（机械电子工程专业论文）混凝土泵车结构力学性能研究.pdf

摘要 在建筑施工中，混凝土泵车以突出的机动灵活、适宜各种浇注条件等优点，已 经成为其不可缺少的车种，并且混凝土泵车经常工作在各种复杂的工况下，因此要 求它具有较高的强度、刚度，具有良好的工作适应性和可靠性，并且具有较小的振 动特性，这对混凝土泵车的整体性能的优劣起着至关重要的作用。 本文以某5 节臂的4 5 米混凝土泵车为研究对象，以a n s y s 软件为工具，采 用实体单元与接触单元相结合的方法模拟各个臂架之间的连接，板壳单元和梁单元 用于模拟泵车其余结构，建立了整车有限元计算模型。通过力学分析得出了臂架水 平且垂直于支撑点对角线时为泵车危险工况。在典型工况下，采用非线性有限元分 析方法对该泵车整体结构进行了强度、刚度及稳定性等静力性能分析，并且根据计 算结果进行了现场试验，试验结果表明计算分析与测量值相当吻合，分析结果为泵 车整体结构的设计和优化提供了理论依据；通过对泵车结构进行模态分析，得到了 此泵车振动的各阶频率及其振型，对设计方案进行动力学评价，为以后在新产品的 设计中能够进行结构动态特性的预估及优化设计提供方法；最后考虑输送混凝土时 混凝土泵的周期冲击和混凝土对输料管的冲击( 混凝土对输料管的摩擦力及本身质 量的影响) ，分析了臂架系统在典型工况时的瞬态动力响应，包括动应力、动位移 响应仿真云图和典型节点的动应力时间历程曲线，分析了动载冲击对于结构产生的 影响，获得分析此类问题的方法和步骤。 关键词：混凝土泵车，臂架系统，静力分析，模态分析，瞬态动力学分析 a bs t r a c t t h et r u c k m o u n t e dc o n c r e t ep u m ph a sb e c o m ei n d i s p e n s a b l ev e h i c l eb e c a u s eo fi t s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sa g i l i t ya n da d a p t i o ni nm a n y k i n d so fc a s tc o n d i t i o n a si t s p o o rw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h et r u c k - m o u n t e dc o n c r e t ep u m pm u s tn o to n l yh a v es t r a n g e r r i g i d i t ya n di n t e n s i t y , b u ta l s oh a v eb e t t e ra d a p t a i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t ya n ds m a l l e r v i b r a t i o n ，w h i c hp l a y sav i t a lr o l ei nt h ei n t e g r a lb e h a v i o ro ft h et r u c k - m o u n t e dc o n c r e t e p u m p t h e4 5 ml e n g t hc o n c r e t ep u m pt r u c kw i t h5 - a r m si st a k e na st h es t u d yo b je c t ，i n w h i c ht h ew h o l ev e h i c l ef i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e db yc o m b i n i n gs o l i de l e m e n t w i t hc o n t a c te l e m e n tt os i m u l a t et h ec o n n e c t i o nb e t w e e na r m sa n du s i n gs h e l le l e m e n t a n db e a me l e m e n tt os i m u l a t eo t h e rs t r u c t u r e so fp u m pt r u c k t h em o s td a n g e r o u s w o r k i n gs i t u a t i o nw h e r ea r n ld i r e c t i o ni sp e r p e n d i c u l a rt os u p p o r t i n gp o i n td i a g o n a li s g o t t e nb ym e c h a n i c a la n a l y s i s t h eb o d y ss t r e n g t hi st h o r o u g h l ya n a l y z e dw i t hn o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n tm e t h o du n d e rt h em o s td a n g e r o u sw o r k i n gs i t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e s u l to ff i n i t ee l e m e n ts t r e n g t ha n a l y s i so fw h o l ev e h i c l e ，t h ef i e l dt e s ti sc a r r i e do u t a c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ea n a l y t i c a lr e s u l ta n dt h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h et w o r e s u l t sa r e i ng o o da g r e e m e n t t h em o d a la n a l y s i so nt h et h et r u c k - m o u n t e dc o n c r e t ep u m pi sm a d e i nt h ep a p e r s e v e r a lf o r m e rn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n da d d i t i o n a lv i b r a t i o nm o d eg r a p h sa r e g a i n e d t h ed y n a m i ce v a l u a t i o n sf o rt h ed e s i g na r ec a r r i e do u tt h r o u g hf i n i t ee l e m e n t m o d a la n a l y s i s t h e s er e s u l t sa r eu s e f u lt op r e d i c tt h es t r u c t u r e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n a tl a s t ，c o n s i d e n n gt h ei m p a c to fc o n c r e t ep u m pa n d c o n c r e t e s ( t h ef r i c t i o no fc o n c r e t e sa n dp i p i n gt r a n s p o r t i n gc o n c r e t e s ，t h eq u a l i t yo f c o n c r e t e s ) ，t h ea u t e rc a r r i e so nt h et r a n s i e n tc a l c u l a t i o no ft h eb o o ms y s t e m ，w h i l et h e c o n c r e t e si sf l o w i n gi nt h ep i p i n g t h ed y n a m i cr e s p o n s er e s u l t si n c l u d i n gs i m u l a t i o n n e p h o g r a m so fd y n a m i c ss t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta n dc u r v eo fr e p r e s e n t a t i v en o d e s s d y n a m i cs t r e s sa r eo b t a i n e d a u t h o ra n a l y z e st h ei n f u e n c e so ft h em o v i n gl o a d s i m p a c t t ot h es t r u c t u r ea n dg a i n st h em e t h o d sa n ds t e p si ns o l v i n gt h i sk i n do fp r o b l e m k e yw o r d s ：t r u c k m o u n t e dc o n c r e t ep u m p ，b o o m ，s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ， t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s u 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：、剪弧i 禾9 多，p ，年r 月玎日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 阑夕阀利 彬叱 如，年r 月，日 泖7 r 年j 月fj 日 j 氏安人学硕二l ：学位论文 1 1引言 第一章绪论 1 1 1 混凝土泵车综述 混凝土泵车是一种将混凝土泵安装在汽车底盘或专用车辆上，用于输送和浇筑混凝 土的专用机械，它配有输料管，可以将混凝土沿管道连续均匀输送到浇筑现场，尤其是 高层建筑、高架公路、桥梁、堤坝、地下建筑等大混凝土建筑物的施工工程中，以高质 量、高效率、低消耗、低成本、施工周期短、劳动强度低、适用范围广等一系列优点受 到人们的普遍重视，现己成为建筑施工过程中不可缺少的机械设备【1 ，2 ，3 1 。 混凝土泵车结构件主要由以下几部分组成：1 、回转支承装置：转台；2 、底架部分： 支撑台、前支腿、后支腿；3 、布料系统：输料管、臂架系统、调节机构( 连杆、臂架 支撑油缸) 。其基本结构组成如图1 1 所示。 1 输料管2 一臂架系统3 一调节机构4 一托架 5 一后支腿6 一支撑台7 一回转台8 前支腿 9 - _ u 型螺栓1 0 一车架底盘1 卜地面支撑油缸 图1 1 混凝土泵车结构简图 1 1 2 国内外混凝土泵车的发展概况及发展趋势 德国是世界上最早发明混凝土泵的国家，并且是世界上混凝土泵车最大生产国之 一，它拥有很多技术水平高、规模大的混凝土泵车制造企业，主要有普茨曼斯特 第一章绪论 ( p u t z m e i s t e r ) 、施维英( s c h w i n g ) 、埃尔巴( e l b a ) 、特卡( t e k e ) 、莱西( r e i c h ) 、威 欣( w a i t z i n g e r ) 、威格特( w i n g g e n t ) 、利勃海尔( l r e b h e r r ) 等。美国是继德国之后发 展混凝土泵车最早的国家之一，其混凝土泵车制造业企业主要有伊利( e r i e ) 、瑞德 ( r e e d ) 、汤姆逊( t h o m s e m ) 、罗斯( r o s e ) 、摩根( m o r g e n ) 、杰林杰( c h a l l e n g e ) 、 霍内( h o r m e t ) 、福来纳( f r e i g h t l i n e r ) 等。日本是亚洲混凝土泵车发展最早、最快的 国家，拥有不少混凝土泵车制造企业，主要有田中( t a n k a ) 、萱场( k a y a b a ) 、日工( n i k k o ) 、 光泽( k o y o ) 、石川岛重工、新泻铁工、三菱等【4 5 6 】。如今，国外混凝土泵车设计和生 产技术水平较高，产品己形成系列化。如施维英公司生产的混凝上泵车布料杆长度有 1 3 种，其垂直高度1 6 m , - - - ，5 2 m ，混凝土输送量为5 6m 3 h - - 1 5 0 m 3 h ，布料杆节数有二 节、三节，最多有四节，最大混凝土输送压力5 5 - - 1 0 8 m p a ，最大泵车底盘驱动形式 1 0 x 6 t 7 】。普茨曼斯特公司生产的混凝上泵车布料杆的垂直高度1 6 - - 7 0 m ，也有1 3 个品 种。布料杆节数最多为五节；混凝土输送量6 6 - 2 0 0 m 3 h 7 】。该公司生产的m 7 0 5 型泵 车，臂架长度达到近7 0 m ，r z 折叠型5 节臂布料杆能在5 3 米高度形成1 7 米的水平布 料半径，最大输送量2 0 0 m 3 h ，底盘驱动形式1 2 x 6 ，总重6 2 t ，该泵车拥有最大的布 料杆运动半径，该泵车大幅提高了混凝土施工的覆盖范围【8 】。 我国混凝土泵的生产起步较早，但发展较慢，直到8 0 年代才有较快的发展。5 0 年 代开始生产机械式泵，6 0 年代开始研制液压式泵，这些泵压力低，排量小，并且存在 着一定的技术问题，因此没有形成批量生产。自从2 0 世纪8 0 年代初开始，经过2 0 余 年的努力，我国臂架式混凝土泵车取得了长足的发展，设计水平、制造能力都有了很大 提高。据统计，目前我国混凝土输送泵制造商已达1 0 0 多家，分布于全国各地。但是由 于各制造商的制作工艺、生产能力、技术水平等参差不齐，产品之间也形成了较大的差 距【4 ，5 6 1 。目前国内的主要生产企业包括三一重工、中联重科、福田重机、徐州重型、 湖北建机、辽宁海诺、上海鸿得利和安徽星马等，它们的产量占全行业的9 0 以上。 其中，三一重工、中联重科在臂架式混凝土泵车的研发方面走在了同行的前面。中联重 科制订了混凝土泵车标准，还研发了泵车远程维护与定位系统。三一重工的混凝土 泵车，无论在泵送压力、泵送排量，还是在稳定性、可靠性等方面，都可与国外著名品 牌产品相媲美，其泵送机械系列产品已热销到中东、北非及南亚等地【9 】。2 0 0 7 年三一重 工生产的三一s y 5 6 0 0 t h b 一6 6 型泵车面市，该泵车根据市场对于长臂架泵车的需求进行 的崭新设计，采用5 节折叠臂架，最大垂直泵送高度达到了6 5 6 m 。泵送排量达到了 2 0 0 m 3 h ，配置大口径输送缸，吸料性能好，换向次数少，延长了易损件寿命，并获得 2 长安大学硕上学位论文 吉尼斯世界纪录证书。6 6 m 长的臂架泵车可以将砂浆直接泵送到1 8 层的高楼，相对于 拖泵等其他泵送设备，使用成本较低，潜在市场巨大【1 0 ，1 1 , 1 2 1 。2 0 0 8 年1 2 日3 1 日，由 三一重工自主研制的世界最长7 2 米臂架混凝土输送泵车，打破了世界纪录的高度。这 不是原有6 6 米泵车的简单放大，它是三一对混凝土泵送技术的再一次超越，标志着三 一拥有了这一领域的核心技术，7 2 米泵车在大型机械智能控制技术方面的突破，在于 装备制造技术与现代信息技术的融合，这台泵车的支腿、臂架、传送和控制系统都渗透 着三一重工在科技上的创新。7 2 米臂架泵车创造了两项世界第一，一是混凝土输送泵 车臂架长度达到7 2 米为世界第一，二是泵车混凝土输送量2 3 0m 3 h 为世界第一【1 3 】。 根据近年来国内外的一些调查资料表明，混凝土泵车主要有以下几个方面的发展趋 势【7 】： ( 1 ) 向大排量方向发展。现在多数排量为1 2 0 m 3 h 左右，最大可达2 3 0 m 3 h ； ( 2 ) 泵送压力向高压的方向发展，泵送高度与距离随之也相应增大。目前，理论 最大垂直泵送高度可达n s o o m 以上，最大水平输送距离可达2 0 0 0 m ； 一 ( 3 ) 泵车臂架的卷折型式向着多样化，节数向着五节以上，长度向着更长的方向 发展； ( 4 ) 由于道路条件和施工现场建筑物密集，在不降低性能参数的前提下，混凝土 。 泵车的整车质量和外形也向小型化发展； ( 5 ) 布料臂架的操作采用新技术，如无线遥控技术、计算机技术、电液比例技术 负荷传感技术等( 机电一体化) ； ( 6 ) 混凝土泵车向多功能化发展； ( 7 ) 混凝土泵车向智能化发展； ( 8 ) 泵车的工作平稳性、可靠性得到极大的提高。 1 2 本课题研究的意义及主要研究内容 1 2 1 本课题研究的意义 国内目前预拌混凝土的年消耗量，小城市约为1 0 0 万立方米，中等城市为1 0 0 万 3 0 0 万立方米，大城市为3 0 0 万 5 0 0 万立方米，特大城市超过5 0 0 万立方米，将这些 预拌混凝土从搅拌站运到施工工地是预拌混凝土使用中的重要一环。这就造就了混凝土 运输业这一特殊的运输行业。据统计，目前我国混凝土搅拌运输车年生产能力约6 0 0 0 辆，仅2 0 0 4 年的需求量就接近7 0 0 0 辆，而到2 0 1 0 年需求量将达1 2 0 0 0 辆。随着大批 第一章绪论 基础建设工程的开工，泵车的产销量迅速增长【l4 1 。 由上可知，随着中国国内商品混凝土行业的快速发展，施工规模和范围的扩大，建 设机械以及相关混凝土输送机械应用得到了高速发展，市场空间规模也进一步扩大，混 凝土泵车的需求量也会越来越大。但是由于混凝土泵车在工作过程中，臂架姿态复杂多 变导致泵车工况复杂，且结构设计的轻量化要求以及机动灵活的使用要求使得泵车的结 构复杂，因此对混凝土泵车的静、动力性能进行研究有很好的应用价值。目前国内的学 者也对混凝土泵车做了大量的研究。文献 1 5 】根据混凝土泵车的实际工作情况给出了各 节臂架最危险工况下受力理论值的计算方法，并对各节臂架进行了有限元建模，着重研 究了臂架结构模型的加载方法，以及单元划分的若干关键问题；文献 1 6 】建立了以板单 元为基本单元的泵车有限元分析模型，并利用m s c n a s t r a n 软件对其进行了静强度分 析，然后通过测试试验对有限元计算结果进行了验证。经过比较后发现，计算结果与测 试数据相吻合，验证了计算的正确性。找出了臂架过早出现裂纹的原因，并给出了结构 改造的方法；文献 1 7 1 对混凝土泵车进行了结构强度、刚度分析与试验研究，以及对泵 车进行结构疲劳寿命可靠性分析研究；文献 1 8 】采用a n s y s 分析软件对长沙中联重工科 技发展股份有限公司6 1 m 混凝土泵车的底架进行了模拟分析，得出6 1 m 混凝土泵车泵车 底架的应力分布规律并总结了改进措施和提出工艺要求；文献 1 9 基于多体动力学理论 和拉格朗日方程建立四节臂混凝土泵车臂架的刚性运动微分程，对泵车的各项动力学特 性进行了研究；文献【2 0 】用柔性多体动力学的理论分析四节臂混凝土泵车臂架系统的动 态特性；文献 2 1 对混凝土泵车刚柔混合臂架系统进行了动力学仿真，并且进行了基于 精确动力学仿真结果的臂架应力计算，并对三种工况下的刚柔混合臂架系统做了谐响应 振动分析，最后分析了油缸阻尼特性对臂架振动的影响；文献 2 2 】针对混凝土泵车臂架 系统振动过大的问题，使用a d a m s 软件建立了泵车臂架统的动力学仿真分析模型。通 过模态分析，得到了泵车的固有频率和振型，进而找出泵车臂架部分振动较大的原因， 为泵车结构改进提供了依据；文献 2 3 】对泵车在工作时，因周期性的油缸泵送所引起的 臂架系统在不同峰值的油缸冲击载荷下的动态响应进行了详细分析；文献 2 4 1 运用软件 a n s y s 对某公司生产的3 7 m 混凝土泵车的臂架在其最危险工况一四节臂全部水平外伸工 况下，进行了强度与振动问题分析，并运用动力学仿真软件a d a m s 对臂架在该工况下进 行了第二、三、四节臂做收回运动的动力学仿真等等。 目日 ，国内外对泵车静、动力性能的研究很多。在结构有限元静力分析时，由于混 凝土泵车臂架在实际工作中主要靠各臂架及连接件接触处来承受力和力矩，如何处理接 4 长安人学硕十学位论文 触处的连接问题成为静力计算分析的关键。以前对臂架连接部位的模拟大多采用约束耦 合的方法，不太符合实际情况，影响了数值计算的可靠性，本文在有限元模型中对各连 接处采用接触单元来模拟。在动力性能方面，在臂架系统设计时，目前臂架系统的自动 化控制水平正在逐渐受到重视，而在臂架自动控制后，原有的臂架系统在输料工程中是 否会受到较大的冲击而损毁失效。长期以来，计算其动态响应的激扰很难选择，或是只 考虑混凝土泵的周期冲击，或是单是考虑混凝土的摩擦力而又没考虑其质量，虽然这样 可使问题简单化，但其最大的缺陷是不能准确地反映臂架的实际工况和动态性能，从而 导致分析和设计计算的不合理及不准确性。 1 2 2 本课题研究的主要内容 本文以混凝土泵车为研究对象，以有限元法和机械动力学为理论基础，运用软件 a n s y s 对混凝土泵车进行不同工况下静力学分析和动力学分析，得到泵车结构的静力 学性能，以及其臂架系统的动力性能。主要研究内容如下： 1 分析泵车的结构形式及其工作原理，结合弹性力学和有限元理论确定整机结构 模型方案，确定各种危险工况，并运用软件a n s y s 建立混凝土泵车有限元模型，对其进 行静力学分析。 2 对混凝土泵车进行屈曲稳定性和倾覆稳定性分析，分析结果为泵车整体结构的 设计和优化提供了理论依据。 3 通过对泵车结构进行了模态分析，得到此泵车振动的各阶自振频率及其振型， 可以确定结构的振动性能，评价其动态特性，进行动态预估和优化改善。 4 考虑输送混凝土时混凝土泵的周期冲击和混凝土对输料管的冲击( 混凝土对输 料管的摩擦力及自身质量的影响) ，分析了泵车臂架系统在典型工况时的瞬态动力响应， 包括动应力、动位移响应仿真云图和典型节点的动应力时间历程曲线，分析了动载冲击 对于结构产生的影响。 第一二章混凝土泵车静力分析 第二章混凝土泵车静力分析 混凝土泵车底架上部连接回转支承、转台及混凝土臂架，下部通过副车架与底盘相 连接，是混凝土泵车结构中承上启下的部件。输送管道沿着臂架铺设，臂架系统是必不 可少的结构。因此混凝土泵车底架和臂架系统都是混凝土泵车上的关键部件，他们的结 构性能直接影响到整个混凝土泵车的质量水平。为了泵车使用时的安全可靠，用有限元 法对底架和臂架系统进行强度和刚度分析是非常必要的。 本文静力分析中含有面一面接触单元，属于状态非线性分析问题，需要考虑一些非 线性因素，用有限单元法分析非线性问题的基本步骤在文献 2 7 3 0 】中有详细的介绍。 2 1混凝土泵车结构有限模型的建立 有限元模型的建立是有限元求解过程中最重要的环节，该过程包括几何建模、材料 属性的定义、单元选择与网格划分，以及约束与载荷的处理等。有限元模型必须能够如 实反映出结构的力学特性以满足有限元分析的计算精度 2 5 , 2 8 , 3 3 , 3 4 1 。 2 1 1混凝土泵车几何模型的建立 混凝土泵车几何模型的建立，是根据4 5 米混凝土泵车相关的技术资料来进行的。 由于泵车底架和臂架系统的结构特别复杂，如果直接用有限元法对其实际结构进行 分析，无论从问题的复杂程度或节省计算资源方面考虑都是不明智的。因此，在建立有 限元几何模型时，对泵车实际结构进行合理的简化，在此基础上建立能够反映泵车的力 学特性并且满足有限元分析要求的几何模型。对于一些结构较复杂，但又不影响分析区 域的特征，可以省略或以一个简单的特征来替代。因此，在建立混凝土泵车有限元模型 时作如下简化： 1 、假定泵车所有板与板之间的焊缝为连续全透焊，不考虑焊缝处材料特性的变化， 并认为焊接处的材料特性与相邻结构的材料性能相同； 2 、由于泵车结构中很多细小结构的设计是加工、装配、调试等所需的，并非强度、 刚度设计所重点关注的。因而在对其进行结构分析计算时，可将其结构中的小孔、倒角、 凸台、凹槽等忽略不计，如不省略，反而会导致网格划分困难，节点单元增加。 3 、把底盘车、油箱、水箱等的自重对结构的影响等效成力的形式作用在各挂点上。 4 、臂架末端软管及其中混凝土的重力以力的形式作用在5 节臂末端。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 2 材料性能参数的确定 泵车结构所用的材料为进口高强钢，在模型中对应各构件施加的材料常数见表2 1 。 表2 1 材料参数表 密度p 泊松比 最小屈服强度 弹性模量e ( m p a ) 五 g e h ( m p a ) 最d , - 最大抗拉强度( m p a ) ( k g m 3 ) 2 1 x 1 0 5 7 8 5 0 0 37 0 07 5 0 - - - 9 5 0 2 1 3 单元类型的选择及有限元网格的划分 1 、单元类型的选择 为了保证计算结果的可靠性，将臂架部分和底架部分连成一体进行有限元分析。前 后支腿、支撑台、回转台和臂架系统由钢板焊接而成，这里采用空间板壳单元( s h e l l ) 进 行分析。输料管、托架、支撑油缸以及臂架之间的调节机构采用空间梁单元( b e a m ) 模拟。 销接位置、前摆动支腿和伸缩支腿连接位置均采用接触单元模拟，连接销采用实体单元 模拟，与实际结构比较符合。 2 、有限元网格的划分 网格划分是有限元分析过程中一个关键步骤，网格划分的好坏直接影响到计算的精 度和速度。为建立正确、合理的有限元模型，划分网格时应考虑如下因素：网格数量、 网格疏密、单元的形状及网格划分方式【3 5 1 。所以本文混凝土泵车有限元网格的划分如下： l 、板单元和梁单元的网格划分按自由网格划分，其单元的大小可以用人工方式控 制，共划分s h e l l 6 3 单元8 2 1 7 6 个，梁单元7 0 4 个。 2 、根据研究的目的是对销子和轴套进行接触分析，就需要在销子和轴套上划分网 格要均匀，使两者网格差别不大。若直接利用a n s y s 的自由网格划分功能对销子和轴套 划分网格，两者划分的单元大小差别很大，计算时易形成病态的刚度矩阵。故对销子实 体单元采用体扫掠方法生成网格，轴套采用板壳单元采用映射网格划分法生成网格。销 子和轴套划分好网格的有限元模型如图2 1 。接触对的目标单元1 9 2 0 8 个，接触对的接触 单元7 2 3 5 个，实体单元1 2 1 3 1 个。 7 第二章混凝土泵年静力分析 a 销子舟格 b 轴套阿格 圈z l 销子和轴套网格 2 14 边界条件的处理 l 、载荷的处理 在泵车有限元模型中，载荷按如下方式处理： 1 ) 泵车结构的自重：在前处理中输入材料的密度、单元截面形状、实常数、重力加 速度等，软件将根据输入的信息自动将其处理为分布载荷加载到结构上i 2 ) 泵车输送混凝土时，车体由支腿支撑，整车其余部件通过四个悬挂装置悬挂于 支撑台上，由计算得出该部分的重心位置，通过杠杆原理可确定其自重在悬挂点的分配 力，作为外荷载施加在支撑台上，见有限元计算模型。 3 1 用梁单元模拟混凝土充满料管时的输送管和混凝土，且定义该单元密度为两种 材料的等效密度。 4 1 臂架末端软管及其中的混凝土的重力以均布力的形式加载到臂架末端。 5 1 风载：相料杆在有风的状态下运行时，风载荷是一个沿任意方向的水平力，计 算风压力为2 5 0 n 2 。 2 、约束条件的处理 泵车结构有限元模型中的主要约束问题是地面支撑油缸与前、后支腿接触处的支 承：回转台与支撑台的连接；支撑油缸、臂架之间的调节机构( 连杆) 与销子的连接； 支撑油缸与臂架之日j 的调节机构( 连杆) 的连接等。处理这些问题的关键是要保证约束 情况与实际相同，并且尽可能避免局部应力集中现象。 1 1 地面支撑油缸与前、后支腿接触处约束条件的处理：地面油缸是通过螺栓与前、 后支腿相连的，因此不能完全按刚接处理( 即完全约束住6 个自由度) 。在计算中，采用 p a g e d r e g i o n 约束方程处理，释放掉一个旋转自由度。 2 ) 回转台与支撑台连接处约束条件的处理：回转台和支撑台是通过齿轮传动方式 长安人学硕上学位论文 实现3 6 0 。全回转运动，同样也不能完全按刚接处理( 即完全约束住6 个自由度) 。在计 算中，采用r i g i dr e g i o n 约束方程处理，释放掉一个旋转自由度。 3 ) 臂架支撑油缸、臂架之间的调节机构( 连杆) 与销子连接处约束条件的处理： 采用r i g i dr e g i o n 约束方程处理，释放掉一个旋转自由度。 4 ) 臂架支撑油缸与臂架之间的调节机构( 连杆) 连接处约束条件的处理：臂架支 撑油缸与臂架之间的调节机构( 连杆) 是用销子连起来的，同样也不能完全按刚接处理 ( 即完全约束住6 个自由度) 。在计算中，采用c o i n c i d e n tn o d e 耦合重合节点自由度处 理，释放掉一个旋转自由度。 2 2 有限元模型计算工况的确定 混凝土泵车在工作时，各节臂可以通过调节机构调节臂架姿态，臂架、转台等转动 部件可3 6 0 。全回转作业。底架所受载荷是一种随臂架旋转而变化着的载荷：臂架作用 在转台上的垂直力和倾覆弯矩。当臂架中心线和底架纵轴线重合时，倾覆弯矩对底架的 作用是一个完全的弯曲力矩；当臂架中心线与底架纵轴线垂直时，倾覆弯矩对底架的作 用则是一个完全的扭转力矩；介于这两者之间时倾覆弯矩则呈现出弯扭复合作用。通过 分析，泵车的不利工况应是各节臂处于水平工况即各节臂与水平地面平行布料时，底架 承受的倾覆弯矩最大，其相应的应力最大，臂架方向支腿反力也最大。 4 5 米混凝土泵车参数：两前支腿之间的距离a b = 9 8 0 0 m m ，前后支腿之间的距离 a d = 9 6 6 0 m m ，两后支腿之间的距离c d = 9 6 6 5 m m ；图2 2 中，o e 为臂架，支腿a 、支 腿b 、支腿c 和支腿d 的支腿反力记为f a 、f b 、f c 和f d 。 图2 2 泵车前支腿最大受力工况分析示意图 9 第二章混凝 泵车静力分析 确定前支腿受力最大：假设f a 最大，极限状态为其相反侧的后支腿抬起，通过实 验分析，该假设与实际工况相符。此时，整个泵车的支撑由四点支撑变为三点支撑，底 架与支腿连接的二个耳座将承受较大的拉压。 把泵车分为臂架和机体两部分，以b d 为轴线，根据力矩平衡联立方程组，得 a ( t + o f ) s i n a + q 岛= 巴厶 ( 2 1 ) 其中g 一臂架的重量( 已知) ；i 厂一臂架质心距回转中心的距离( 已知) ；g ( r - 机体的重 量；l d 一机体质心距b d 的距离；l l i a 点到b d 的距离( 已知) ；口一臂架o e 与b d 的夹角( 变量) ；o f _ 回转中心距点f 的距离( f 为臂架反向延长线与b d 的交点) ( 已 知) ：f a _ 支腿a 的支腿反力( 未知) 。 解方程组后，得：只：g ( l + o f 1 ) s i n e r + g a l a ( 2 2 ) j l l 当口为9 0 。时，f a 为最大。 同理，欲求f c 最大，其极限状态为支腿a 抬起。可求得，当口为9 0 。时，f c 为最 大。 从而可以得到，o e 、o e ”分别为臂架转到前支腿受力最大、后支腿受力最大是的 具体位置如图2 3 所示。通过计算，前支腿受力最大时，臂架与前支腿的夹角为1 5 。； 后支腿受力最大时，臂架与后支腿的夹角为2 。 b 图2 3 泵车危险工况示意图 此方法在泵车所有几何参数都给定情况下，确定危险工况的一种简便方法。 由上可知，危险工况确定为：1 、前支腿受力最大：臂架与前支腿的夹角为1 5 。 l o 长安大学硕上学位论文 2 、后支腿受力最大：臂架与后支腿的夹角为2 。 2 3 强度、刚度分析 2 3 1 载荷计算及处理 为便于分析计算，在计算分析过程中没有考虑惯性力和坡度载荷的影响，根据文献 3 6 ，臂架系统( 节臂、连杆、臂架支撑油缸和输料管等) 上的工作载荷和自重载荷的 动载系数取1 2 5 ，底架系统( 支撑台、转台、前后支腿、底盘车等) 的自重载荷的动载 系数取1 1 5 ，所以进行静力分析时，施加的载荷包括主要承力结构自重、混凝土的重量 和底盘车等其余构件自重。 1 、结构重力 g 2p g v ( 2 3 ) 式中：g 一一重力；p 一一材料密度，p = 7 8 5 x 1 0 3 k g m 3 ；矿一一结构体积； g 一一重 力加速度，g = 9 8 m s 2 。 2 、混凝土和输料管的重力 用梁单元模拟混凝土充满料管时的混凝土和输料管，且该单元密度为两种材料的等 效密度。其计算方法如下： v ， p 码协 ( 2 4 ) 式中：p 一一等效密度；砟一一输送管密度，取砟= 7 8 5 x 1 0 3 k g m 3 ；见一一混凝土密 度，取忍= 2 4 x 1 0 3 k g m 3 ；圪一一单位长度输料管内混凝土的体积；0 一一单位长度输 料管体积。 得到：p = 2 6 0 1 9 x 1 0 3 k g m 3( 2 5 ) 3 、整车其余构件自重 混凝土泵车前、后支腿是通过销子与支撑台相连，支撑台与底盘车固连。泵车在浇 筑混凝土时，前、后支腿支撑起整车构件，此时轮胎离地。故将底盘车等其余构件的重 量分配在支撑台与底盘悬挂点处。底盘车等其余部件自重2 6 5 4 5 0 n ，距前悬挂点2 6 4 5 m m ， 前后悬挂点之间的距离3 7 3 0 m m 。这样，前悬挂点分配力为7 6 5 7 5 n ，后悬挂点分配力 为1 8 8 8 7 5 n 。在有限元模型中根据节点数目来具体分配。 第= 章混凝士泵乍静力分析 4 、臂架术端软管及其中混凝土的重力为8 4 3o n ，根据臂架末端节点数目来分配。 5 、m 载：布料杆在有风的状态下遣行时，风载荷是一个沿任意方向的水平力，计 算风压力为2 5 0 n m 2 。 2 32 计算结果分析 泵车材料为9 0 0 号高强度钢，许用应力值为b = 詈= 詈= 6 0 0 m p a 。有限元加 载模型如图2 4 。计算结果见表2 2 。工况1 的应力云图见图2 5 ，工况2 应力云图见图 26 。 0 ) 工况一加载模型 m ) 工况= 加载模型 图2 4 有限元加载模型 一。 r 曲摆动支腿 伸1 伸缩支腱 瞄壹人目i 学位论立 幢) 臂架3 图2 5 工况1 应力分 后支腿 图2 6 工况2 麻力分布 m 1 支撑台 ，。 第二章混凝土泵车静力分析 表2 2 泵车应力计算结果( 单位：p a ) 计算应力盯 位置 丁况 m p a 受力最大前支腿 4 6 3 ( 摆动支腿) 连接销孔 受力最人前支腿 3 8 5 ( 伸缩支腿) 上盖板 4 6 9支撑台连接销孔处 工况1 3 0 8 同转台油缸支座处 4 5 2臂架l 油缸支座处 4 3 4臂架2 油缸支座处 4 4 8 臂架3 连接销轴套处 4 5 7 臂架4 连接销轴套处 4 3 2 后支腿侧板底部 工况2 4 5 2 支撑台与底盘连接处 由以上计算结果可以看出，最大应力点易发生在臂架油缸支座处和连接销轴套处， 工况一中，支撑台与前支腿连接销孔处，应力值盯= 4 6 9 m p a ；臂架1 油缸支座处，应 力值盯= 4 5 2 m p a ；臂架4 连接销轴套处，应力值仃= 4 5 7 m p a 等，但所有计算应力值均 小于6 0 0 m p a ( 材料的许用应力值) ，可以满足静强度要求。 2 4 混凝土泵车静力试验 为验证有限元模型建立的正确性和合理性，对样机进行了静力试验，选用的仪器为 p 2 0 r _ 2 5 型预调平衡箱和y 卜3 1 型静态电阻应变仪。根据上一节中静力分析时选取的 动载系数值，计算出加载质量，并在试验的过程中利用沙袋等效加载质量，将其均匀分 布在臂架、转台、支撑台以及前、后支腿处。应变片或应变花布置在静力分析结果所得 较大应力点处。应变花处结构的最大主应力盯一、最小主应力仃曲分别按式( 2 6 ) 和 式( 2 7 ) 计算【3 7 】： = 导t 等+ 南厄可石丽2 ， ( 2 6 ) = 詈t 等一击肟可石丽2 ， 仁7 ， 1 4 长安大学硕十学位论文 式中：q 一一应变花水平方向应变值；q 一一应变花垂直方向应变值：，一一应变花4 5 。 方向应变值；e 一一材料的弹性模量；一一材料的泊松比。 对试验数据进行分析处理，得到各应力点处的试验应力值。有限元计算结果与试验 结果对比见表2 3 。 表2 3 泵车应力有限元计算结果与试验测试数据 应变试验应力计算应力 位置工况 片值仃m p a 值盯 v l p a 臂架1 油工况 12 8 7 82 6 7 o 缸支撑座 2 臂架2 上与臂工况 23 0 3 0- 2 9 8 o 架1 连接端 2 工况 34 6 8 74 6 0 。0 后支腿侧板 2 摆动支腿下底工况 43 1 9 73 1 5 o 板 l 工况 53 7 7 33 6 3 0 臂架1 上盖板 l 臂架1 上与臂 工况 63 8 1 43 7 6 0 架2 连接端处 2 臂架3 上与臂工况 7 2 5 4 8- 2 4 7 0 架2 连接端 2 臂架2 上靠近工况 82 6 6 32 5 6 0 与臂架1 连接端 2 臂架三中部上 工况 92 1 0 91 9 8 0 伙r r r l 板1 转台油缸支撑工况 1 02 2 6 o- 2 1 1 o 座 1 伸缩支腿上盖工况 1 12 3 0 1- 2 3 6 0 板1 1 号 - 2 4 1 52 3 9 0 支撑台上靠近 工况 应变花 前支腿销接处1 2 号 3 7 4 13 7 1 0 伸缩支腿侧板工况 应变花 上 1 由表2 3 可以看出：1 ) 在危险工况时，最大试验应力值点位于后支腿侧板处， 盯= 4 6 8 7 m p a 2 ，故结构可满足屈曲稳定性要求。 1 7 第二章混凝土聚车结构稳定性分析 图3 1 一阶屈曲稳定性整体变形图( 放大系数1 0 倍) 图3 2 一阶屈曲稳定性局部变形图( 放大系数5 倍) 3 2 整车抗倾覆稳定性计算 混凝土泵车倾覆稳定性是指工作时不致发生倾翻。晟新资料表昵泵车布料高度已 经从撮初的2 18 m 提高到现在1 拘7 2 m 。随着布料高度的增加，混凝土泵车的整机倾覆稳 定性越来越受到人们的重视，它对混凝土泵车的工作性能及其设计的合理性和安全性都 有一定的影响，因此对泵车进行整机倾覆稳定性分析很有必要。 长安大学硕上学位论文 3 2 1 工况的确定 混凝土泵车在布料时，由于臂架的伸展与回转，臂架长度越长，臂架自重对泵车产 生的倾覆力矩就越大，而混凝土泵车不像起重机那样安装有平衡重，故当泵车的臂架较 长且外伸量较大时，就会产生很大的倾覆力矩；还有泵车的布料高度越大，在其垂直作 业时，重心位置越高，也容易发生倾翻事故。臂架长度的增加，给泵车作业稳定性提出 更高的要求。 经工程分析，泵车在布料时，进行如下四种工况的抗倾覆稳定性： 1 ) 臂架水平伸直，正前方工作的抗倾覆稳定性分析； 2 ) 臂架水平伸直，侧向工作抗倾覆稳定性分析； 3 ) 臂架水平伸直，正后方工作抗倾覆稳定性分析： 4 ) 臂架垂直伸直，垂直向上工作抗倾覆稳定性分析。 3 2 2 整机重心轨迹的确定 泵车的重心所在位置对混凝土泵车的稳定性起关键性作用。臂架姿态一定的情况 下，绕着回转中心转动时，整机重心位置的变化规律如图3 - 3 。首先将泵车整体结构分为 机体( 除臂架以外的部分) 和臂架两部分，设点a 、b 、c 、o 分别为机体重心、整机重心、 臂架( 包括输料管) 重心、臂架回转中心在水平面的投影位置。以臂架回转中心o 为坐 标原点，o 点与a 点之间的连线为y 轴，建立坐标系，如图3 3 所示。设o c = r o ，o a = l ， 臂架在某一位置时与x 轴的夹角为口，则c 点的坐标值为c ( r o g o s ，r o s i n c r ) ，a 点的 坐标值为a ( 0 ，一l ) 。根据解析几何和重心理论，其整机重一5 , b 必在a 、c 两点之间的连 线上，n b ( ，) 点的坐标为： 2 y 82蠹意一g g g b 1 ，l r o s i n c r - l g 2 g 窒! 璺垫垡二墨鱼一 _ 、7 g l + g 2 g 式中g l 、g 2 、g 分别为臂架( 包括输料管) 、机体和整机( 包括输料管) 的重量， 其中g = g 1 + g 2 。 。 1 9 第三章混凝土泵车结构稳定性分析 y f 、弧一 g彩爻 一 。_ 图3 3 整机重心位置变化规律 显然式( 3 1 ) 是以口角为参数的参数方程，消除口角，经变换得： x a 2 + y s + 等) 2 = ( 等) 2 n 2 ， 这表明，无论臂架如何水平回转，整机重心变