混凝土泵车柔性臂架系统的建模与仿真设计VIP

第 I 页 共 49 页 摘要 混凝土泵车是集输送成品混凝土和浇筑工序于一体的建筑机械，在将预拌好的凝 土输送到作业地点的过程中，可连续均匀快速地输送，使混凝土不易离析，质量得到保证，是现代建筑不可缺少的工程机械。经过 20 余年的发展，我国的混凝土泵车已经从完全依赖国外进口逐步实现了设计制造的国产化，但是，臂架系统很多国内的企业仍然依赖国外进口，然而在泵车的设计制造过程中，臂架系统却是泵车的最重要组成部分，因此对混凝土泵车臂架进行研究具有非常重要的意义。 本论文在参考资料的基础下在混凝土泵车臂架系统的研究设计上，根据参数，选定 37 米 为臂架总长度，进一步选定臂架的节数，以及各节臂的长度，截面形式，铰接形式，机构形式，通过计算确定各个臂架铰接处的连杆，角杆长度，以及油缸行程，同时，进一步设计各零部件的尺寸和参数，并对其重要部分进行校核。 同时，本文在根据设计出的参数，使用 模，绘制了三位的零件图和三位装配图，进一步更直观的了泵车臂架的结构。 关键词：混凝土泵车 臂架 仿真 第 共 49 页 is a of in of to is an in of 0 s to by in of on is of to of 7 on in , of of by at of of in of a of 第 3 页 共 49 页 目录 第一章 绪论 . 1 内外混凝土泵车的概况 . 1 内外混凝土泵车主要生产厂家介绍 . 3 凝土泵车发展趋势 . 3 究混凝土泵车臂架的目的和意义 . 5 第二章 混凝土泵车的构造及工作原理 . 6 . 6 凝土泵车的臂架系统介绍 . 7 . 7 . 7 . 8 . 8 . 8 . 10 . 10 . 11 第三章 泵车臂架的总体设计 . 12 架形式设计 . 12 凝土折叠方式的选择 . 13 送布管方式的设计 . 15 车臂架的展开 与折叠动作顺序 . 16 架典型部件特点 . 16 架变幅机构设计以及各油缸和连杆角杆的设计 . 18 第四章 凝土泵车布料空间分析 . 28 第五章 混凝土泵车臂架受力分析 . 30 . 30 凝土泵车臂架的强度分析 . 30 凝土泵车臂架的各连接处的受力分析 . 32 第六章 混凝土泵车臂架的三维建模 . 35 第 4 页 共 49 页 . 35 凝土泵车臂架的零件模型 . 35 凝土泵车臂架 的装配图模型 . 39 第七章 全文总结 . 41 作总结 . 41 作展望 . 41 参考文献 . 43 致谢 . 45 第 1 页 共 49 页 第一章 绪论 内外混凝土泵车的概况 自从水泥发明之后，混凝土的输送和浇灌问题一直是人们研究的对象，传统的建筑施工方式是采用吊斗，效率低，强度大，不能满足现在工业化的需求，直至二十世纪初期欧洲就一直在研究混凝土输送泵，但是效果不好，未能得到推广应用，直至二十世纪五十年代，德国师维英公司才生产了世界上第一踩液压驱动的拖式混凝土输送泵，是拖式混凝土 输送泵得到了迅猛的发展，结构不断完善，泵送能力不断增强，到目前为止，混凝土泵送高度已达 532m，泵送最长水平距离已达 2015m，最大理论泵送量达 200m3/大地提高了生产效率，尤其是在高层建筑施工中，已经成为必备的设备，但是，在使用过程中，人们逐渐发现了拖泵的一些局限性： （一）拖泵使用时必须在建筑物上铺设管道，准备工作量大 （二）随着浇灌的位置的不断改变，必须人工将管道出口不断移动，很不方便 （三）拖泵总在固定的地点工作直到工程完成，这种工作方式实用设备利用率很低。 针对拖泵的 这些不足，在二十世纪七十年代，研制出了集驾驶、泵送、布料功能为一体的混凝土泵车。 图 凝土泵车 混凝土泵车是将用于泵送混凝土的泵送机构用于布料的臂架集成在汽车底盘上的专用车辆。工作时，利用汽车底盘柴油发动机的动力，通过分动箱将动力传给液压 第 2 页 共 49 页 泵，然后带动混凝土泵送机构和臂架系统，泵送系统将料斗中的混凝土加压送入管道中，管道附在臂架上，臂架可移动，从而将泵送机构泵出的混凝土直接送到浇灌点。 与拖泵相比，泵车有以下优越性： （一）臂架上附着管道， 无需另配管道，开到工作地点之后，很快就能打开臂架进行工作，通常在半个小时内准备就绪，准备时间短。 （二）配备液压卷折式臂架，在工作范围内能灵活的转动，不了方便快捷，而且泵送速度快，一般在 90m3/h150m3/h，工作效率高。 （三）自动化程度高，整台泵车从泵送到布料均能有一个人操作，一般配备无线遥控系统，操作方便。 （四）机动性能好，在一个工程作业完成之后能迅速转移到另一个工程继续作业，能同时负责几个工程的混凝土泵送，设备利用率高。 尽管泵车有许多的优点，但也有自己的局 限性，如泵送高度收到臂架的限制，施工所需的场地比较大，对混凝土的要求也比拖泵高。 随着我国经济的发展，为了加强城市建设发展，保障工程建设质量，加快工程建设速度，改善城市环境，减少工程施工对城市环境的污染，一些大中城市已经禁止在施工现场搅拌混凝土，促使预拌混凝土成为政府部门的政策引导方向。 2001 年三月国家建设部颁布公路工程施工总承包企业资质等级标准，其中规定一级企业必须有四台以上的泵车，二级企业必须有 2 台以上的泵车，这一政策有力的促进了混凝土泵车的发展。另外，根据国家经贸委发布的散装水泥发展十五规划 ， 2003 年 12月 31 日起，直辖市，省会城市、沿海开放城市和旅游城市要积极发展预拌混凝土，禁止在城区现场搅拌混凝土；其他城市 2005 年 12 月 31 日起，禁止在城区现场搅拌混凝土，产业政策的推动使得混凝土泵车在我国进入了迅猛发展的时期。 我国的泵车最早使用开始于 1979 年，当时从日本引进泵车在上海宝钢进行施工，1982 年湖北建设机械厂从日本“石川岛”引进臂架生产技术开始生产泵车成为我国国内第一家混凝土泵车的生产厂。随着建筑业的发展，泵车生产厂家逐渐增多，但是臂架部分开始大部分是进口，如中联重科、辽宁海诺从意大 利进口臂架、安徽星马从日本极东引进臂架，徐州工程机械厂从普茨迈斯特引进臂架等等，现在逐步发展为自制为主进口为辅的配套模式。 1999 年三一重工开始自行研制 37 米长臂架混凝土泵车，成为国内最早自行研制长臂混凝土泵车的企业。现在我国混凝土泵车生产厂家有十余家，生产能力主要集中在三一重工、中联重科、安徽星马、徐工科技、辽宁海诺、上海普斯麦斯特等几个企业。其中三一重工约占国内市场的 50%以上。 欧洲是最早生产发明混凝土泵车的地区，德国主要生产的厂家有：普斯麦斯特公司、师英公司，莱西公司等。意大利近几年也在混凝土泵车方 面发展迅速，主要有西法公司、莫克波公司、赛马公司等。 在亚洲，日本从上世纪七十年代就开始大力发展混凝土泵车，主要生产厂家有：石川岛播磨、三菱重工、极东开发等，在韩国则有全进，韩宇和现代三星等企业，近几年在混凝土泵车方面整体水平要低于欧洲，目前只有日本极东开发和韩国全进、韩宇等少数几家在国际市场上有一定的影响力。 第 3 页 共 49 页 内外混凝土泵车主要生产厂家介绍 （一）三一重工 三一重工是我国第一家独立设计臂架并生产混凝土泵车的企业，也是全国最大的混凝土泵车生产基地，所生产的混凝土泵车被湖南省科学技 术委员会认定为高新技术产品。 2005 年，“混凝土泵送关键技术研究及其应用”获得国家科学技术进步二等奖；2006 年，三一牌混凝土泵车系列获得“中国名牌产品”称号。 据统计从 1996 年至 2006 年，三一重工共生产泵车 3500 多台，三一系列泵车为公司和社会带来了巨大的经济效益和社会效益。目前，三一泵车产品已经取代进口品牌，市场占有率居中国第一，而且打入国际市场，远销俄罗斯、澳大利亚、阿联酋等国家地区。 （二）德国普茨迈斯特 普茨迈斯特是世界著名的建筑机械制造商之一，因其专利技术一型阀 (又称象鼻阀 )而 著称，所以在中国又叫大象公司，其成立于 1958 年，主要从事开发、生产混凝土泵车、拖泵等。其混凝土泵车特点：臂架折叠方式多为 R 型；泵送排量大、规格多；支腿型主要采用 X 支腿、前摆式多级伸缩支腿。 （三）德国施维英 施维英创建于 1934 年，主要有以下四种产品：混凝土搅拌车、混凝土泵车和混凝土回收站。 1995 年 10 月在中国投资成立了上海施维英机械制造公司。其混凝土泵车臂架长度从 16 到 61 米多重规格，臂架均为四节，结构较为轻巧。分配阀多采用裙阀和 S 阀。 （四）中联重科 主要从事混凝土泵车输送机械。 起重机械、路面机械等装备的研究开发和生产，其前身为长沙建设机械研究院。 2001 年开始生产混凝土泵车，开始主要从意大利进口臂架进行组装，逐步改为短臂架自制长臂架进口的生产模式，现主要产品有 37 米、44 米和 47 米混凝土泵车。 凝土泵车发展趋势 随着技术的更新进步，泵车的发展表现在以下几个方面 一、 臂架系统方面 泵车的作业范围受臂架长度的制约，臂架长度越长其作业范围越大，适用范围也越广，但臂架越长，车辆行驶尺寸也越长，泵车在行驶及施工时往往受限。但总的来说，随着科技的发展，混凝土泵车随着臂架更长的 方向发展。上世纪七、八十年代泵车臂架长度普遍在三十米以下，到了九十年代， 36 米、 37 米泵车成为主流，近几年42 米、 45 米、 48 米泵车普遍受到客户青睐，增长迅速。目前三一重工生产的泵车臂架已经达到 66 米，成为世界最长臂架。国外泵车臂架长度最长为 65 米。为了适合在狭窄空间施工作业的需要，国内外厂家普遍采用 R 型、 Z 型等多节臂折叠方式和单侧支撑技术，使得作业更加灵活，更便于狭窄施工场所所作业。 二、 泵送系统方面 第 4 页 共 49 页 由于一些大型工程的施工需要，为满足在短时间内浇灌大量混凝土的需要，泵车的泵送排量不断增大。上世纪九十 年代，混凝土泵车理论排量一般在 90m3/h 左右，而现在混凝土泵车理论排量都在 100m3/h、 140m3/h 左右，国外最大理论排量达到200m3/h。泵送系统配置大直径的输送缸（直径为 230260280具有吸料性好，换向次数少的优点，不仅减少了磨损，而且降低了运营成本。分配阀主要采用 S 阀。在易损件耐磨性方面，采用新耐磨材料、新工艺、新技术、较好地解决了易损件磨损快、更换频繁、影响设备正常施工等问题，使其寿命大大提高。 三、 节能技术方面 目前一般的泵车在任何工作强度下都是同一种耗油模式， 因此在某些低耗油的工作状态下，泵车就会出现高油耗的现象，给资源带来了极大地浪费。针对这种情况，通过计算机自动判断负载情况，并自动设定耗油模式，大大节约了成本。 四、 自动化、智能化方面 自动化、智能化是所有设备追求的目标，对于环境恶劣、劳动强度大的混凝土泵送设备尤其重要。目前混凝土泵车自动化技术已取得一定成就，比如：三一重工的专利技术全自动高低切换、泵送排量无级调节、活塞自动退回、发动机转速闭环控制等，但这些还远远不够。今后混凝土泵车将是电液高度集成，充分利用数字控制技术、智能传感等技术的高科技产品，主要 有以下的特点： （一） 防堵管控制 堵管是混凝土泵送经常遇到的事。堵管若能及早发现并采取正确的措施，一般都能排除，但发现太晚或者没有采取正确的措施，管道就可能堵死，引起长时间的施工中断，甚者影响建筑质量。防堵管控制采用压力传感器实时监测管道，当堵塞发生时，管道内压力会出现异常，压力传感器会将这一异常讯号传到控制机构，控制机构当即发出警示，同时自动采取疏通措施：先反泵 2、 3 次，然后根据堵塞的情况调整泵送参数后进行正泵疏通。由于计算机自动控制，总能在第一时间内采取正确的措施，杜绝堵管的发生，保障施工顺利进行。 （二） 智能臂架 目前泵车臂架只能由操作者直接控制每一节臂架的动作，使臂架运动到理想的工作位置。而智能臂架的每一节臂都装有位置传感器，通过计算机就能按规定程序控制臂架实现初始时的自动展开和用毕之后的自动收拢；只需要给出泵车不加末端出料口的位置，就能实现多臂节的协调动作，使臂架自动以最佳形态平稳移动到目标位置，简化了臂架操控过程，提高了控制精度，也提高了施工效率。也可以预先设定臂架末端出口移动路线，使泵车臂架安程序设定的方式连续布料。 （三） 防倾翻保护 受限混凝土泵的支腿展开后了自动进行地面、支腿位置以及整 机水平等一系列的检测，发现有问题将会报警并锁住臂架不能展开。臂架在运动的时候，仍会时刻监控整车的稳定性，发现四条支腿受力出现不稳定的情况时，臂架会自动停止向危险的方向运动，同时发出警示。最大限度的保障安全。 （四） 故障诊断 由于数字控制技术、智能传感等技术的发展，最终将会出现故障自诊断技术，混 第 5 页 共 49 页 凝土泵车将会有一个良好的人机界面。计算机会对整机进行监控，出现问题时，计算机能自动识别并通过人机界面与操作者进行交流，明确显示故障的部位及故障的类型。比如活塞磨损到一定程度，系统会自动提示更换活塞；或者是转速不对、功 率不足等等，系统都能自动向操作者提示。 五、 整机重量方面 由于新材料的应用、计算方法及实验手段更加完善，使得布料臂的设计更加灵活、自重更轻、性能更强。 究混凝土泵车臂架的目的和意义 在国外，混凝土泵车已使用的很普遍，欧美等工业发达国家，在三、四十年代，即已开始制造使用混凝土泵车，进入上世纪八十年代，混凝土泵车的性能结构已相当稳定成熟。随着改革开放的不断深入，生产建设全面启动，城市建设规模越来越大，到 2005 年，城市数量将达 800 个，城镇人口将超过 4 亿，老城市改造和新城市建设中混凝土建筑工程将大幅增加 。 进入 21 世纪，纵观全球经济发展趋缓，而我国经济仍处于高速发展阶段，散装水泥发展“十五”规划给混凝土机械行业提供了巨大的发展商机，根据散装水泥发展“十五”规划发展目标要求，直辖市、省会城市、沿海开放城市和旅游城市要积极发展预拌混凝土， 2003 年 12 月 31 日起，禁止在城区现场搅拌混凝土；其它城市 2005 年 12 月 31 日起，禁止在城区现场搅拌混凝土。 到 2005 年，预拌混凝土生产能力要达到 3 亿立方米，预拌混凝土占混凝土浇筑总量的比例达到 20%，其中大中城市要达到 50%以上。现在全国商品混凝土总量还不足 1 亿立方米，在今后 4 年时间里将要增加 2 亿立方米的混凝土搅拌能力，这给混凝土机械行业提供了巨大的发展商机。 在泵车的三大部分 底盘、泵送系统和臂架中，国内产品几乎大部分采用进口件。底盘几乎都是进口的，臂架系统过去也是基本上采用进口产品，目前除三一重工的泵车臂架已基本实现国产化外，其它各厂大多采用进口意大利或德国臂架。随着各公司生产能力的增强，泵车泵送和臂架系统将逐步国产化。 国内生产混凝土机械的厂家虽然不少，但具备臂架整体研发生产的厂家却寥寥无几，大多数企业采用国外进口技术，且基本是进口国外部件进行组装 。由于泵车工作环境恶劣、移动频繁，其性能受路况、环境及保养维修等因素影响。因此，泵车的整车性能，尤其是其工作部件 臂架的工作能力至关重要。 由于国内混凝土泵车的书籍与专业资料较少，所以进行泵车的设计与改进有较大困难。臂架系统作为混凝土泵车最关键的工作部件，对混凝土泵车的整体性能的优劣起着至关重要的作用，臂架系统的整体刚度、强度，决定了混凝土泵车的使用寿命；臂架系统的动力学、运动学特性决定了混凝土浇筑质量；而且由于混凝土泵车臂架的造价较高，不易维修，因此它的国产化率问题是国内一些厂家急需解决的问题。 所以，我们迫切需要对混凝土泵车的臂架系统进行研究开发，从而使我 国混凝土泵车的研发能力进一步提高。 第 6 页 共 49 页 第二章 混凝土泵车的构造及工作原理 述 混凝土泵车是一种将用于泵送的混泥土的泵送机构用于布料的臂架系统集成在汽车底盘上的设备，操作人员控制臂架移动，将泵送机构泵出的混凝土直接送到浇注点。 （一）基本构造 混凝土泵车的种类有很多，但是其基本组成部件是相同的，混凝土泵车主要由底盘、臂架系统、砖塔、泵送机构、液压系统和电气系统组成，如下图 凝土泵 车机构原理图 其中底盘有汽车底盘、分动箱和付梁等部分组成 臂架系统是有多节臂架，连杆、邮箱和连接件组成 转塔是由转台，回转机构，连接杆和支撑结构等部分组成； 泵送机构有主油缸、水箱、输送钢、活塞、料斗、 S 阀、摆摇机构、搅拌机构、出料口，配管等部分组成 ; 液压系统主要分为泵送液压系统和臂架液压系统两大部分。泵送液压系统包括住泵送油路系统、分配阀油路系统、搅拌油路系统及水泵油路系统；臂架液压系统包括臂架油路系统、支腿油路系统和回转油路系统三部分。液压系统主要由液压泵、阀组液压马 达及其它液压元件等部分组成； 电气系统主要有控制柜、遥感器及其他电气元件等部分组成。 （二） 工作原理 混凝土泵车一般转在汽车底盘的尾部，以便混凝土搅拌运输车向泵的料斗卸料。如图所示：混凝土搅拌车卸料到混凝土泵车料斗后，由其泵送机构压送到输送管，经末端软管排出。各臂架的展开和收拢靠各个臂架的油缸来完成。 其中臂架中的一号臂架的仰角可以在 0到 90内摆动，二号三号臂架都可以摆动 180，四节臂架依次展开，其中四号臂架的动作最为频繁，它可以摆动 270， 第 7 页 共 49 页 其末端的软管尽量靠近浇注部位，同时臂架可以通过 回转马达及减速机驱动回转大轴承绕固定转塔 365旋转。 凝土泵车的臂架系统介绍 架系统的综述 臂架系统是有节臂板、油缸、连杆、输料管、端部橡胶软管等组成，臂架回转处为车制的轴套，节臂板由不同的板厚的钢板焊接而成，多为箱型结构。各臂节见通过连杆、销轴和油缸铰接连接，这种连接方式既保证了臂架工作的可靠性，又可以满足各臂架之间相对运动的灵活性需要。 1 油缸一； 2 臂架一； 3 铰接轴； 4 连杆一； 5 油缸 2； 6 连杆二； 7 臂架二； 8 油缸三； 9 连杆三； 10 连杆四； 11 臂架三； 12 油缸四； 13 连杆五； 14 连杆六； 15 臂架四 图 37 米混凝土泵车臂架简图 混凝土泵车通过动力分动箱将发动机的动力传输给液压泵，液压泵供油给液压缸，液压缸驱动混凝土泵车工作，然后利用可回转、伸缩、折叠的臂架和输送管道，根据需要的布料位置，通过伸缩油缸进行动作，改变混凝土出口的高度和幅度来达到布料浇注的位置。 架功能 臂架功能主要包括三个部分： （一）实现臂架各臂节之间的连接及相互支撑； （二）作为臂架各节臂见的混凝土输料管的支撑和横向通道 ； （三）实现各臂节之间大角度折转，完成臂架折叠和展开工作。 第 8 页 共 49 页 架长度和节数 混凝土泵车的作业范围受臂架长度的制约，臂架长度越长其作业范围越大，使用范围就越广。但臂架越长车辆行驶尺寸也越长，泵车在市区行驶以及在工地上施工时往往受到限制。但总的来说，混凝土臂架向更长的方向发展。 泵车常见的臂架节数有 35 节，国内的泵车节数多为四节和五节，均为液压折叠。臂架节数的确定没有一定得规则，按一般的规律来说，可以根据臂架总厂来粗略确定其节数，臂架总长度与节数之间关系如下表 臂架折叠方式 臂架的折叠方式有多种。 按卷折方式分：有卷绕式 (R 型 )、折叠式 (Z 型 )、 、 M 型、 及 S 型等。 按支点位置和支撑方式分：前支点和后支点、上支点和下支点。前后支点是 指支点位于汽车的前、后端；上支点是指第一节臂架在上方，其余臂架均折叠在 下方；下支点是指第一节臂架在下方，其余臂架均折叠在上方。 泵车臂架 主要的卷折形式为 Z 型、 R 型和 和型，如图所示。 泵车臂架主要的三种卷折方式 架的连接装置 布料臂架的连接装置可归纳为弯板式连接和连杆式连接两种连接装置。 臂架总长（ m） 12 L20 20 L 35 35 L 42 42 L 70 臂架节数 2 3 4 5 第 9 页 共 49 页 图 4 臂架连接装置机构图 （ a）弯板式连接装置；（ b）连杆式连接装置 弯板式连接装置：弯板式是指在连接位置上有一形似弯板形状的三铰点板，a）所示。该结构应用较早，结构可靠，主要问题是制造工艺复杂， 空间布置困难，容易发生机构干涉。连杆式连接装置：连杆式连接装置的连接方式是由二力杆构件组成的，见图 b）。这种机构的特点是连接构件形状简单，制造工艺好，并易于实现空间布置，机构运动中相互制约少，但存在复合铰点受力复杂，折转角度有限等缺点。 图 示的两种连接装置机构运动稳定性可计算自由度进行分析： 2)1(93式中， W 为机构自由度数； n 为机构构件数； 表 种连接装置机构分析及运动稳定性计算结果 表 出了两种连接装置机构分析及运动稳定性计算 结果，从中看出两种连接方式的 3 节布料杆泵车臂架在平面内的运动都是稳定的。 形式 机架 臂架 角杆 连杆 油缸构件 回转副 复铰 滑动副 高副 自由度 弯板式 1 3 2 2 6 15 0 3 0 3 连杆式 1 3 0 4 6 11 2 3 0 3 第 10 页 共 49 页 架系统的结构特点及其机构分析 1)臂架变幅机构分析 臂架展开收拢及其混凝土浇注时定位均是由变幅油缸推（拉）动变幅机构的运动来实现的。油缸变幅机构具有结构紧凑、自重轻、工作平稳等优点，在工程机械变幅机构中应用广泛。其中，当角变幅为 90以下或略大于 90的时候常采用单缸三铰点变幅，而当需要变幅的角度更大时，由于连杆机构运动死点的存在，用三铰点变幅无法满足要求。在泵车的臂架系统中，各臂间运动夹角多为 180，根据实际折 卷形式的不同也常要求变幅角度达到 270，这时，为满足变幅角度的要求就需要在三铰点变幅机构的基础上再串联一个四连杆机构。为了减少三铰点变幅机构与四连杆机构在空间布局上的相互牵制，设计时所有铰点尽量不用复铰，因而形成了单缸六铰点变幅机构臂架间。油缸变幅机构示意图如图 示 图 缸变幅机构示意图 部橡胶软管 软管因压力损失较大，故一般只用于管端排料口，以便在不改变主管道位置 的情况下，扩大布料范围。软管分高压管和低 压管两种，高压管用钢丝和橡胶制 成，可承受较高的压力，低压管通常采用普通橡胶管。由于软管对混凝土的流动 阻力大，故一般不应太长。目前，国内泵车橡胶软管大都采用同一规格，软管长 第 11 页 共 49 页 度为 3m，软管管径为 125 图 橡胶软管示意图 架选用原则 为满足泵车外廓尺寸和臂架结构的刚度、强度、稳 型式多种多样。设计一个好的臂架，应遵从以下原则： 1)足够的刚度、强度和稳定性； 2)重量轻； 3)大的伸展高度； 4)长 的水平长度，特别是净水平长度； 5)大的下探深度； 6)低的臂架打开高度； 7)灵活的布料方式； 8)紧凑的结构型式； 9)准确的定位； 10)外形美观等。 第 12 页 共 49 页 第三章 泵车臂架的总体设计 参考三一重工的 37 米型混凝土本车的各项技术参数，设计臂架系统。 主要的技术参数如下： 名 称 单 位 参 数 型 号 7 B 理论输送量 m3/h 120 理论泵送最大压力 送缸内径 230 输送缸行程 2000 输送管径 125 末端软管长度 m 3 末端软管管径 125 布料杆旋转范围 365 臂架节数 节 4 各臂架旋转 角度 92 /180 /180 /270 第一臂架长度 8740 第二臂架长度 7700 第三臂架长度 8740 第四臂架长度 8570 表 架形式设计 臂架形式设计包括结构形式、折叠方式、输送布管等诸多方面的设计。 臂架的结构形式基本都采用箱形结构，从垂直于臂架长度方向的截面来看，大致有下图几种，查阅相关的资料，认为下图 a） 的截面形式较好，整个臂架应力流畅，无明显力流阻滞和应力集中，而且重量较轻，至于抗扭屈和截面的稳定性可以通过焊接横穿臂架两侧板的输送管支撑件来解决。 第 13 页 共 49 页 （ a） （ b） （ c） （ d） （ e） 图 架的截面接结构形式 凝土 折叠方式 的选择 臂架的折叠方式大致分为 R 形、 Z 形、 R Z 组合形，前面第二章简介中已有介绍，在此不再赘述。但有一点，为了尽量降低整车的重心高度，提高行驶状态的稳定性， 第 14 页 共 49 页 必须降低臂架折叠收拢后的高度，即在设计臂架时，通常将第三节臂设计成“ Z ”形弯臂，这时除考虑布管方便外，更应注意最大限度减少弯臂偏离一二臂节中性平面的距离，以减少偏心自重产生的扭矩。 本次设计课题中，四节臂架的三种形式如下图 a) （ b） （ c） 图 节臂架的三种卷折方式 从各个 方面比较 型的优缺点： 向内卷折式，又称回折式； 向外折叠式。对于 R 形及 Z 形臂架，如图 示，因 Z 形各臂节可同时动作，其展开速度快，且更容易通过狭窄的空间，接近到布料区域；而 R 形各臂节必须逐一打开，其展开需要的空间更大些。 图 臂方式 若从臂节间的变幅油缸布局及连杆机构工作原理来看（如图 示）， 第 15 页 共 49 页 相比， R 形臂架为油缸大腔进油展臂作业，要求工作油压较低，其有效布料作业范围大；而 Z 形臂架非工况时油缸杆外露，易磨损，展臂作业为有杆腔进油，举伸力稍小，需要较高的系统油压来完成作业转角。 相比连杆机构， R 形臂架的更为紧凑，连接形式简单，自重轻，且需要油缸行程小。而 Z 形臂架连杆尺寸较长，需要油缸行程长，并需要对更多的局部做结构加强；其优点是臂节间刚性好，在布料作业时臂架相对平稳，抖动小。 此外，大臂即第一节臂，有双油缸及单油 缸两种支撑方式。相比，因为双油缸的同步性要求，需要增加控制阀等，相对成本要高；但双油缸支撑比单油缸支撑更加稳定可靠。值得注意的是，臂架并非能在各臂节设计转角内的任意组合状态，进行布料作业。虽从结构上说能完成整个布料范围图中的动作，但从动力学分析，混凝土的不断冲击，一定范围内的臂架状态将加剧臂架抖动及摇晃，以及由于需要克服连杆机构拐点和避免油缸的超载，所以对于实际的作业区域有一定的限制。 综合上述所有因素，本课题选用第三种折叠方式，即 种方式是第一二三节臂架用 四臂架之间使用 此，臂架在底座上形成两行两列的排列方式，如下图 送布管方式 的设计 输送布管方式归纳起来不外乎两种：一种布管中有相对转动的弯管均不横穿臂节 第 16 页 共 49 页 相联接处的铰接销孔，另一种布管则是部分具有相对转动的弯管横穿臂节间的铰接销孔。查阅相关资料，对两种方式进了计算比较，结果表明，前一种布管虽然支撑件的设计比较麻烦，但可以有效减小第三节弯臂对一二臂中性面的偏心扭矩，改善臂架整体受力状况；后者虽然布管方便许多，但臂架整体 受力状况欠佳。故本设计中采用了第一种设计方式，即布管中有相对转动的弯管均不横穿臂节相连接出的铰接销孔，如下图 图 车臂架的展开与折叠动作顺序 当泵车作业布料时，原先折叠的臂架需要展开，此时，折叠状态下的油缸一开始动作，支撑臂架开始展开，一直展开到极限位置即 90的位置，此时，油缸二开始动作，展开至最大极限位置，以此类推，逐步展开，到第四油缸时，油缸四是收缩油缸行程至最小行程时 同理，臂架的折叠也是反过来的，臂架四从展开位置 ，油缸四撑到一定行程，使三四两臂架折叠起来后，油缸三开始动作，收缩至最小行程极限位置，以此类推，直至整体臂架系统折叠起来。 架典型部件特点 （一） 臂架 臂架可以简化成一个细长的悬臂梁，其主要载荷为自重。它要求臂架强度大、刚性好、重量轻。因此，臂架的结构一般设计成四块钢板焊接而成的箱型梁（见第二章）材料选用高强度细晶粒合金结构钢。为充分利用高强度钢优良的力学性能，借助现代化的有限元分析计算，按梁上各处应力趋于一致的原则，将梁设计成渐变梁。具体形式见下图 第 17 页 共 49 页 图 架的典型形式 （二） 连杆 连杆一般为直杆或者弓形的二力杆，也有三角结构的连杆即角杆，如下图 图 杆的几种典型形式 （三） 油缸 各节臂之间用液压油缸支撑，油缸为臂架转动提供动力，它由压力油推动活塞前后运动，从而驱动平面四连杆结构中的臂架转动。缸体的进油口应设有液压锁，以防止液压软管破裂时发生臂架坠落事故。具体结构如图 端盖； 2 阀安装板； 3 活塞； 4 缸筒； 5 油缸密封件； 6活塞杆 第 18 页 共 49 页 图 缸的结构简图 架变幅机构设计以及各油缸和连杆角杆的设计 臂架展开收拢及其混凝土浇注时定位均是由变幅油缸推（拉）动变幅机构的运动来实现的。变幅机构由两种平面四杆机构组合而成，即曲柄滑块机构和双摇杆机构 (如图 ， 设计中应注意的主要是连杆运动干涉、油缸的受力和稳定性问题。 曲柄滑块机构 + 双摇杆机构 = 臂架变幅机构 图 第 19 页 共 49 页 1)底座与臂架一铰接处 图 叠状态实体图 图 开 90状态实体图 第 20 页 共 49 页 图 座与臂架一连接处机构简图 如上图 架 1上油缸撑点选择离底座 2000缸水平偏离底座 400缸下接口离臂架与底座的竖直距离为 1000据臂架 1的最大展开角为 90度时（即展开状态时） 液压缸的最大行程，折叠状态的 了保证结构的两张状态 均能满足，根据结构分析和计算，翻阅机械设计手册选择液压缸一行程选 1600根据机械设计手册表 17择液压缸内径 D=140塞杆直径 d=100 第 21 页 共 49 页 2）臂架一与臂架二铰接处 图 开 180状态实体图 图 开 180机构简图 图 叠状态实体图 第 22 页 共 49 页 图 叠状态机构简图 如上图 臂架一与臂架二的的最大展角 180时，即展开状态的时，油缸二 如上图 臂架一与臂架二的最小展角为 0时，即折叠状态时 ，油缸二 OA的行程为最小状态。 450保证折叠和展开两种状态都能满足，经过结构分析和计算，查阅机械设计手册选取油缸的行程为 1500择液压缸内径 D=140塞 杆直径d=100中连杆一的长度 80杆 C=765 3）臂架三和臂架四铰接处 图 开 180状态实体图 第 23 页 共 49 页 图 展开 180状态结构简图 图 折叠状态实物图 图 折叠