（机械设计及理论专业论文）37米混凝土泵车臂架结构强度与振动特性研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：乏雌 i ! ii i ：丕虹年月l 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作粼：衅聊签名购吼卫年月卫日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文综合了国内外混凝土泵车发展相关的参考文献，阐述了泵车 的发展历史及现状。对臂架系统的研究现状及国际上泵车发展趋势作 了详细介绍，并根据某公司多年来泵车故障样本进行了统计分析，总 结得到了泵车结构件发生故障破坏的规律，提出了泵车臂架结构强度 设计的重要性。最后，结合理论分析、试验研究、仿真计算方法，建 立了有限元分析模型和动力学仿真分析模型，利用m s c 公司的c a e 软件进行了静强度分析、动响应分析和疲劳寿命分析，并利用某公司 生产的3 7 米泵车在施工工地进行了多工况、多排量等复杂状况下的 试验，依据试验数据和有限元计算结果分析了泵车臂架系统产生疲劳 开裂等破坏的原因，为进一步研究泵车系统提供了理论依据和试验方 法。并基于疲劳理论研究成果，利用有限元方法对臂架结构疲劳寿命 进行了预测，主要内容如下： 1 、通过对p r o e n g i n e e r 、m s cp a t r a n 、m s cn a s t r a n 软件的综合 运用，建立了混凝土泵车臂架的有限元模型，并对泵车臂架结构强度 进行了分析； 2 、采用m s cn a s t r a n 软件，对泵车臂架结构振动特性进行了分 析，获得了臂架结构振动规律，并对泵车振动特性进行了试验测试， 进行了试验验证； 3 、选用了多种传感器对泵车系统进行了试验，对传感器型号、 测点位置的选取，泵车施工工况的确定等进行了分析研究，并获得了 准确的试验数据，为后续泵车结构振动特性分析提供了数据样本。 4 、根据实验得到的载荷时间历程和有限元分析分析获得的载荷， 利用m s cf a t i g u e 软件对泵车臂架结构进行寿命估算和分析，获得了 臂架结构的疲劳寿命分布云图。 经过综合分析，本文提出了在对泵车臂架进行疲劳分析时，应该 采用准静态法获得危险部位应力，才能泵车臂架疲劳寿命做出准确的 评估，把有限元分析结果和故障样本统计分析结果对比，可知泵车上 故障发生频次比较高的部位和疲劳寿命分析结果基本一致，相互印证 分析方法和建立模型的正确性。 关键词：混凝土泵车；疲劳寿命；名义应力法；强度；固有频率 中南大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e v i e w st h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n d f o r e i g ns i t u a t i o no fc o n c r e t ep u m p ，r e s e a r c ho nt h eb o o ms y s t e ms t a t u s a n dd e v e l o p m e n tt r e n dd e s c r i b e di nd e t a i la n dc o n d u c tas t a t i s t i c a l a n a l y s i so ff a u l ts a m p l eo fp u m pt r u c ka n ds u m m a r yt h el a wo ft h ef a i l u r e d a m a g eo fp u m ps t r u c t u r e p r o p o s i n gi m p o r t a n c eo fs t r u c t u r a ls t r e n g t ho f d e s i g no fp u m pt r u c k ，b a s e do n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o nm e t h o d ，af m i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e la n d d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e la r em a d e u s i n go fc a es o f t w a r ef o rt h e a n a l y s i so f s t a t i cs t r e n g t h ，d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa n df a t i g u el i f e ，w e m a k ean u m b e ro fc o n d i t i o n s ，m o r ed i s p l a c e m e n ta n do t h e rc o m p l e x c o n d i t i o n so ft h et e s ta b o u t3 7m e t e r so fap u m pa tt h ec o n s t r u c t i o ns i t e b a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t aa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t so ff a t i g u e c r a c kp u m ps y s t e m ，w eg e tat h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e s tm e t h o d so ft h e f u r t h e rs t u d yo fp u m ps y s t e m b a s e do nt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so f f a t i g u et h e o r y , p a p e rp r e d i c t st h ef a t i g u el i f eo ft h es t r u c t u r eb yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h ec o m b i n e da p p l i c a t i o nw i t hp r o e n g d 旺! e rm s c p a t r a na n dm s cn a s t r a ns o f t w a r e ，t h ec o n c r e t ep u m pt r u c kb o o m f i n i t ee l e m e n tm o d u l ei se s t a b l i s h e d ，a n da n a l y s i s s 仃e n g t ho fs t r u c t u r e 2b ym s cn a s t r a ns o f t w a r e ，v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp u m p t r u c ki sa n a l y z e d ，a n dt e s t e di ne x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 3a v a r i e t yo fs e n s o r sa r eu s e do nt h ep u m ps y s t e mi nt e s t ，w e r e s e a r c hs e n s o rt y p e ，s e l e c t i o no fs u r i n gp o i n ta n ds t a t u so fc o n s t r u c t i o n w o r k e r s ，g e ta na c c u r a t et e s td a t aa n dp r o v i d e sad a t as a m p l eo fp u m p v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rs u b s e q u e n ta n a l y s i s 4ba s e do nt h er e s u l t so ft h el o a d t i m eh i s t o r yf r o me x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n df e a ，t h ea n a l y s i so fc o n c r e t ep u m pt r u c kb o o m s f a t i g u el i f e h a sb e e nc a r d e do u tb ym s cf a t i g u es o f t w a r e ，a n dt h ef a t i g u el i f em o i r e p a t t e r ni so b t a i n e d w h e na b o v e m e n t i o nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，q u a s i - s t a t i cm e t h o d s h o u l db eu s e dt oo b t a i nd a n g e r o u sp o s i t i o no fs t r e s s ，a n dm a k ea n a c c u r a t ea s s e s s m e n to ff a t i g u el i r eo ft h ep u m ps t r u c t u r e t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t sa n ds t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h er e s u l t so ff a u l t s a m p l ec o m p a r i s o ns h o w s t h a ts t a t i s t i c a la n a l y s i sa n df a t i g u ea n a l y s i sa r e t h es a m e a n dt h a ta n a l y t i c a lm e t h o d sa n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e l i sc o r r e c t k e y w o r d s ：c o n c r e t ep u m pt r u c k ；f a t i g u el i f e ；n o m i n a ls t r e s s m e t h o d ；l o c a la p p r o a c h ；s t r e n g t h ；i n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c y 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘 要一i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 混凝土泵车的发展概况。1 1 1 1 混凝土泵车国外发展概况1 1 1 2 混凝土泵车国内发展概况2 1 1 3 混凝土泵车发展趋势3 1 2 混凝土泵车臂架的研究现状5 1 3 本文的主要研究内容6 1 3 1 课题来源6 1 3 2 课题研究的意义6 1 3 3 本文研究的内容6 第二章泵车臂架结构有限元建模及强度分析一8 2 1 泵车臂架结构特点和技术参数8 2 1 1 泵车臂架结构特点8 2 1 2 臂架结构主要技术参数1 1 2 2 混凝土泵车臂架模型的建立1 2 2 2 1 模型简化1 2 2 2 2 网格的生成。1 4 2 2 3 约束和载荷施加。1 5 2 2 4 臂架工作工况的确定1 6 2 3 臂架结构静强度计算结果1 6 2 4 优化方案与计算结果1 9 2 5 本章小结2 1 第三章臂架结构瞬态响应及频率响应分析2 2 3 1 动力学分析基本理论2 2 3 2 有限元模型的修改2 4 3 2 1 载荷施加2 4 3 2 2 动响应分析结果2 8 3 3 本章小结3 3 第四章泵车臂架结构动应力试验及疲劳寿命分析3 4 4 1 试验目的3 4 4 2 试验工况选择3 4 4 3 测点布置3 6 4 3 1 电阻应变测试原理3 6 4 3 2 测点位置选择3 7 4 4 试验数据分析3 9 4 4 1 臂架上各测点应变时间历程3 9 4 4 2 试验数据与仿真数据对比分析一“ 4 5 泵车臂架结构的p s - n 曲线确定4 7 中南大学硕士学位论文目录 4 5 1 材料s - n 曲线4 8 4 5 2 泵车臂架构件p s - n 曲线5 0 4 6 危险点应变时间历程分析5 0 4 6 。1 臂架结构准静态法使用条件5 0 4 6 2 臂架结构准静态法基本理论5 1 4 7 泵车臂架结构疲劳寿命分析5 2 4 8 本章小结5 5 第五章总结与展望5 6 5 1 总结5 6 5 2 展望5 6 参考文献5 8 至定谢6 1 攻读硕士学位期间主要研究成果6 2 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁比 引言 2 0 1 0 年我国工程机械总产值达4 0 0 0 亿人民币，据中国工程机械工业协会预 测，在“十二五期间，我国工程机械行业产值年均增长率可达1 7 。蛰j 2 0 1 5 年， 工程机械行业总产值有望突破9 0 0 0 亿元。在工程机械领域，混凝土泵车是一种重 要的设备，广泛应用在基础设施建设上，尤其在大型建筑中，例如高楼、水利设 施、桥梁等，以其低消耗、低成本、施工周期短、高质量、高效率、机动灵活等 优点，逐渐成为我国基础建设领域不可或缺的关键设备【1 1 。 混凝土泵车是工程机械中结构复杂，包含液压、复杂机械结构，由于工作 环境恶劣导致售后服务难度大，维修成本高，在目前高速发展的基础设施建设 领域，因机械故障引起的人员伤亡和财产损失持续上升。如何建立完善的工程 机械故障诊断服务体系，已经成为当前工程机械领域面临的重大难题。 1 1 混凝土泵车的发展概况 自从水泥发明以后，混凝土输送与浇注就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，不能满足现代工业化的发展要求，二十世纪初 期欧洲就一直在研究混凝土输送泵，但效果不佳，未能得到推广应用，直n - 十 世纪五十年代德国施维英公司才生产了世晃上第一台液压驱动的拖式混凝土输 送泵得到了迅猛发展，结构不断完善，泵送能力也不断增强，到目前为止，混凝 土泵送高度最高已达5 3 2 m ，泵送最长水平距离大2 0 1 5 m ，最大理论泵送量达 2 0 0 m 3 h ，极大地提高了生产效率，尤其是在高层建筑施工中，己成为必备的设 备，但是，在使用过程中，人们逐渐发现了托泵的一些局限性：准备工作量大， 管道出口不断移动，工作量大，设备利用率低等。针对托泵的这些不足，在二十 世纪七十年代，研制出了集行驶、泵送、布料功能于一体的混凝土泵车瞄1 。 1 1 1 混凝土泵车国外发展概况 早在2 0 世纪初，德国就取得了混凝泵的专利权，随后德国成为了世界上混凝 土泵车最大成产地之一。1 9 2 7 年，德国工程师弗瑞茨海尔成功设计了第一台混 凝土泵车，并成功应用于生产。二战之后，各国经济逐渐恢复，基础设施建设规 模日益扩大，混凝土泵车的市场需求不断增加，从而促进了混凝土泵车的发展。 1 9 3 0 年，德国制造出了立式单缸球阀活塞泵。之前的混凝土泵都是在模拟水泵而 生产的，工作性能较差，使用价值不大。1 9 3 2 年，荷兰人库伊曼将立式缸改成了 中南大学硕士学位论文第一章绪论 卧式缸，制造了库伊曼型混凝土泵，成功解决了混凝土泵的构造原理问题，大大 提高了混凝土泵的可靠性，为现代混凝土泵技术的发展奠定了基础，此后，混凝 土泵进入了小规模的使用阶段。1 9 5 9 年，联邦德国的施文英( s c h w i n g ) 公司生产 出第一台全液压的混凝土泵，其动力源是液压系统，活塞运动和阀门开关以及混 凝土的输送都是靠液压来驱动。这种泵功率大，泵送排量大，输送距离远，并可 进行无级调节。泵的活塞还可逆向动作，减少了混凝土泵的堵塞，使混凝土泵的 设计、制造和泵送施工技术日趋完善，此后，混凝土泵进入大规模应用阶段。 德国作为生产混凝土泵车的强国，拥有一批规模大、技术水平高的混凝土泵 车制造企业，朴茨迈斯特( p u t z m e i s t e r ) 公司是混凝土泵先进技术的代表，它 是世界著名的建筑机械制造商之一，因其专利技术叫型阀而著称，所以在中 国又叫大象公司，其成立于1 9 8 5 年，主要从事开发、生产混凝土泵车、托泵等。 其混凝土泵车特点：臂架折叠方式多为m 型；泵送排量大、规格多；支腿型式主 要采用x 型支腿、前摆式多级伸缩支腿。1 9 3 4 年，德国施维英( s c h w i n g ) 公司建 立，其主要生产四种产品：混凝土搅拌站、混凝土搅拌车、混凝土泵车和混凝土 回收站。中国上海施维英机械制造有限公司创立于1 9 9 5 年，其生产的泵车臂架长 度范围1 6 6 l 米之间，臂架大多是4 节、结构灵活轻巧。分配阀有两种：s 阀和群 阀。日本石川岛重工于1 9 5 0 年研制出了第一台混凝土泵车，其技术主要来源于德 国陶克莱特公司。之后三菱公司引进了德国施维英公司的技术，开始成产混凝土 泵。除了以上两家企业外，极东开发( k y o k u t o ) 、新泻铁工、营场( k a y a b a ) 、 光泽( k o y o ) 等企业生产水泥混凝土泵车振动性能与结构优化研究t 3 。 1 1 2 混凝土泵车国内发展概况 1 9 7 9 年改革开放之后，我国从日本进口混凝土泵车并应用在上海宝钢建设 中。1 9 8 2 年，湖北建设机械厂生产了我国第一辆混凝土泵车，其技术来源于日本 “石川岛”。随着我国基础建设的不断发展，混凝土泵车需求量不断增加，国内 的泵车生产厂家如雨后春笋，发展很快。但是泵车上的关键零部件还是主要从国 外进口，国内的几大生产厂家主要从意大利、日本、德国引进臂架等。近些年来， 随着国内生产技术的发展，进口零部件开始减少，逐渐形成了以自主生产为主和 进口为辅的配套模式。经过几十年的发展，国内混凝土泵车生产厂家的设计水平、 制造能力、工艺水平得到了很大提高。目前，我国混凝土泵车生产领域呈现百花 齐放的态势，大型企业主要有：三一重工、中联重科、徐州工程机械厂、湖北建 设、安徽星马等，这些企业的年产量占据着全行业生产总值的百分之九十。2 0 0 0 年是我国泵车产业发展的一个转折点，从1 9 9 9 年国内泵车销量5 0 辆增加到2 0 0 3 年的i 0 0 0 辆。其中三一重工在2 0 0 0 年前就开始这首自主生产长臂架泵车，并取得 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 了很大的成就，逐渐成为国内自行研制长臂架企业的标杆。如图1 - 1 所示为三一 重工生产的混凝土泵车。 图卜13 7 米混凝土泵车实物图 2 0 0 3 年三一重工生产下线5 6 m 混凝土泵车，成为世界上达到这些水平的少数 几个企业之一，使我国在这一领域达到世界先进水平。2 0 0 7 年三一重工又研发了 6 6 m 泵车，2 0 0 8 年三一重工成功生产下线7 2 m 泵车，成为世界上最长的泵车。 目前，对于国内泵车臂架结构的发展状况主要有：由于臂架式混凝土泵车作 业时常受上部空间所限制，要求臂架展开时顶部高度最低，4 节以下的臂架折叠 一般采用单一的r 或z 形型式。5 节以上臂架由于受空间限制，一般采用r z 组合折 叠型式来实现臂架的展开、收拢，适用性、机动性和灵活性增强，特别是在隧道 和室内作业施工中，效率明显提高。最初国产臂架的长度以3 7m 居多，近两年 有越来越长的趋势，今后几年，随着需求的不断增大，将会有更长臂架的混凝土 泵车走向市场。臂架式混凝土泵车支腿作业时常受场地空间所限制，尤其是大型 臂架式混凝土泵车。各厂商因此不得不结合自身的经验，寻找解决方案。因此， 臂架式混凝土泵车支腿设计呈现出个性化、多样化的特点。目前市场上以双摆动 和x 形支腿居多。 1 1 3 混凝土泵车发展趋势 随着技术的更新进步，泵车的发展表现在以下几个方面【4 】： 在泵送系统方面，由于一些大型工程的施工需要，为满足在短时间内浇注大 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9 0 m 3 h ，而现在混凝土泵车理论排量都在1 0 0 m 3 h - 1 4 0 m 3 h 左右， 国外最大理论排量达n 2 0 0m 3 h 。泵送系统配置大直径的输送缸( 直径为2 3 0 m m 、 2 6 0 r a m 、2 8 0 m m ) ，具有吸料性能好，换向次数少的优点，不仅较少了磨损，而且 降低了运营成本。分配阀形式主要采用s 管阀。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 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 常施工等问题，使其寿命大大提高。 在节能技术方面，目前一般的泵车在任何工作强度下都是同一种耗油模式， 因此在某些耗油的工作状态下，泵车就会出现高耗油的现象，给资源带来了极大 的浪费。针对这种情况，通过计算机自动判断符合情况，并自动设定油耗模式， 大大节约了成本。 在自动化、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 得了一定成就，比如：三一重工的专利技术圈自动高低压切换、泵送排量无级调 节、砼活塞自动退回、发动机转速闭环控制等，但这些还远远不够。今后混凝土 泵车将是电一液高度集成，充分利用数字控制技术、智能传感等技术的高科技产 品，主要以下一些特点： ( 1 ) 防堵管控制 堵管式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，但法宣太晚或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，甚至影响建筑质量。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，压力传感器会讲这一异常讯号传到p l c ， p l c 将立即发出警示，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。 ( 2 ) 防倾翻保护 首先混凝泵车的支腿展开后能自动进行地面、支腿位置及整机水平等一系列 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，p l c 仍会 时刻监控整车的稳定性，发现四条腿受力出现不稳定情况时，臂架将会自动停止 向危险的方向运动，同时发出警示。最大限度保障安全。 ( 3 ) 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动诊断技 术，混凝土泵车将会有个良好的人机界面。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。 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。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 混凝土泵车臂架的研究现状 混凝土泵车臂架是泵车结构中的关键部件，由于泵车工作环境恶劣，臂架结 构复杂，受力多样，导致臂架常常发生开裂甚至断裂，发生机毁人亡的事故。在 臂架系统方面，泵车的作业范围受臂架长度的制约，臂架的长度决定其施工面积 的大小，影响着泵车的施工效率。但是并不是臂架越长越好，因为随着臂架长度 的增加，要求车辆的地盘尺寸越大，在施工过程中需求的施工场地很大，且影响 臂架的灵活性。总之，随着科学技术的不断发展进步，臂架结构朝着更长更智能 的方向发展。在1 9 7 0 年前后，国际上主流混凝土泵车臂架长度大都在3 0 米左右， 到了九十年代又以3 7 米长度的臂架为主流，最近几年，4 5 米左右长度的臂架受到 市场的普遍欢迎。目前，三一重工生产出了7 2 米长度的臂架，成为世界之最。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z 形、m 形等多节臂折叠 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作业。 因此，在要求臂架系统满足刚度、强度的同时，对灵活性、可靠性以及动态 特性也有很高的要求。这些对于设计者来说一直是重点和难点问题。目前，对臂 架结构的研究状况主要有以下几点【5 】： 1 利用仿真手段对臂架结构进行静力分析和屈曲分析，静力分析主要是对 臂架结构进行静强度校核，为臂架结构的设计理论指导；屈曲分析主要是对臂架 结构中由连杆和油缸组成的六连杆机构进行稳定性分析，计算出连杆机构的临界 载荷大小，为臂架结构稳定性分析提供依据。 2 利用仿真手段对臂架结构各性能参数进行优化分析，就是以混凝土泵车 臂架结构为研究对象，利用神经网络、遗传算法和有限元分析等方法，对泵车臂 架系统主要参数进行优化分析，建立起结构设计参数与变形、应力和固有频率等 参数之间的分线性全局映射关系，求出结构优化问题所需目标函数的近似值，从 而完成泵车臂架结构的优化设计。 3 基于虚拟样机的泵车臂架系统的动力学分析、运动学分析和振动分析， 在三维绘图软件里建立臂架结构模型可以进行运动学分析，可以对连杆结构进行 优化，而且针对泵车在工作过程中臂架结构剧烈振动的问题，可以利用a d & m s 分 析软件建立臂架结构的动力学模型，进行振动特性动态相应分析。 4 利用液压仿真软件，对液压系统进行仿真分析，获得液压系统与臂架结 构振动性能之间的关系，利用高级建模仿真软件& m e s i m 对液压油缸进行仿真分析。 获得泵车泵送系统和液压系统对臂架结构振动特性的影响规律。 5 开发混凝土泵车智能臂架，实现臂架末端浇注位置和臂架在姿态变化时 运动轨迹的计算机精确控制。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， 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 通过计算机实现闭环控制和运动协调控制。操作时，只需一个开关命令，控制计 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后的自动收拢：只需 要给出泵车臂架末端出料口位置，就能实现多节臂架的协调动作，使臂架自动以 最佳形态平稳移动到目标位置，简化了臂架操作过程，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，使泵车臂架按程序设定的 方式连续布料。 目前，有很多课题和项目是关于混凝土泵车臂架疲劳寿命的研究，其中长安 大学对这方面进行了很多年的研究，但是就研究进展和研究结果来看，都是基于 常规的疲劳分析理论和常用的疲劳分析软件进行分析的。本文在前人研究的基础 上，基于大量实验数据和故障统计结果对臂架局部结构进行了改进，并采用准静 态法对臂架多个部位进行了疲劳寿命分析，获得了更加丰富和全面的臂架结构数 据信息，对臂架结构的设计和改进有一定的指导意义。 1 3 本文的主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划重点项目( “8 6 3 计划) “工程机械 远程维护及监控系统”。 1 3 2 课题研究的意义 水泥混凝土泵车是一种结构非常复杂的工程机械，在施工过程中环境比较恶 劣，并且维护难度比较大，因此对它进行结构健康监测是非常重要的。所谓结构 健康监测就是在混凝土的液压系统和臂架结构中安装一定数量的传感器，在泵车 工作过程中能够实时获取泵车工作时各个系统健康状况的数据。本文只研究臂架 系统，对获取的臂架信息，可以提取结构损伤特征参数，识别结构的健康状况， 对危害结构健康的不安全因素，早期发现并加以控制消除，这样不仅降低了维修 成本，而且保证了泵车施工的安全性。 1 3 3 本文研究的内容 根据某公司生产的泵车故障的样本统计分析发现，臂架结构在设计阶段仅仅 考虑满足静强度设计是远远不够的。泵车在施工过程中臂架结构发生低频振动， 长期工作在这种状态下，臂架结构就会发生疲劳破坏，而且这种破坏属于高周疲 劳。根据由故障样本统计分析总结的破坏规律，泵车在实际工作过程出现的问题 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 反应了臂架结构疲劳强度研究和其本身的振动特性研究是一项迫切需要研究的 课题。因此，本论文对泵车臂架结构进行了理论分析、并且对泵车在施工工地施 工时进行了试验研究，通过建立有限元分析模型和动力学仿真分析模型，利用 m s c 公司的c a e 软件进行了静强度分析、动响应分析和疲劳寿命分析，并利用 某公司生产的3 7 米泵车在施工工地进行了多工况、多排量等复杂状况下的试验， 依据试验数据和有限元计算结果分析了泵车臂架系统产生疲劳开裂等破坏的原 因，为进一步研究泵车系统提供了理论依据和试验方法。 论文各章内容安排如下： 第二章详细介绍了泵车的结构特点以及基本参数，并综合利用 p r o e n g i n e e r 、m s cp a t r a n n a s t r a n 软件，建立了混凝土泵车臂架的有限元模 型并进行了静强度分析，同时对臂架结构局部进行了改进，提高丫臂架结构强度。 第三章利用有限元软件对泵车臂架结构进行了动响应分析，获得了多种工况 和多种排量下泵车臂架结构的载荷时间历程，为下一步臂架疲劳寿命分析提供了 数据信息。 第四章介绍了对泵车臂架结构性能实验测试的过程，具体介绍了试验中试验 仪器的选取，测点位置的布置，试验工况的确定等，获得了臂架结构在不同工况 下的载荷时间历程，并和第三章中有限元分析结果进行了对比，证实有限元分析 结果和试验结果是基本一致的。最后基于实测信号和有限元分析结果，采用疲劳 分析软件m s cf a t i g u e ，利用准静态法获得了臂架结构危险部位的应变时间历程， 并对泵车臂架结构进行了疲劳寿命预估和分析，获得了臂架结构疲劳寿命分布云 图。 第五章对论文内容进行了总结，并提出了展望。 7 中南大学硕士学位论文第二章泵车臂架结构有限元建模及强度分析 引言 第二章泵车臂架结构有限元建模及强度分析 混凝土泵车是工程施工过程中应用最为广泛的重要设备之一，其由液压系统 和臂架系统组成，非常复杂，并且工作环境比较恶劣，所以一旦出现故障很难被 早期发现。当泵车在施工时，臂架伸展长度达数十米，车体的细微振动都会使臂 架末端浇注点振动非常剧烈，尤其是当液压油缸换向频率和臂架系统固有频率相 近时，会发生共振现象。臂架系统振动虽然是低频振动，但由于臂架长期工作， 常常引起臂架疲劳开裂，严重时甚至会发生断裂，发生机毁人亡的重大事故。 因此，对臂架结构性能参数进行系统而全面的分析是有必要的，本章介绍了 利用p r o e 和m s cp a t r a n n a s t r a n 软件建立3 7 米泵车臂架结构有限元模型的过程 和方法，并进行了强度分析1 6 】。 2 1 泵车臂架结构特点和技术参数 2 1 1 泵车臂架结构特点 混凝土泵车在工作中，臂架支撑着输料管把混凝土输送到指定位置，由于泵 车施工条件恶劣，常常发生开裂或者断裂。臂架通过油缸的驱动和转台的转动， 可以非常灵活准确地把混凝土送到浇注位置，施工效率非常高 7 8 】。 1 、结构和组成 臂架系统由臂架、连杆、油缸和销轴等部分组成，其结构件下图2 - 1 所示： 1 、1 拌臂架2 、2 拌臂架油缸3 、连杆一4 、输送管5 、末端软管 图2 - 1 泵车臂架系统基本结构及组成 2 、臂架的折叠形式 8 中南大学硕士学位论文第二章泵车臂架结构有限元建模及强度分析 臂架之间是由连杆、油缸、连接销轴和相关臂架组成的六连杆机构连接的。 从而臂架可以自由地实现折叠和展开，臂架有多种折叠形式，如r 型、z 型( 或 m 型) 、综合型等。各种折叠方式都有其独到之处。r 型结构紧凑：z 型臂架在打 开和折叠时动作迅速；综合型则兼有前两者的优点而逐渐被广泛应用。由于z 型折叠臂架的打开空间更低，而r 型折叠臂架的结构布局更紧凑等各自的特点， 臂架的z 型、r 型及综合型等多种折叠方式均被广泛采用【1 5 】【1 6 1 。 3 、臂架典型部件特点 a ) 臂架可简化为一个细长的悬臂梁，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形梁，材 料选用高强度细晶粒合金结构钢。为充分利用高强钢的力学性能，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。 b ) 连杆一般为直杆或弓形二力杆，也有三角结构的连杆。 c ) 各节臂架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 动或才前后运动，从而驱动平面四连杆机构中臂架转动。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。 4 、臂架结构故障统计分析 我们根据某公司提供的泵车故障样本进行了统计分析，在对泵车臂架系统故 障样本统计分析中发现，泵车在工作了一定时间之后，臂架系统的各零部件会因 为疲劳而发生开裂、磨损等，臂架结构上发生故障部位如图2 2 和图2 3 所示。 图2 21 孝臂架上u 型槽开裂 图2 34 孝臂架上顶板u 型槽开裂 其中对3 0 0 多辆3 7 米泵车故障反馈信息统计发现，发生故障部位主要集中 在臂架和支腿焊接部位。其中有4 5 0 多处故障在臂架结构上发生焊缝开裂，钢板 断裂，变形等故障。这些故障开裂部位主要集中在u 型板、臂与臂连接杆和连 接销、油缸支座焊接处。大约有5 0 辆泵车臂架u 型板出现开裂，且开裂部位在 1 拌、2 拌、3 群、4 拌臂上均有出现。有约1 0 0 多辆泵车在臂架各号油缸支座连接处出 9 中南大学硕士学位论文第二章泵车臂架结构有限元建模及强度分析 现裂纹，有多半故障裂纹出现在油缸无杆腔支座处。大臂顶板开裂现象比较严重， 且裂纹长度大多介于1 0 4 0 c m 。泵车支腿故障主要集中有：展开油缸座焊缝开裂、 左右副梁开裂等。支腿故障大多集中在展开油缸座焊缝处，在1 0 0 多种支腿故障 中，展开油缸座开裂约3 0 多处。转塔故障主要有：转塔筋板开裂、臂架转台钢 板开裂、转台上泵管支座开裂、转塔座主焊缝开裂、转塔与副梁连接处开裂、转 塔大臂油缸支撑处开裂。在统计中发现，转塔加强筋板开裂占转塔故障中的三分 之一。转塔座焊缝开裂的也比较多【”儿1 6 】。 对1 0 0 0 多台各种型号的泵车故障反馈文件的统计分析表明，在结构的各种 失效形式中，发生频率最高同时对泵车安装运行影响最大的故障是疲劳开裂，疲 劳开裂在总的故障中占8 6 ，特别是顶板母材的开裂，往往会造成灾难性的事故。 泵车结构典型故障统计结果如图2 - 4 所示，泵车臂架结构上故障类型和故障部位 发生频次所占总故障中的百分比如图2 5 所示： 图2 - 4 泵车结构典型故障统计结果 顶板母材开裂2 2 焊缝开裂 9 图2 - 5 泵车臂架结构故障发生频次百分比 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章泵车臂架结构有限元建模及强度分析 从图2 - 4 和图2 5 中可以看出，臂架结构发生破坏的主要形式是疲劳破坏， 而发生疲劳破坏的主要类型是磨损和开裂，发生开裂和磨损的主要原因是臂架结 构的在工作过程中发生低频振动，长时间的工作引起臂架结构发生疲劳破坏。因 此对臂架结构进行强度分析和振动性能研究是非常有必要的。 疲劳开裂归根到底属于疲劳强度问题，而最能反映结构疲劳状态的信息是结 构加载与卸载的应力循环。应力测试及寿命预测往往是在对大型的工程机械进行 性能评估采取的重要的技术手段。因此对泵车结构拟采取应力监测的方法，将疲 劳累积损伤作为泵车结构健康评价的一个指标。 所以为了能够使泵车安全使用和合理安排对泵车的检修，必须对泵车各个系 统进行健康监测，并准确无误地掌握泵车工作的状态信息。本课题结合泵车结构 特点、工作环境、工作载荷的分析，研究了泵车结构疲劳寿命和振动特性进行了 试验研究和仿真分析i l 5 j 【l 6 。 2 1 2 臂架结构主要技术参数 按臂架长度分类，泵车臂架可以分为： 短臂架：臂架垂直高度小于3 0 m ： 常规型：臂架垂直高度大于等于3 0 m d 、于4 0 m ； 长臂架：臂架垂直高度大于等于4 0 m t j , 于5 0 m ； 超长臂架：臂架垂直高度大于等于5 0 m 。 其主要规格有：2 4 m 、2 8 m 、3 2 m 、3 7 ( 3 6 ) m 、4 0 m 、4 2 m 、4 5 ( 4 4 ) m 、4 8 m 、 5 0 m 、5 2 m 、5 6 ( 5 5 ) m 、6 0 ( 5 8 ) m 、6 2 m 、6 6 ( 6 5 ) m 。 以三一重工生产的3 7 米泵车为例，其臂架结构主要技术参数为： 形式：四节卷折全液压 最大离地高度：3 6 6 0 m 输送管径：d n l 2 5 末端软管：3 m 第一节臂长度转角：8 7 0 0 m i n x9 2 。 第二节臂长度转角：7 8 6 0 m i x1 8 0 。 第三节臂长度转角：7 9 8 0 m i x1 8 0 。 第四节臂长度转角：8 0 8 0 r a m 2 4 5 。 转台旋转角：3 6 5 。 臂架水平长度：3 2 6 2 m 臂架垂直高度：3 6 6 0 m 液压系统压力：3 2 m p a 中南大学硕士学位论文第二章泵车臂架结构有限元建模及强度分析 2 2 混凝土泵车臂架模型的建立 论文以某公司生产的3 7 米泵车为原型，利用p r o e 软件建立混凝土泵车的三 维模型，如图2 6 所示： 图2 - 6 臂架结构在p r o e 中三维模型 在混凝土泵车臂架的三维模型导入m s c p a t r a n 之前，首先设置m s c p a t r a n 的工作环境如下：选择一套封闭的单位制，否则无法确定计算结果的单位，也就 失去了其应有的物理意义。由于在建立三维模型时长度单位用毫米( 咖) ，所以 在有限元建模时，重力加速度为一9 8 0 0 m 加3i s ，长度、质量、力、时间、分别是 m m 、t 、n 、s 。在p r o e 中把臂架系统的装配图另存为i g e s 格式的文件，导入到前 处理软件m s c p a t r a n 中，模型导入之后，进行网格划分【1 5 】【1 6 】。 2 2 1 模型简化 在建立有限元模型时，为了防止问题过于复杂，应该在满足臂架主要力学特 征前提下，臂架结构中有些部位需要简化，有些细节需要保留，尽量简化模型， 简化模型要遵循以下几点： a ) 保留危险部位和故障频发部位的细节结构。 b