气动柱塞式灌浆泵和配浆机及自动配浆灌浆设备 本发明涉及一种灌浆工程用的配浆灌浆设备，特别是一种气动柱塞式灌浆泵和配浆机及自动配浆灌浆设备。
灌浆工程，特别是化学灌浆工程是一项非常复杂的工程，灌浆初期需要较大注浆流量和较小的压力，此时，需要灌浆设备提供较大功率和较小的压力，灌浆后期，需要较小的注浆流量和较大的压力，此时，需要灌浆设备提供较小的功率和较大的压力，而且要求注浆流量和压力要连续可调，避免产生浆压脉动现象。有些化学灌浆浆材为多组分，需随配随用，因此要求灌浆设备能进行双液法或多液法自动灌浆。
目前，广泛用于水电、冶金、煤炭、石油、交通、城建等领域的自动灌浆设备分为气压式、齿轮泵式、螺杆式和柱塞式四类，而柱塞式灌浆泵又有电动偏心轮驱动和液压驱动两种形式。其中气压式灌浆泵采用压缩气体直接驱动灌浆浆材，属于直接作用式，工作范围有限，浆压输出压力只能等于或小于供气压力(最高压力一般为0.6～1.0MPa)，工作压力范围有限，而现有齿轮泵式、螺杆式和柱塞式几种类型的灌浆泵虽可达到较高工作压力(可达20MPa)，但是由于采用定功率灌浆，即使灌浆量较小时，也需要较大功率维持高压，因此存在能源损耗大、设备发热、易损坏、结构复杂、清洗不便、重量大、压力调节复杂、低压时不能准确控制、浆压脉动等缺点，且无专门任意比例可调的配浆设备，无法实现自动化学灌浆。
本发明的目的就是针对上述产品的缺陷，提供一种结构简单，重量轻，能耗低，压力连续可调，输出浆压稳定，清洗维修方便的气动柱塞式灌浆泵，以弥补上述产品的不足。
本发明的另一目的，就是针对目前尚无专门任意比例可调的配浆设备，提供一种气动式柱塞式配浆机。
本发明还有一目的，就是提供一种可实现自动化学灌浆的自动配浆灌浆设备。
气动柱塞式灌浆泵的技术方案是这样实现的：它由驱动气缸、工作液缸和活塞组成，其特征是：驱动气缸上装有减压调压阀，换向电磁阀和行程控制开关，换向电磁阀通过进气管与驱动气缸的进气口连接，工作液缸端头装有单向进浆阀和单向出浆阀，驱动气缸通过活塞杆与工作液缸连接，压缩气体经减压调压阀，换向电磁阀后进入驱动气缸，推动活塞杆带动工作液缸地活塞往复运动；工作液缸的端头采用旋盖密封，单向进出浆管通过旋盖与工作液缸相连。
本发明通过变换驱动气缸和工作液缸的缸径比，以及调节减压调压阀，来实现液缸输出压力范围的扩大，采用0.1～1.0MPa驱动气压，可实现0.01～20MPa范围内压力的准确控制。其工作原理如下：设减压调压阀的调压系数为α，驱动气压为P0，驱动气缸缸径为D，工作液缸的缸径为d，工作液缸输出压力为P，则P=α×P0×(Dd)2]]>
即通过变换驱动气缸与工作液缸的缸径比(D/d)和调压系数(α)的大小即可调节输出浆压的大小。
气动柱塞式灌浆泵还可通过以下更优的技术方案实现：即采用双缸或多缸泵通过交替往复控制电路(图7)控制灌浆泵交替吸浆、压浆，这样可避免单缸灌浆泵在吸浆行程时间内输出浆压的回落，保证浆压稳定。如图3、图7所示，以双缸气动柱塞式灌浆泵为例，将行程开关22、23、25、24分别接在交替往复控制电路的开关K1、K2、K3、K4上，换向阀20、21分别接在F1、F2位置，通过(图7)控制电路进行控制。
气动柱塞式配浆机的技术方案是这样实现的：它是根据配浆组分的多少，选用多台气动柱塞式灌浆泵同步运行，各柱塞式灌浆泵的出浆管均与雾化器连接，雾化器通过管道与储浆桶相通。如图4、图6所示，将行程开关28、29、30、31分别接在同步往复控制电路的开关KA1、KA2、KB1、KB2上，换向阀26、27分别在FA、FB位置，通过(图6)控制电路进行控制。
本发明将多台气动柱塞泵组合使用，调节各泵间驱动气缸的行程及工作液缸缸径的比例，采用同步往复控制电路驱动其同步往复，组成任意比例(1∶1～1∶30)连续可调的气动柱塞式配浆机。其结构特征为在于行程可调的驱动气缸推动工作液缸；各泵的工作液缸缸径，根据组分比例有所不同；控制电路驱动各泵同步往复运动；雾化混合器使各组分均匀混合；驱动气缸行程可在设备运行过程中不停机进行调节。以两组分配浆机为例，其比例调整的原理如下：设A组分对应柱塞泵柱塞行程为LA，工作液缸的直径为dA，柱塞泵一次往复压出A组分体积为QA；B组分对应柱塞泵柱塞行程为LB，工作液缸的直径为dB，柱塞泵一次往复压出B组分体积为QB。因控制电路控制两个柱塞泵同步往复，则A、B组分配浆比例为QAQB=π(dA/2)2×LAπ(dB/2)2×LB=(dAdB)2×(LALB)]]>
即通过选配合适的工作液缸缸径比(dA/dB)，并调整柱塞行程比(LA/LB)即可准确控制A、B组分配浆比例。
自动配浆灌浆设备的技术方案采用以下技术方案实现：它是由气动式柱塞式配浆机和气动柱塞式灌浆泵串联组成，气动柱塞式灌浆泵的进浆管直接与配浆机的储浆桶连接。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用压缩气体作驱动力，无须电动机、高压油泵、油箱及设备冷却装置，因此结构简单，重量轻，搬运方便，无油污污染。且能在断电条件下持续工作。
2、本发明采用气压驱动，设备能量消耗以压缩气体的耗量计算，输出压力越高，输出浆量越大，则压缩气体耗量越大，可适应大范围灌浆实际功率的变化，能量损耗很少，由于气体的压缩储能作用，在高压小灌量情况下，压缩气体消耗极少，不会导致设备的升温，甚至压缩气体的采用还带来膨胀制冷的效果，在实际操作中产生设备的降温现象。气动柱塞式灌浆设备具备低功耗的优点。
3、采用气压驱动的柱塞泵，压力调节操作简单、输出浆压稳定。
4、采用压缩气体作为动力源且控制电路为小于36V的低电压，避免电动机等大功率用电部件，设备安全性增强，可适应水电、煤炭、石油等领域施工现场潮湿、供电能力无保证的施工条件。
5、化灌浆材可能污染、腐蚀密封件，活塞上的密封件需经常更换、驱动气缸与工作液缸为分离结构，且工作液缸进出浆端头采用旋盖设计，清洗拆卸方便。工作液缸即使损坏，只需要更换液缸部件，维修成本较低。
6、能进行双液法或多液法灌浆，浆材各组分的比例能够在机械运行过程中调节，即在不停机的情况下调节。
7、组成自动配浆-灌浆设备，整个系统做到密闭操作，可避免浆材中刺激，有毒的气体危害人体健康。
以下结合附图对本发明做进一步描述。
图1为单缸气动柱塞式灌浆泵结构示意图；
图2为同一驱动气缸装配不同缸径的工作液缸三种典型情况示意图；
图3为双缸气动柱塞式灌浆泵结构示意图；
图4为两组分气动柱塞式配浆机结构示意图；
图5为单缸气动柱塞式灌浆泵自动往复控制电路图；
图6为两组分气动柱塞式配浆机同步往复控制电路图；
图7为双缸气动柱塞式灌浆泵交替往复控制电路图；
图8为自动配浆灌浆设备组合示意图。
1、减压调压阀 2、换向阀 3、4、行程开关 5、磁环6、密封圈 7、进气口 8、气缸活塞 9、活塞杆 10、驱动气缸 11、进气口 12、液缸活塞 13、工作液缸 14、旋盖 15、单向进浆阀16、单向出浆阀 17、储浆桶 18、雾化混合器 19、储浆桶
气动柱塞式灌浆泵的工作过程是这样的：
如图1所示气动柱塞式灌浆泵驱动气源(0.1～1.0MPa压缩气体或其它气体)通过减压调压阀1进行压力调整供给换向电磁阀2，换向电磁阀2在自动往复控制电路(图5)的控制下，交替向驱动气缸两个通气口7、11供气，驱动气缸活塞8在压缩气体驱动下自动往复运动；工作液缸端头14装有单向进浆阀15和单向出浆阀16，工作液缸活塞的往复运动，导致工作液缸不断产生从储浆桶17吸浆、向灌浆管压浆的循环过程；气动柱塞式灌浆泵可装配不同直径的工作液缸缸体和活塞，若需提供比驱动气源压力更高的浆压，则应采用比驱动气缸直径更小的工作液缸，并配合减压调压阀1的调整范围，使其在要求浆压下能准确、稳定；若需提供比驱动气源压力低的浆压，则首先利用减压调压阀进行调节，若要求稳压范围低于减压调压阀的稳定工作范围，则采用比驱动气缸直径更大的工作液缸，再配合减压调压阀进行调整。图5电路由低压直流电源向电路供电，其中JA、JB为继电器，JA1为JA的常闭触点，JB1、JB2为JB的两组常开触点，K1、K2为图1中对应的行程开关3、4，F为图1中对应的换向阀2。换向阀2有两种状态：断电状态和通电状态，对应供气通路的两种情况：断电状态向进气口11供气，进气口7与大气相通，气缸活塞8在气压驱动下移向磁感开关4，开关4变为闭合状态；若此时向图5电路供电，则JB吸合，JB上常开触点JB1、JB2也随之吸合，改变换向阀F的通电状态，转为向进气口7供气，进气口11与大气相通的状态。活塞8在气压驱动下向行程开关3方向移动，开关4因活塞8的远离又变为开的状态。而此时JA1、JB1仍为闭合状态，持续向JB供电，保持其吸合状态，JB2也保持吸合状态，向换向阀2供电。因此活塞8持续向开关3移动，直至抵达开关3部位；开关3由于活塞8上磁环5的作用转为闭合状态，向JA供电，JA吸合，引起JA上常闭点JA1变为开；向JB供电断路，JB离合，引起JA上常闭点JA1变为开；向JB供电断路，JB离合，引起JB2断开，向换向阀2供电断路，则换向阀2转为向进气口11供气，进气口7与大气相通的状态。活塞也随之向开关4方向移动，直至抵达开关4完成一次往复，抵达开关4后，引起开关4状态改变，开始新一次往复。因此该电路可实现自动换向控制。
以上叙述的是单缸泵的工作过程，为避免单缸泵在吸浆行程时间内输出浆压的回落，可用两台或多台单缸泵通过交替往复控制电路(图7)控制交替吸浆、压浆(图3)。图7中JA、JB为继电器，JA1为JA的常闭触点，JB1、JB2为JB的常开触点，K1、K2、K3、K4分别为图3中对应的行程开关22、23、25、24，F1、F2分别为两泵的换向阀20、21。图7交替往复控制电路的工作过程是这样的：在断状态下，换向阀20、21的状态是使活塞分别靠近开关22、25，向电路供电时，开关22、25为闭合状态，则向JB供电，JB吸合，则JB1、JB2闭合，JB1起自锁作用，此时22、25即使断开仍可保持JB的吸合。JB2的闭合使换向阀30、31供电状态变化，其供气状态发生变化，推动活塞分别向开关23、24移动。当23、24同时变为闭合状态时，JA吸合，导致其常闭触点JA1的断路，引起JB的断电离合，JB2触点随之断开，换向阀20、21断电，活塞运动方向发生改变，分别向开关22、25移动，直至22、25同时闭合，又开始下一次的交替往复运动。本电路的特点是将两泵的不同端的行程开关23、24串联，22、25串联，使活塞交替往复运动。
气动柱塞式配浆机的工作过程如下：
如图4，气动柱塞式配浆机是由多台气动柱塞泵组合而成，其个数由浆材配方中组分个数决定。以两组分浆材配浆机为例，由两台气动柱塞泵组合而成，两台泵分别从两种组分的储浆桶中吸浆，通过单向进浆阀进入工作液缸中；自动往复控制电路(图6)可控制两台泵同步进行往复运动；两台工作液缸的缸径根据两组分间的比例选定：若两组分比例相差不大，可采用相同缸径的工作液缸，仅通过调整工作液缸的行程来调整两组分的比例；若两组分比例相差较大，则应采用不同缸径(dA/dB)的工作液缸并配合行程的调整进行两组分比例的准确调整。每组分工作液缸行程的调整是通过调整驱动气缸的行程开关间距(LA、LB)进行的，行程开关28、29、30、31为磁感应开关，位于驱动气缸缸体外部，其间距可在气动柱塞泵运行过程中方便地进行调整。两台泵分别压出的浆材通过雾化混合器18混合均匀后进入储浆桶19备用。同步往复控制电路图6中JA、JB、JC、JD、JE为继电器，JA1、JA2为JA的常开触点，JB1为JB的常闭触点，JC1为JC的常开触点，KA1、KA2、KB1、KB2为图4中对应的行程开关28、29、30、31，FA、FB为图4中对应的换向阀26、27。该电路的工作是这样的：在未向电路供电情况下，换向阀26的状态为将活塞向开关28方向推动，并停留在开关28的位置；换向阀27将活塞推向开关30位置，则开关28、30在断电状态下呈闭合状态。当向设备供电供气时，开关28、30闭合向JA供电，JA闭合，其触点JA1、JA2也随之闭合，则JB1、JA1闭合向JD供电，JA2、JC1闭合向JE供电，JD、JE则闭合。同时JD1、JE1、JD2、JE2也随之闭合，JD2、JE2的闭合引起两换向阀26、27供电状态的变化，两活塞分别向开关29、31移动，28、30又恢复断路状态，JA上JA1、JA2两触点又断开，但由于JD1、JE1触点在电路中的自锁作用，JD、JE仍吸合，保持JD2、JE2的吸合状态，26、27仍维持通电状态，活塞继续向29、31移动，直至它们分别抵达开关29、31位置，开关39、31闭合，分别导致JB、JC闭合，则常闭触点JB1、JC1分别断开，引起JD、JE供电状态的变化，导致JD2、JE2断路，则换向阀26、27分别断电换向，两活塞又向开关28、30移动，直至活塞都抵达开关28、30位置，开关28、30同时闭合，向JA供电，开始下一次循环往复，由于开关28、30的串联方式使两泵活塞每一次往复运动同步开始，使两泵的往复次数保持一致。
自动配浆灌浆设备的工作过程为配浆机和灌浆泵工作过程的总合。