密封压力可达10Mpa，所述导向套17与所述活塞杆2间安装防尘圈，起到防尘和二次动态密封作用。

液压系统8安装伺服阀，通过对推进油缸7的控制实现对注浆压力的精确控制；所述PLC控制系统9可控制和记录注浆压力和注浆量。

所述的注浆泵可实现的注浆压力范围为0～5Mpa，精度为0.1Mpa，注浆速度可控，可通过下列公式计算：

向上：v注浆＝πv油缸(R1²-R0²)

向下：v注浆＝πv油缸R0²

其中：v注浆为注浆泵的注浆速度；v油缸为油缸的注浆速度，可以通过PLC控制系统9进行设定；R1为泵送系统的内径；R0为活塞杆的半径，保证注浆的连续性，活塞杆往复运动保持v注浆不变，

所述的无脉冲注浆体现在：

当活塞杆向上运动时，有杆腔体积会迅速减小，此时钢球被浆液压住密封，浆液将会被从出浆口挤出实现注浆，同时无杆腔压力减小，下部钢球会被进浆口的浆液挤开，浆液将储存于无杆腔。

当活塞杆向下运动时，下部钢球受压密封无杆腔，无杆腔浆液会挤开上部钢球进入有杆腔，由于无杆腔体积较大，因此浆液也会从出浆口挤出，实现活塞杆的上下运动都起到注浆效果。注浆速度相同，同时上下运动均能实现注浆，无脉冲，连续性好。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型结构简单，通过PLC控制系统传递信号控制液压油缸的活动，调节活塞杆的运动实现注浆，采用四氟圈密封件等实现高压密封，实现小流量、高压力注浆效果，适用于室内高水压模型注浆试验。

(2)本实用新型采用PLC控制系统对液压系统的伺服阀传递信号，控制油缸的往复运动，实现注浆压力、注浆量的精确控制，本实用新型只需输入数据就能对设备的操作实现智能化、自动化控制。

(3)本实用新型实现对液压系统的控制和数据的反馈可对试验中的注浆压力实现控制，保证注浆压力和注浆速度的稳定。

(4)本实用新型中活塞杆的往复运动均能实现注浆，无脉冲，连续性好，注浆效率高。

综上所述，本实用新型实施例通过利用PLC控制系统传递信号给液压系统的伺服阀，从而控制推进油缸带动活塞杆进行上下往复运动，在活塞杆的运动下改变泵送系统内的压力，从而实现连续注浆。本实用新型克服了传统注浆系统的注浆压力不稳定、不可控的缺点，可实现大流量、高压力，高精度的注浆需求，有效的对注浆量、注浆速度实现定量控制和监测，同时往复运动时，在同等速度下实现相同注浆量，可为实现精确控制提供保证。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。