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学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密d 。 学位论文作者签名：弓毒二脚 7 ，年蜘月佣 指剥雠：彩姜玛谬 加1 年莎e j0 2 日 基于a d a m s 和a m e s i m 混凝土泵车 臂架仿真研究 c o s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h et r u c km o u n t e dc o n c r e t e p u m p b a s e do na d a m sa n da m e s i m 姓 2 0 1 1 年0 5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 混凝土泵车是集输送成品混凝土与浇筑工序为一体、可以连续均匀地将混凝 土泵送至某一高度的建筑工程机械，是现代建筑业中不可缺少的专用车型之一。 在混凝土泵车的实际作业过程中，臂架变幅油缸是实现臂架伸展、收合和浇筑混 凝土至预定地点的唯一原动件。由于臂架系统的运动性能对泵车的可靠工作具有 决定性的作用，因此分析臂架变幅机构的运动学、动力学以及液压回路的特性显 得尤其重要，是整个泵车臂架设计最重要的部分。本文采用动力学仿真软件 a d a m s 和液压系统仿真软件a m e s i m 研究了混凝土泵车臂架变幅机构的运动 学、动力学以及液压回路的特性。 首先，介绍了混凝土泵车主要组成部分，对臂架布料杆连接装置、卷折形式 进行了分析，重点建立了臂架变幅机构结构简图，分析了变幅机构运动学、动力 学原理，表明在臂架运动过程中，臂架变幅油缸长度与臂架之间的夹角存在一定 的关系，臂架变幅油缸受力与臂架自重、变幅机构铰点坐标值相关。 其次，利用动力学仿真软件a d a m s 对所建立的泵车臂架仿真模型在水平工 况下依次收回动作进行了运动学及动力学仿真分析，发现各节臂架质心运动速度 曲线以及臂架铰点受力曲线在臂架运动开始和结束时波动较大。由于变幅油缸是 臂架系统唯一的原动力，通过创建变幅油缸设计变量方法仿真出各变幅油缸的最 大受力，并在此基础上，以变幅机构4 为例，采用a d a m s d o e 手段对变幅机 构铰点坐标值进行了灵敏度分析并最终优化设计了铰点坐标值，使变幅油缸4 最 大受力从5 3 9 4 3 3 n 减小为4 3 9 4 3 0 n ，减幅达到1 8 5 ，有效地减小了变幅油缸4 的最大受力。 最后，在液压系统仿真软件伽s h n h c d 库中建立了含有p s l 负载敏感式 比例多路换向阀的液压回路，并将臂架动力学模型导入其中进行联合仿真。分析 研究了液压缸1 在将整个臂架从水平工况举升至垂直工况过程中，液压系统中液 压缸压力、流量以及液压缸受力状态。结果表明：在举升过程中液压缸l 无杆腔 压力逐步减小，有杆腔压力逐步增加，平衡阀m 口压力缓慢增加，数值变化并 不明显，无杆腔流量基本保持不变，液压缸1 活塞杆移动速度保持匀速运动，符 合液压系统回路对臂架匀速控制的要求。另外，对臂架在水平工况下整体举升过 程中液压缸1 无杆腔和平衡阀m 口压力进行了测试，试验数据与仿真数据基本 基于a d a m s 和a m e s i m 混凝土泵车臂架仿真研究 一致，表明所建液压系统模型合理。联合仿真研究方法和结果对于研究混凝土泵 车臂架综合性能、提高新产品开发的质量具有一定的实际意义。 关键词：混凝土泵车，变幅油缸，a d a m s ，a n i e s i m ，p s l 比例多路换向阀， 最大受力，联合仿真 江苏大学硕士学位论文 c o n c r e t ep u m pv e h i c l ei si n d i s p e n s a b l es p e c i f i cm o d e mc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y w h i c hc a l lt r a n s p o r ta n dp o u rc o n c r e t et oah i g hd e g r e ep o s i t i o nc o n t i n u o u s l ya n d e v e n l y d u r i n ga c t u a lo p e r a t i o no ft h et r u c km o u n t e dc o n c r e t ep u m p ，t h ea m p l i t u d e c h a n g i n gm e c h a n i s mo fc y l i n d e ri s t h eo n l ye n e r g yp o w e ro u t p u tt oa c h i e v ei t s f u n c t i o n so fu n f o l d i n ga n df o l d i n gb o o m sa sw e l la sf i x i n gb o o m st oap r e c i s e p o s i t i o n ，s oa n a l y s i so ft h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ea m p l i t u d e m e c h a n i s mo fc y l i n d e rb e c o m e st h em o s ti m p o r t a n tp a r tt ot h eo v e r a l ld e s i g no ft h e t m c km o u n t e dc o n c r e t ep u m pf o ri t ss e r i e so fm o t i o nm o d e s t h ed i s s e r t a t i o na i m st o s i m u l a t em o v e m e n to ft h ea m p l i t u d ec h a n g i n gm e c h a n i s mo fc y l i n d e ra n dd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i co f h y d r a u l i cs y s t e mu n d e rt h es o f t w a r eo fa d a m s a n da m e s i m f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h em a i nc o m p o n e n t so ft h ec o n c r e t ep u m p v e h i d e ，t h ec o n n e c t i o nm e a n sa n df o l d i n gf o r m so ft h et r u c km o u n t e dc o n c r e t ep u m p s e p a r a t e l y , a n dt h e nt h ea r t i c l ee s t a b l i s h e dt h es c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o np r i n c i p l eo ft h e a m p l i t u d ec h a n g i n gm e c h a n i s mo fc y l i n d e ra n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l e so fk i n e m a t i c s a n dd y n a m i c so fi t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el e n g t ho fc y l i n d e rh a dac o n n e c t i o n 丽mt h ea n g l eb e t w e e nb o o m s ，a n dt h ef o r c eo fc y l i n d e rw a sr e l a t e dt ot h ec o o r d i n a t e s o ft h ea m p l i t u d em e c h a n i s ms e p a r a t e l y s e c o n d l y , b o t hk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nw e r et a k e nd o w nf o rf o l d i n g t r u c km o u n t e dc o n c r e t ep u m po nc o n d i t i o nt h a ta l lb o o m si nh o r i z o n t a ll e v e lw i t h d y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa d a m s ，b i gf l u c t u a t i o n so fv e l o c i t yc u r v ea n df o r c e c u r v ew e r ef o u n dw h e ns t a r t i n ga n df i n i s h i n gt h eb o o m s t h ea d a m ss i m u l a t e dt h e m a x i m u mf o r c eo fe a c hc y l i n d e rw i t l lt h em e t h o do fc r e a t i n gd e s i g nv a r i a b l e si nt h e e n v i r o n m e n to fa d a m s v i e w , t h em a x i m u mf o r c eo fh y d r a u l i cc y l i n d e r4u n d e rt h e t h i r dc o n d i t i o nw a sr e d u c e dt o4 3 9 4 3 0 na f t e ro p t i m i z a t i o n ，ad e c r e a s eo f1 8 5p e r c e n t o v e rt h ep r e v i o u sm a x i m u mf o r c e5 3 9 4 3 3 n ，i tw o r k e dw e l la n di m p r o v e dt h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo fa m p l i t u d ec h a n g i n gm e c h a n i s mo fb o o ms y s t e md r a m a t i c a l l y f i n a l l y , t h eh y d r a u l i cc i r c u i ti n c l u d i n gt h ep s l l o a ds e n s i t i v ea n dp r o p o r t i o n a l r i 基于a d a m s 和a m e s i m 混凝土泵车臂架仿真研究 m u l t i w a yd i r e c t i o n a lv a l v ew a se s t a b l i s h e di nh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e a m e s i m sh c d l i b r a r y , a n dt h ed y n a m i cm o d e lw a si m p o r t e di n t oh y d r a u l i cc i r c u i t f o rc o s i m u l a t i o n t h ec o - s i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h er o d l e s sc a v i t yp r e s s u r eo f c y l i n d e r lr e d u c e dg r a d u a l l yw h i l et h em dc a v i t yp r e s s u r eo fc y l i n d e r li n c r e a s e df r o m l e v e lc o n d i t i o nt ov e r t i c a lc o n d i t i o n mp o i n tp r e s s u r eo fb a l a n c ev a l v eh a dal i u l e d i f f e r e n c ed u r i n gt h em o v e m e n to ft r u c km o u n t e dc o n c r e t ep u m p ，t h ef l o wo fr o d l e s s c a v i t ya n dt h ev e l o c i t yo fr o do fc y l i n d e r lt e n d e dt oc o n s t a n tv a l u es e p a r a t e l y , t h e s e v a l u e sm e tt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t sf o rt h eu n i f o r mv e l o c i t yc o n t r o lo ft h eh y d r a u l i c c i r c u i tt ot h eb o o ms y s t e m a d d i t i o n a l ，p r e s s u r et r a n s d u c e rt e s t e d t h ep r e s s u r eo f r o d l e s so fc y l i n d e r la n dm p o i n tp r e s s u r eo fb a l a n c ev a l v e ，t h em e a s u r e dr e s u l t sw e r e c o n s i s t e n tw i t ht h a to ft h ec o s i m u l a t i o n ，a n di ts h o w e dt h a tt h ed y n a m i cm o d e la n d t h eh y d r a u l i cm o d e lw e r ec o n s t r u c t e dr e a s o n a b l ya n dr e l i a b l y s i m u l a t i o nr e s e a r c h m e t h o d sa n dr e s u l t sh a v ec e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nr e s e a r c h i n gp e r f o r m a n c eo f t r u c km o u n t e dc o n c r e t ep u m p ，a n di m p r o v et h eq u a l i t yo fn e wp r o d u c t s k e yw o r d s ：c o n c r e t ep u m pv e h i c l e ，t r u c km o u n t e dc o n c r e t ep u m p ，a d a m s ， a m e s i m ，m a x i m u mf o r c e ，p s ll o a ds e n s i t i v ea n dp r o p o r t i o n a lm u l t i w a yd i r e c t i o n a l v a l v e ，c o - s i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 混凝土泵车概述1 1 2 混凝土泵车的发展状况1 1 2 1 混凝土泵车国外发展状况1 1 2 2 混凝土泵车国内发展状况3 1 3 混凝土泵车臂架研究现状4 1 4 本论文的研究意义及主要内容6 第二章混凝土泵车臂架模型的建立7 2 1 混凝土泵车结构介绍7 2 1 1 底盘系统7 2 1 2 液压系统8 2 1 3 泵送系统8 2 1 4 电气控制系统9 2 1 5 底1 9 ! 9 2 1 6 臂架系统9 2 2 臂架系统变幅机构分析。1 0 2 2 1 臂架布料杆连接装置1 0 2 2 2 臂架布料杆卷折形式1 1 2 2 3 臂架变幅机构运动学与动力学分析1 2 2 3 基于p r o e n g i n e e r 的三维臂架实体模型建立。1 5 2 3 1 p r o e n 舀n e e r 软件主要模块及工作模式1 5 2 3 2 混凝土泵车臂架建模与装配1 5 2 4 本章小结1 8 第三章基于a d a m s 混凝土泵车臂架变幅机构仿真 1 9 3 1 仿真技术介绍1 9 3 2a d a m s 基本理论。2 0 3 2 1a d a m s 动力学分析软件介绍2 0 3 2 2 运动学和动力学基本概念2 0 3 2 3多刚体动力学方程2 2 3 2 4 多刚体算法2 6 3 3混凝土泵车臂架a d a m s 仿真模型的建立。2 7 3 3 1a d a m s v i e w 环境下建立仿真模型2 7 3 3 2 臂架系统整体自由度计算2 9 3 4 臂架模型动力学分析3 0 3 4 1 混凝土泵车臂架运动学与动力学分析3 0 3 4 2 混凝土泵车臂架变幅油缸最大受力分析3 3 v 基于a d a m s 和a m e si m 混凝土泵车臂架仿真研究 3 5 臂架变幅油缸受力优化设计3 6 3 5 1 臂架变幅机构的参数化设计3 6 3 5 2 灵敏度分析3 7 3 5 3 创建变幅机构设计变量3 8 3 5 4 创建目标函数3 8 3 5 5 创建铰点约束条件3 8 3 5 6 变幅油缸4 最大受力优化仿真3 9 3 6 本章小结4 0 第四章基于a m e s i m 的混凝土泵车臂架液压系统仿真模型的建立4 1 4 1a m e s i m 软件介绍4 1 4 i 1a m e s i m 软件的基本特性及应用方法4 2 4 1 2a m e s i m 软件的应用方法研究4 2 4 2 混凝土泵车臂架液压系统4 4 4 2 1 混凝土泵车臂架液压系统回路分析4 4 4 2 3 基于a m e s i m 臂架液压系统关键元件建模。4 6 4 2 4 泵车臂架液压系统的整体a m e s i m 模型。5 1 4 3 本章小结5 2 第五章混凝土泵车臂架动力学联合仿真 5 1 联合仿真意义5 3 5 2 联合仿真模型的建立。5 3 5 2 1 确定输入与输出关系5 3 5 2 2 设置接口的输入输出状态变量5 4 5 2 3 建立a d a m s 输出系统模型。5 5 5 2 4a d a m s 输出系统导入a m e s i m 软件。5 6 5 3 联合仿真及分析结果。5 8 5 4 臂架水平工况举升试验6 1 5 5仿真结果与试验结果的比较6 2 5 6 本章小结“ 第六章全文总结与展望 6 1 全文总结6 5 6 2 工作展望。6 6 致谢 参考文献 攻读硕士期间发表的学术论文 v i 6 7 6 7 7 1 江苏大学硕士学位论文 1 1 混凝土泵车概述 第一章绪论 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，是可以连续 均匀地泵送混凝土至某一高度的专用车型，已成为现代建筑业中不可缺少的一种 工程机械。混凝土泵车主要部分包括标准底盘、分动装置、液压系统、底座和支 腿、料斗和泵送系统、臂架系统、电控系统和遥控装置等【1 1 。相比以前的建筑施 工条件，使用混凝土泵车能够极大地缩短建筑工期和劳动消耗，能够迅速、及时 地完成施工任务。在混凝土工程施工过程中，混凝土机械需求量很大，广泛应用 于工业、民用建筑以及国防施工等建设工程。在工业发达国家混凝土机械生产的 先进程度标志着一个国家制造业的水平。 混凝土泵车具有机动灵活、施工程序简单、工作效率和浇注质量高等优点， 其最大的优点在于能够方便的垂直输送混凝土至预定地点。在我国接下来的 2 0 3 0 年期间，需要建造一大批房地产、煤矿、油田、电站、港口、高速铁路等 重点工程，尤其面对西部大开发这样的背景下，国家和当地政府都需要大量混凝 土泵车，因此混凝土泵车制造企业拥有广阔的前景，将会在交通、能源、水利、 城乡建设等领域中发挥着不可估量的作用。我国于2 0 0 1 年颁布的散装水泥发 展“十五”规划发展目标要求，直辖市、省会城市、沿海开发城市和旅游城市 要积极发展预拌混凝土，禁止在城区现场搅拌混凝土；其它城市也于2 0 0 5 年起， 禁止在城区现场搅拌混凝土。这给商品混凝土的运输、浇筑机械行业提供了极大 的市场空间，混凝土泵车的市场需求将有极大的发展【2 】。 1 2 混凝土泵车的发展状况 1 2 1 混凝土泵车国外发展状况 德国是目前欧洲混凝土泵车最大生产国之一，它拥有一批规模大、技术水平 高的混凝土泵车制造企业，具体有施维英( s c h w i n g ) 、普茨迈斯特( p u t z m e i s t e r ) 、 利勃海尔( l i e b h e r r ) 、埃尔巴( e l b a ) 、特卡( t e k e ) 、莱西( r e i c h ) 等【3 】。 1 9 0 7 年德国就有人取得混凝土泵的专利权，制造出第一台混凝土泵。1 9 2 7 基于a d a m s 和a m e s i m 混凝土泵车臂架仿真研究 年德国的弗里茨海尔( f r i t zh e l l ) 设计了一种新型混凝土泵，并首次获得应用。 1 9 3 0 年德国制造出了立式单缸球阀活塞泵，这种泵靠曲柄和摇杆传动，且为立 式单缸，其工作性能较差。1 9 3 2 年荷兰人库依曼( j c k o o y m a n ) 制造出卧式 缸混凝土泵，该泵拥有连杆操纵联动的旋转阀，极大地提高了混凝土泵车工作的 可靠性【4 1 。第二次世界大战之后，随着各国经济的快速恢复，工程建设规模日益 扩大，混凝土泵车在工程机械领域中的销量一路攀升，应用r 益增多。1 9 5 9 年， 联邦德国施维英( s c h w i n g ) 公司生产出第一台全液压式混凝土泵，奠定了混凝 土泵的基础，它由液压系统提供动力来驱动活塞和阀门，并且使用后用高压水对 泵和活塞缸进行清洗。这种液压泵功率大、排量大、输送距离远，而且可以做到 无级调节，活塞往复运动，大大减少了工作过程中活塞的堵塞现象，由于液压式 混凝土泵在性能上显示出明显的优势，在当时混凝土泵车领域，液压式混凝土泵 车无论在品种、数量上都占据了一定的优势。在六十年代，德国施维英公司又将 液压泵工作系统安装在汽车的底盘上，并配备了回转和伸缩的布料杆、s 管阀， 这一设计，使得混凝土泵车的浇筑工作更加灵活多变，浇筑地点更加准确，因而 使得混凝土泵车成为目前工程机械大力发展的对象。现在，德国混凝土泵车的生 产已经形成系列化，其中普茨迈斯特公司生产的混凝土泵车臂架布料杆垂直高度 分布有1 6 一- 7 0 m ，混凝土输送量分布有6 6 2 0 ( 0 1 3 1 1 ，布料杆节数主要有四节和五 节两种，其中m 7 0 5 型泵车臂架整体高度有7 0 m ，r z 折叠型5 节，采用了最具 特点的“c 型管阀，臂架布料杆能在5 3 m 高度形成1 7 m 的水平布料半径。 美国是继德国发展混凝土泵车最早的国家之一，美国人考纳尔( c o m e l l ) 在 1 9 1 3 年也制造出了混凝土泵车样机，并取得专利权，美国也有不少混凝土泵车 制造企业，如罗斯( r o s e ) 、伊利( e r i e ) 、霍内( h o r m e t ) 、瑞德( r e e d ) 、福来 纳( f r e i g h t l i n e r ) 等。在上世纪6 0 7 0 年代，挤压式混凝土泵车在美国使用较多， 目前主要采用活塞式混凝土泵车。美国除注重混凝土泵车制造业的发展外，对混 凝土泵送技术的研究也十分注重，成立了美国混凝土协会( a c i ) 3 0 4 委员会， 在研究泵送基础上制定了一系列指导混凝土施工的文件、法规、标准等，使美国 混凝土泵车使用十分普遍【5 1 。日本是亚洲混凝土泵车发展最早、最快的国家，其 混凝土泵车制造企业有日本石川岛重工、三菱公司、新泻铁工、萱场( k a y a b a ) 、 光泽( k o v o ) 、日工( n i k k o ) 、田中( t a n k a ) 等。由于受道路条件的制约，日 2 江苏大学硕士学位论文 本长臂架混凝土泵车的发展受到限制，目前生产的臂架高度为3 6 米左右。然而 它也十分注重混凝土泵送技术的研究，在1 9 7 0 年代初制定了“泵送混凝土施工 规程 ，对混凝土的泵送做了大量的实验和推广工作【6 】。 1 2 2 混凝土泵车国内发展状况 我国自1 9 5 0 年代就从国外引进混凝土泵车，但直到1 9 8 0 年代中期，在建设 部的推动下，沈阳工程机械厂、湖北省建筑机械厂先后引进国际著名混凝土泵车 生产公司的技术，我国才开始正式进入生产混凝土泵车时代。目前国内生产混凝 土泵车的厂家主要有：三一重工集团、中联重科、湖北建设机械股份有限公司、 徐工集团、山东鸿达建工集团、中集集团等【7 】。 目前，我国混凝土泵车生产技术基本实现自产自销，所产混凝土泵车布料杆 的垂直高度有3 7 、4 3 、4 5 、4 8 、5 2 、5 6 、6 2 、7 2 m 等；臂架节数主要有四节和 五节两种；混凝土输送缸排量有8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 m 3 h 等；混凝土输出 压力4 6 - - 8 2 m p a n ；汽车底盘主要选用日本五十铃、国产北方奔驰、沃尔沃等； 泵车的臂架、底架、支架、转台等主要钢结构件均采用高强进口钢板。液压系统 有开式和闭式两种，其中对主油缸( 混凝土活塞缸的驱动油缸) 与换向油缸( 混 凝土分配阀驱动油缸) 的控制，采取顺序回路和卸荷回路。液压系统中各种阀的 安装形式有分立式、集成式和插装式等多种。主油缸活塞的密封形式有多种，主 要采用“u ”型密封、矩形密封、活塞环密封等【9 埘。 随着商品混凝土行业的发展，长臂架、高效率、大排量臂架式混凝土泵车将 得到用户的青睐，目前国内混凝土泵车主流臂架高度为4 5 5 6 m 。2 0 0 3 年三一重 工研制出臂架垂直高度5 6 m 的混凝土泵车，成为当时世界生产此种长臂架泵车 的三家企业之一，使中国的泵车及臂架研发进入世界先进行列。2 0 0 7 年三一重 工又成功研制出垂直高度为6 6 m 的泵车臂架，成功打破世界最长臂架高度记录， 2 0 0 8 年三一重工自主研发的7 2 m 混凝土泵车成功下线，成为世界最长臂架。 今后国产泵车的发展趋势仍是长臂架和大排量。随着我国城市建设速度的加 快，建筑楼层逐渐增高，如今的泵车泵送楼层高度一般为1 5 层左右，对于更高 楼层的混凝土输送仍然使用塔吊，所以对于更长臂架提出了更高的要求。对于泵 车排量，随着泵车臂架越长，车型越大，为了改善臂架的振动情况，降低混凝土 3 基于a d a m s 和a m e si m 混凝土泵车臂架仿真研究 泵车的泵送频率，会要求输送缸的缸径越来越大，泵送压力越来越高，目前泵送 主油泵出口压力可以达到2 2 m p a 左右，而且还有继续提高的趋势。 1 3混凝土泵车臂架研究现状 目前，随着混凝土泵车同益广泛的应用，臂架系统作为泵车主要的工作部件 逐渐引起各研究机构和泵车生产企业的重视。其中臂架研究的主要方向集中在减 小泵车臂架振动、臂架系统的智能化控制、臂架结构件有限元分析、臂架液压回 路动态仿真分析、臂架优化设计、泵车臂架柔性化研究等六个方面。 1 减小泵车臂架的振动 长安大学的吕彭民和汪红兵等人【1 1 】对混凝土泵车臂架系统的振动问题进行 了分析，采用a d a m s 软件建立了泵车臂架系统的动力学仿真模型。通过臂架模 态分析，得到了泵车的固有频率和振型，找出了泵车臂架振动较大的原因，为泵 车臂架结构改善提供了依据。吉林大学的孙利伟【1 2 】以臂架系统在以混凝土的冲击 力为激励的情况下，研究了臂架的谐振响应，得到了臂架测试点的振动位移与振 动加速度的频率响应曲线，通过分析得到不同频率对臂架系统振动的影响。中南 大学的张大庆等人【1 3 】对混凝土泵车泵送液压系统进行了多工况的测试，并进行了 泵车固有频率测试及多工况动应变测试。通过测试数据分析，得到各个工况的动 应力变化范围、工作频率及泵车的固有频率，并与对应工况的液压测试结果相比 较，得到了泵车振动冲击较大的主要原因，并提出了最佳的液压系统流量。 2 臂架系统的智能化控制 东北大学的周淑文等人【1 4 1 5 】通过应用机器人虚拟现实技术和插补算法，对混 凝土泵车智能浇筑过程进行了仿真，重点研究了泵车臂架运动学方程、轨迹规划 及泵车臂架智能控制系统，仿真了混凝土泵车自动浇注过程在三维平台下工作总 体性能，结果表明，浇注口能很好地沿着设计者的路线进行自动浇注。沈阳理工 大学的王铁和清华大学的王甘副1 6 】利用p s o 算法和鲁棒性p d 技术控制混凝土 泵车臂架，依靠这种方法，很好的保证臂架的动态和静态特性，提高了臂架联合 动作的实时性和准确性。通过仿真实例分析，p s o 和自适应鲁棒p d 方法适合混 凝土泵车臂架控制。 3 臂架结构件有限元分析 4 江苏大学硕士学位论文 同济大学的张艳伟等【1 7 】根据混凝土泵车的实际工况给出了各节臂架最危险 工况下受力理论值的计算方法，并对各界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，有限元分析结果和测试结 果十分吻合，在满足强度和刚度的条件下，为臂架结构的局部改进提供了依据。 徐工集团的史先信、郑永生等【1 8 】对4 8 m 混凝土泵车臂架采用a n s y s 分析软件， 对其强度和刚度进行了有限元分析，全面分析了布料杆在最危险作业工况下的应 力分布情况、变形情况和固有频率分布范围，形成基于a n s y s 软件平台的泵车 臂架计算分析方法，为大型泵车臂架的优化设计和改进提供了有力的支撑。 4 臂架液压回路动态仿真分析 长沙理工大学的张仕全【1 9 】利用功率键合图，建立了混凝土泵车第一节臂架液 压系统数学模型，并利用m 棚a b s i m u u n k 软件对所建动态模型进行了仿真， 通过优化平衡回路的阻尼比、流量系数、流量压力系数和放大系数等参数，可以 改善臂架液压系统的动态特性，为泵车安全阀的设计提供了必要理论依据。 5 臂架结构优化设计 长春工业大学的勾治践、潘小平【2 0 1 在泵车产品的开发中引入优化设计的概 念，运用动力学仿真软件a d a m s 对混凝土泵车3 7 m 臂架系统进行仿真分析， 模拟臂架的实际工作状况。他们以泵车4 节臂架全部水平工况为基础，仿真各铰 接点和各支油缸的最大受力情况，并利用a d a m s 中的d o e 手段对臂架变幅油 缸的最大受力进行优化设计，以3 号油缸最大受力为例，通过a d a m s 优化设计 分析功能，其所受压力数值从优化前的2 7 1 2 1 n 降为9 5 5 6 5 n ，减幅达到6 4 3 ， 油缸受力明显减小，优化效果明显。另外武汉理工大学的陈凯【2 1 】利用遗传算法调 用b p 网络训练结果进行结构设计参数优化，并开发了混凝土泵车优化设计软件， 通过优化，臂架结构主要设计参数有不同程度改善，达到了优化目的。 6 臂架柔性化研究 东北大学的才娟等人【捌将柔性多体动力学理论应用于泵车臂架的分析中，利 用递推列式和拉格朗日方程建立泵车臂架的动力学模型，采用a d a m s 分析软件 对泵车臂架系统进行刚柔模型分析，通过对臂架各杆的位移、速度和加速度以及 所受力合力矩的分析，得出柔性分析对臂架系统末端轨迹的描述更加准确，更符 合实际情况。长安大学的王瑞等【2 3 l 综合利用m s c n a s t r a n 和a d a m s 软件， 5 基于a d a m s 和a m e si m 混凝土泵车臂架仿真研究 建立了泵车臂架的刚柔耦合模型，通过对建立的臂架刚柔耦合模型进行动力学仿 真，得到各臂架的边界条件和载荷时间历程，利用得到的边界条件和载荷时间历 程，在m s c f a t i g u e 软件中对各个臂架进行寿命分析，绘出臂架的寿命云纹图； 基于混凝土泵车臂架动应力实验得到的危险点应力时间历程，估算出臂架危险点 寿命，并与仿真结果进行比较，验证了仿真的实用性和有效性。 1 4 本论文的研究意义及主要内容 臂架系统是混凝土泵车最重要的工作部件，由于其在实际工作过程中运动的 多样性和臂架变幅机构铰点位置受力的复杂性，使得臂架变幅机构受力非常复 杂，运用一般的手工计算方式比较困难，论文通过动力学仿真软件a d a m s 和液 压仿真软件a m e s i m 对臂架系统运动过程中变幅机构的动力学特性以及臂架液 压系统元件的动态特性进行分析。在泵车新产品的前期开发过程中，仿真分析的 方法能够实现臂架变幅机构受力情况的快速计算，对变幅机构连杆设计、液压系 统元件的选型具有重要的指导作用。 本文以某大型特种车有限公司混凝土泵车4 8 m 臂架为研究对象，主要研究 内容如下： 1 分析混凝土泵车臂架变幅机构的运动学、动力学原理，建立泵车臂架零 部件及整车臂架仿真模型； 2 对泵车变幅油缸在实际作业工况过程中进行运动学和动力学分析，确定 各节臂架变幅油缸的最大受力，并利用a d a m s 软件的d o e 手段对臂架3 和臂 架4 之间的变幅油缸受力进行优化设计； 3 对臂架液压回路进行详细的分析，利用a m e s i m 软件的阀和信号模块建 立臂架p s l 模块、p s l 多路换向阀模块、变幅油缸和平衡阀模块的模型，并进 行参数设置； 4 利用a d a m s 和a m e s i m 软件之间的联合接口，将建好的a d a m s 动力 学模型导入a m e s i m ，联合仿真混凝土泵车5 节臂架从水平工况运动至垂直工况 过程中，臂架液压缸1 工作特性以及液压系统关键元件的动态性能，最后将液压 缸1 仿真数据与试验结果进行比较，以验证模型及仿真结果的合理性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章混凝土泵车臂架模型的建立 2 1 混凝土泵车结构介绍 混凝土泵车主要由底盘系统、泵送系统、臂架系统、电气控制系统、液压系 统、底架等构成，其基本结构组成如图2 1 所示。 图2 1 混凝土泵车基本构成 1 底盘系统2 一回转机构3 一液压系统4 臂架系统5 一泵送系统6 底架 f i g 2 1b a s i cc o n s t i t u e n to fc o n c r e t ep u m pv e h i c l e 2 1 1 底盘系统 混凝土泵车一般采用载货汽车二类底盘或专用底盘改装而成，泵车所有的工 作装置几乎全部安装在底盘上，它既要满足各个装置的运动传递、空间配置，又 要承受所有装置带来的负载，还要保证泵车工作的稳定性要求，所以底盘的设计 和选用十分重要。泵车底盘能满足整个动力传动系统的功率要求，并通过合理的 分配和安置各工作装置，使其能够承受机体的重量及工作载荷和附加载荷的作 用。目前国内生产的混凝土泵车所选用的底盘主要集中在奔驰( m e r c e d e s b e n z ) 、 沃尔沃( v o l v o ) 、五十铃( i s u z u ) 几种专用底盘上，这些专用底盘一般是采 用带驾驶室的二类汽车底盘，泵车的上车部分安装在汽车底盘上，底盘与上车部 分的尺寸规格要求配套，泵送部分与臂架部分通过底盘取力装置由底盘提供动 7 基于a d a m s 和a m e si m 混凝土泵车臂架仿真研究 力。在取力器的选用上，通常在底盘后驱传动轴中间增加分动箱，这样通过分动 箱内的拨差来切换行驶和泵送两种不同状态。混凝土泵车的动力来源于汽车发动 机，发动机通过变速箱和分动箱驱动混凝土油泵、搅拌器油泵和作业机构油泵工 作。变速箱通过万向节和分动箱连接，分动箱又通过万向节与混凝土油泵、搅拌 系统油泵和臂架系统油泵相连接。分动箱的传动依据底盘发动机特征曲线和所选 主油泵的额定转速确定，这样可充分合理的发挥发动机和油泵的有用功率，提高 泵车的整车使用效率剐。 2 1 2 液压系统 目前国内外混凝土泵车全部采用液压传动，其液压系统主要由液压泵、液压 马达、液压缸、换向阀、活塞缸、蓄能器、过滤器、阀门、压力表、油管及油箱 等组成。混凝土泵车液压系统共分为四个子系统：泵车主液压系统、臂架支腿和 转台液压系统、泵车搅拌和冷却液压系统和水洗液压系统。混凝土泵车的液压系 统有开式系统和闭式系统两种。开式液压系统具有油液清洁度高、油温低、液压 元件集成化、工作可靠、维修方便等优点，但换向冲击较大：闭式液压系统换向 平稳，但油温较高，影响系统寿命。目前液压系统正向集成化的方向发展，普遍 采用开式及恒功率系统，采用大流量的变量油泵。全液压控制技术、计算机控制 技术取得突破性进展，全液压换向和计算机闭环控制系统已经被广泛应用【2 5 1 。 2 1 3 泵送系统 混凝土泵车泵送系统由泵送机构、料斗、分配机构、搅拌机构及清洗机构等 部件组成的，目前泵车泵送系统的主要任务是具有理论输送量大、换向次数少、 排量大、稀料性能好、推送换向冲击噪音低、混凝土活塞寿命长等。在这些因素 中，最重要的是泵车的理论输送量大，这是因为在大型工程的施工过程中，为了 避免浇筑时间过长使混凝土发生离析，需要在短时间之内将搅拌罐中大量混凝土 泵送至预置地点，因此也就需要混凝土泵车具有更大的输送量。现在国内生产的 混凝土泵车输送量一般为1 0 0 - - - 1 8 0 m a h ，国外最大理论输送量已达3 0 0 m a h ，目 前国内混凝土泵车最大泵送量与国外的差距正逐步减小【施2 7 l 。 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 4 电气控制系统 混凝土泵车的电气控制系统是通过控制泵送系统和臂架系统进行混凝土高 空作业、布料杆清洗的装置，主要由电控箱、操作面板、p l c 、无线遥控操作器 等组成。其主要功能有：可实现泵送排量无级调速、全自动高低压切换、臂架回 转变幅、砼活塞自动退回、发动机转速闭环控制、无线遥控等作业。电气控制系 统的设计是否合理直