混凝土泵車臂架結構分析與優(yōu)化設計產泵車產品進一步打入國際市場。我國自行制造的泵車常用的臂架垂直高度通常在17 86m,值得一提的是在2011年,中聯(lián)重科輩千仿生6節(jié)臂專利技術開發(fā)，采用了緊湊型7節(jié)臂折疊技術，整車長度較同級別產品短30%,轉彎半徑更小，場地適應性更好；同時，通過全工況載荷模擬和計算，全面應用CIFA臂架技術，載荷分布均勻，臂架重心較同類產品低10%, 整車安全穩(wěn)定；多級伸縮腿專利技術，在保證支腿跨距的同時，減少展腿面積約35%, 而三一重工緊接著馬上推出86m泵車，這臺86米泵車采用世界首創(chuàng)7節(jié)臂設計， 施工范圍較5節(jié)、6節(jié)臂更大。同時為解決臂架高強鋼板形變大和沖擊韌性低的難題，三一還創(chuàng)新熱處理工藝自主研制出1200MPa高強鋼板，泵送排量從230而/h提升至240而/h,再次刷新泵送排量世界紀錄，它還開發(fā)出具有完全自主知識產權的9橋全路面底盤，打破了進口底盤對長臂架泵車底盤市場的壟斷，突破了進口底盤對國內的技術封鎖，保證了泵車的產業(yè)安全。目前我國生產的泵車臂架節(jié)數有三節(jié)到七節(jié)不等，最常見的還是三至五節(jié)臂，混凝土輸送量范圍在50而Ih240而/ho中聯(lián)重科、三一重工關千臂架式泵車的探索與開發(fā)在同行之中處千領先的狀態(tài)，中聯(lián)重科制訂了《混凝土泵車》標準，同時生產開放出了泵車遠程維護系統(tǒng)還有GPRS系統(tǒng)。三一重工制造的泵車，在泵送的壓力、泵送的排量以及可靠性、穩(wěn)定性方面，都能夠同國外知名品牌的泵車 產品一較長短，臂架采用智能控制系統(tǒng)，可以近距離控，也可通過無線進行遙控， 整車的技術水平已經達到國際一流甚至先進的水平，但是我們也要時刻保持進步，進一步的搶占全球市場，使中國制造的混凝土泵車行遍世界，奠定更為堅實的地位[11][12][13]O泵車臂架系統(tǒng)研究現狀與趨勢與泵車的發(fā)展一樣，我國泵車臂架系統(tǒng)也經歷了一個從完成依賴進口到逐步實現自制的過程，在這個過程中，國內的各個生產企業(yè)先是完全進口臂架，然后經過一段時間的消化吸收后開始自行生產，并逐步對臂架的結構性能進行優(yōu)化。目前，我國泵車臂架系統(tǒng)輩本實現了自制，并在某些方面達到并超過了原裝進口臂架的質量和性能。隨著產品技術性能的不斷提高，臂架系統(tǒng)逐步走上了自行開發(fā)的階段但是，在看到進步的同時也不可否認國產臂架與進口臂架的差距，具體體現在國產臂架出現失效的幾率明顯高千進口臂架。長期以來臂架的結構設計都是一個急需攻克的技術難題。總體上來說，現今關千泵車臂架系統(tǒng)的研究主要集中在以下幾個方向：⑴利用有限元軟件對泵車臂架進行靜強度以及穩(wěn)定性的分析；⑵利用有限元軟件對泵車臂架系統(tǒng)結構進行優(yōu)化；⑶輩千虛擬樣機的臂架系統(tǒng)的動力學仿真分析、運動學仿真分析和振動分析；(4)通過對泵車液壓系統(tǒng)的仿真分析，得到液壓系統(tǒng)對臂架運動的影響。⑸臂架系統(tǒng)智能化，研究澆注點到澆注點的自動控制和給定軌跡的自動控制的計算機自動控制仿真。在有限元分析方面，長沙中聯(lián)重科科技發(fā)展股份有限公司唐方臺、何玉東在《37m混凝土泵車泵送承力結構的有限元分析探討》一文中針對泵車上復雜空間形態(tài)的臂架、S形換向閥、轉臺等承力結構，根據彈性力學原理的實體單元和板殼單元復合模型的構建和加載方式，討論和提出了這些模型上的軸孔接觸分布載荷函 數的計算式。介紹了臂架和S形換向閥的建模分析情況。根據這些模型所顯現的應力分布規(guī)律和變形趨勢來指導和改進設計，取得了良好的設計效果「I。武漢理工大學物流工程學院的張艷偉，佟力在《輩千ANSYS的混凝土泵車臂架結構分析研究》一文中根據混凝土泵車的實際工作情況給出了各節(jié)臂架最危險工況下受力 理論值的計算方法，并對各節(jié)臂架進行了有限元建模，著重研究了臂架結構模型的加載方法，以及單元劃分的若干關鍵問題［一，長安大學的王泡英在《混凝土泵車結構應力場分析與試驗研究》一文中建立了以板單元為輩本單元的泵車有限元 分析模型,并利用MSC/NASTRAN軟件對其進行了靜強度分析，然后通過測試試驗對有限元計算結果進行了驗證。經過對比，找出了臂架過早出現裂紋的原因，并給出了結構改造的方法,。在臂架系統(tǒng)的運動仿真及結構優(yōu)化方面，湘渭大學吳翰暉在《混凝土泵車臂架系統(tǒng)的仿真與應用》的課題研究中，運用ADAMS仿真技術，建立模型對原有的產品進行仿真分析，對仿真模型進行參數化處理，快速構建臂架系統(tǒng)模型，對可能出現的運動狀況進行仿真研究，了解各個連接餃點和各支汕缸的最大受力情況，然后進行適當的優(yōu)化處理，并以優(yōu)化結果為依據，確定初步的設計方案u?。把研究深度提高到了能夠對臂架系統(tǒng)機構參數進行優(yōu)化的程度，在應用中實現降低臂 架汕缸的載荷，減輕臂架機構的總重量的目的。在泵車臂架振動分析方面，長安大學工程機械學院呂彭民教授和汪紅兵教授在《混凝土泵車結構模態(tài)分析與試驗》一文中，針對混凝土泵車臂架系統(tǒng)振動過大的問題，使用ADAMS軟件建立了泵車臂架系統(tǒng)的動力學仿真分析模型。通過模態(tài)分析，得到了泵車的固有頻率和振型，進而找出了泵車臂架部分振動較大的原因，為泵車結構改進提供了依據,：在液壓系統(tǒng)對千臂架運動影響的分析方面，長安大學工程機械學院呂彭民教授和汪紅兵教授在《混凝土泵車沖擊載荷對結構動態(tài)特性的影響》一文中，對泵車在工作時，因周期性的油缸泵送所引起的臂架系統(tǒng)在不同峰值的油缸沖擊載荷下的動態(tài)響應進行了詳細分析叫。中南大學機電工程學院的張大慶等在《液壓沖擊對混凝土泵車結構振動性能影響的試驗研究》一文中對液壓系統(tǒng)進行了多工況的測試，并進行了泵車固有頻率測試及多工況的動應變測試。通過數據分析，得到各個工況的動應力變化范圍、工作頻率及泵車的固有頻率，并與對應工況的液壓測試結果相比較，找到了該泵車振動沖擊較大的主要原因，并給出了最佳的液壓系統(tǒng)流量⑻o在臂架的智能化控制方面，東北大學機械工程與自動化學院的周淑文教授等在《混凝土泵車智能澆注仿真》一文中應用機器人技術虛擬現實技術，對混凝土泵車智能澆注過程進行了仿真，重點研究了泵車臂架運動學方程，軌跡規(guī)劃以及虛擬環(huán)境生成.在《混凝土泵車臂架智能控制系統(tǒng)開發(fā)》一文中采用插補算法，對泵車臂架智能控制系統(tǒng)進行了設計，并在三維平臺下對混凝土泵車自動澆注過程進行了仿真，仿真結果表明，澆注口能夠很好地沿著用戶所設定的路線進行澆注如國內對臂架系統(tǒng)結構方面的研究多是以靜力學有限元分析為主，但臂架系統(tǒng)在工作時實際上是動態(tài)的，根據輸入控制運動的不同，臂架受力變化很大，已逐漸向動力學研究方向靠攏。在實際運動中，山千臂架工況的多樣性，采用傳統(tǒng)的手工計算時工程人員的工作量很大，而且難以計算得到完整準確的臂架系統(tǒng)受力變化規(guī)律，這樣就不能確切的了解臂架結構和受力變化間的對應關系，從而很難提高臂架的整體性能，因此動力學研究大多停留在試驗階段。國外泵車臂架的研究重心主要放在剛、柔性體相結合的仿真分析之上，大多使用動力學以及有限元分析相結合的聯(lián)合仿真。簡而言之，也就是將運動仿真所獲得的載荷曲線，輸入到有限元分析軟件之中作為邊界條件進行下一步分析，從而得到完整的運動過程之中各個構件應力分布和變化。而在提高臂架系統(tǒng)的可靠性和工作性能方面，現在的研究方向集中在臂架的智化控制和減小臂架的振動方面。研究臂架系統(tǒng)的控制算法，設計更為合理的泵車臂架智能控制系統(tǒng)；關千混凝土泵車臂架系統(tǒng)振動大的難題，可以針對臂架系統(tǒng)進行動力學模態(tài)分析，得到泵車的固有頻率和振型，這樣可以找出導致泵車臂架系統(tǒng)振動偏大的原因。總的來說，國產泵車臂架與國外一流產品相比尚有差距，這就要求我們必須努力在該領域不斷創(chuàng)新和研究，進一步縮小差距，挺高產品質量。論文的主要內容論文的主要安排內容如下：第二章詳細介紹了臂架系統(tǒng)的輩本組成，各典型部件的特點以及工作原理等，給出了臂架選用的原則，并以4節(jié)臂臂架系統(tǒng)為例，進行了臂架總體運動穩(wěn)定性計算，為后面的分析計算奠定了輩礎。第三章對泵車臂架的工作狀態(tài)進行了分析，確定了臂架受力的最危險工作狀態(tài)，也就是所有節(jié)臂全部水平外伸的情況。在該工作狀態(tài)下對某公司HB37型泵車臂架進行受力、載荷分析，完成了該產品臂架的強度計算。第四章綜合利用PRO/E和ANSYS建立臂架有限元模型，通過有限元分析得到了泵車臂架在最危險工作狀態(tài)下的位移和應力云紋圖，確定臂架的最大位移、最大應力位置，分析其產生原因，同時分析每節(jié)臂的應力情況，針對材料利用最不 充分的第四節(jié)臂提出優(yōu)化方案，實現臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設計。第五章通過實驗測試比對，給出比對結果，為臂架優(yōu)化設計提供有力的保障。6本章小結這一章主要闡述了泵車的概念和特點，綜述了國內外泵車以及泵車臂架的發(fā)展情況和趨勢，點明了泵車臂架系統(tǒng)研究的必要性和重要性。第二章泵車臂架系統(tǒng)1綜述臂架系統(tǒng)是一種可以回轉、伸縮、折疊的輸送管道，它可以在允許范圍內運送和澆注混凝土，臂架系統(tǒng)山連桿、液壓油缸、節(jié)臂板、混凝土輸送缸、底部位置的橡膠軟管等組成，各節(jié)臂之間可以通過連桿、油缸餃鏈、銷軸等的連接組合到一起,這樣的連接方式一方面可以保證臂架系統(tǒng)工作安全可靠，另一方面又可以保證各臂架之間粗對運動不受彼此干擾，靈活性較好(23)0泵車臂架系統(tǒng)結構復雜，隨著臂架展開的各種工作狀態(tài)，受力也是不斷變化的，而混凝土必須通過臂架系統(tǒng)才能連續(xù)不間斷地輸送、澆注到需要澆注的位置，因此，臂架系統(tǒng)的好壞是混凝土澆注質量的直接影響因素之一，評價一臺泵車性能如何時，完全可以將其臂架系統(tǒng)的優(yōu)劣作為一個評判的關鍵。圖2.1為4節(jié)臂臂架系統(tǒng)的結構示意圖。圖2.2”，圖2.5為圖2.1中對應點的剖面圖。1轉臺 2油缸1 31轉臺 2油缸1 3臂架17汕缸3 8連桿2 9臂架34油缸2 5連桿110汕缸4 11連桿36臂架212.臂架4圖2.1泵車臂架結構圖圖2.2A處剖面圖圖2.3BCD圖2.2A處剖面圖圖2.3BCD剖面圖圖2.4EFG剖面圖TOC\o"1-5"\h\z! I■——~I_fezj I5i1 在圖2.5HIJ剖面圖2.1.1臂架典型部件特點(1)臂架形式臂架可看作一個細長的懸臂梁，非作業(yè)狀態(tài)其主要的載荷為自重(工作狀態(tài)，其主要的載荷為自重及混凝土重量)，為了使臂架強度大、剛度好、重量輕，臂架的結構一殷設計為四塊鋼板搭接拼焊而成的箱型梁，材料多選用進口高強度合金結構鋼。臂架采用等強度設計，在滿足一定剛度要求的前提下最大限度地提高材料的利用率，通過變截面、變板厚來減輕臂的自重。因為疲勞是臂架的主要失效形式，所以在臂架設計中要注重合理安排結構，避免應力集中。為了充分利用高強度合金結構鋼的優(yōu)良的力學性能，必須借助現代化的有限元分析計算方法，根據臂架上各處的應力趨千一致的原則，將臂架設計成漸變梁結構，即變截面梁。(2)連桿形式臂架的變幅機構是山曲柄滑塊機構和雙搖桿機構兩種平面四桿機構組合而成的，機構參數選擇得好壞直接影響到連桿和汕缸的受力。連桿一殷有直桿或弓形的二力桿結構，也有三角形的結構。(3)變幅汕缸各節(jié)臂之間用液壓汕缸支撐，液壓汕缸為臂架動作提供動力，它山汕壓推動活塞伸縮運動，以驅動平面四連桿機構中的臂架運動實現變幅。變幅汕缸缸體的進汕口應設有液壓鎖，即使臂架變幅汕缸的液壓膠管斷了，臂架也不會下墜，以防止液壓膠管破裂時發(fā)生臂架墜落的事故。(4)輸送管混凝土輸送管是指采用高耐磨材料鑄造而成，內表面經高頻悴火，使用壽命長,用千輸送混凝土的鋼管。通常情況下，業(yè)內輸送管的使用壽命一殷可以泵送混凝土30000立方米以上。輸送管布置除考慮支撐件的簡潔、安裝工藝和管路的長度外，更要合理安排輸送管的走向，使輸送管和管內混凝土的重量靠近臂架以盡可能減少偏載引起的扭矩。一殷來說，它是通過支架固定在臂架上，各節(jié)臂連接餃點處采用餃接彎管實現混凝土輸送管跟隨臂架動作。混凝土輸送管主要包括標準的直管、餃接彎管、變徑管等。(5)終端軟管終端軟管，按能承受的壓力主要分為：苛壓軟管和低壓軟管。山千終端軟管對混凝土的流動阻力較大，一殷不應太長。目前，國內混凝土泵車大多采用同一規(guī)格的高壓軟管，其長度一殷選擇為3m,管徑為125mm。安裝在最末端節(jié)臂尾部。2.1.2臂架工作原理以4節(jié)臂臂架系統(tǒng)為例，臂架系統(tǒng)一殷安裝在司機室后方的回轉轉臺上，回轉轉臺采用液壓馬達驅動，以內齒輪傳動的大軸承為回轉支承，能360度全回轉。臂架為液壓驅動的四節(jié)卷折式，各節(jié)臂間都有液壓汕缸，用來調幅和折疊，4節(jié)臂能夠依次展開，其中第四節(jié)臂的動作最頻繁，為了便千澆筑，在第四節(jié)臂的末端接一段軟管(橡膠軟管或塑料管)，可以防止混凝土下落高度過大而產生離析。混凝土泵送系統(tǒng)多置千車身尾部，其質量全部山后橋承擔，因此，第一節(jié)臂一殷向司機室或車身兩側展開，這有利千減小車身后橋的載荷并能充分利用臂架長度。10當各節(jié)油缸完全推出時，第一節(jié)臂架與水平面成94度角，第二節(jié)臂架與第一節(jié)臂架的相對夾角為180度。第三節(jié)臂架與第二節(jié)臂架的相對夾角亦是180度，第四節(jié)臂架與第三節(jié)臂架的粗對夾角可達230度，混凝土輸送管沿臂架方向固定在各節(jié)臂架上，各節(jié)臂架的輸送管通過回轉接頭和相鄰臂架的輸送管相連，臂架系統(tǒng)的伸展、回轉，不會影響混凝土在輸送管中流動網。臂架系統(tǒng)可以自如地升高、放低、伸縮和回轉，能在其所及的范圍內作水平和垂直方向的輸送，甚至能跨越障礙物進行澆筑。汽車底盤兩側有液壓驅動的四個支腿，澆筑前將支腿撐好，整機載荷完全山支腿承擔，并調節(jié)水平度以提高整車的穩(wěn)定性。當一個工作點澆筑完成后，汽車縮回支腿，整車載荷山汽車底盤支承，以一殷的行車速度轉移到新的工作點。利用泵車進行澆筑，靈活、方便，不需要在現場臨時鋪設管道，節(jié)省了輔助時間，提高了勞動效率，適用千混凝土需求量大，質量要求高的工程。泵車臂架系統(tǒng)在一個固定點的某一平面內的工作范圍如圖2.6所示，因為有回轉機構，實際上可以形成一個澆筑立體空間。圖2.6泵車臂架工作范圍圖2.1.3臂架功能臂架的主要功能可以歸納為三大點：(1)實現各節(jié)臂之間的大角度折轉(0。210。)，完成臂架展開與折疊工作；(2)作為臂架各節(jié)臂間混凝土輸送管道的支撐以及橫向通道；(3)實現各節(jié)臂連接與相互支撐。2.1.4臂架的長度與節(jié)數泵車施工的范圍相當程度上受臂架長度的限制，理論上來說臂架的長度越大，它能夠施工的范圍相應也就更大，適用的范圍也就更為廣闊。但是臂架過長，車11輛的行駛尺寸也將很大，則泵車在市區(qū)行駛或者是在工地上施工的時候往往就會受到比較大的限制。總體上來說，商品混凝土使用量不斷擴大，泵車也將朝著高檔次方向發(fā)展，相應的臂架也就會往更長的方向發(fā)展。上世紀90年代開始主要是臂架長度為37m的泵車占據主流，后來慢慢過渡到本世紀初以4245m為主，如今更多使用的的是臂架長度45m以上的泵車。2011年，對千國產混凝土機械行業(yè)來說是有相當重要意義的一年，在這一年中聯(lián)重科研制的80m泵車，三一重工推出的86m泵車，雙雙打破該領域吉尼斯世界記錄，國產泵車邁入新的紀元。泵車臂架節(jié)數有2到7節(jié)數種，6、7節(jié)臂的泵車不常見，2節(jié)臂的更為少見，最常見的臂架節(jié)數還是4和5節(jié)臂（3節(jié)臂泵車的使用慢慢在減少），一殷超過40米就開始采用5節(jié)臂了，短節(jié)臂的泵車一殷采用的是3節(jié)臂。我國大量生產的混泵車，臂架節(jié)數也大多數是4或5節(jié)，一殷都是液壓折疊。因為臂架節(jié)數的劃分沒有一個很明確的界限，所以一殷可以粗略的按照如下規(guī)律確定臂架總長度與節(jié) 數之間的關系，它們的關系如表2.1所示。表2.1臂架長度與節(jié)數關系表臂架總長Cm） 12VL 20 20<L 35 35<L42 42<L70 L>70臂架節(jié)數 2 3 4 5 6、7值得一提的是，臂架節(jié)數和臂架長度的相互關系大體上可以總結為兩點：（1）如果臂架的節(jié)數多，泵車進行布料就更為靈活，產品相應的就更為有市場（2）如果臂架的節(jié)數多，對應的連桿，液壓汕缸、以及各種管道也就越多，那么整體的重量也就越大，制造和使用的難度也就更加大了2.1.5臂架折疊形式相比千長度和節(jié)數，人們更為關心臂架的折疊方式，一方面它是選購泵車時參考的的關鍵技術指標，另一方面也是各企業(yè)泵車產品與同類產品進行競爭、對比的重要途經。泵車施工地點（建筑工地、水利工程，道路施工）周邊的情況一殷都是比較惡劣，同時情況也較為復雜，更為重要的是實際情況往往差別很大，簡而言之，就是建筑物天差地別，情況多變。施工方往往需要一臺甚至多臺性能出眾，也就是可以在多種惡劣的環(huán)境中快速的展開臂架，迅速的越過障礙物，將臂架的布料尾管伸展到建筑物中的多個布料工位。這個時候，臂架折疊形式的重要性就體現出來了，甚至直接決定臂架性能的優(yōu)越與否。為了使得產品擁有更強的競爭力，選擇合理的臂架折疊方式就顯得尤為重要了。臂架的折疊形式多種多樣，而最輩本的折疊形式是R型（卷繞式）和Z型（折疊式）。R型的結構最為緊湊，以單向回折形式進行臂架的伸縮，主要特點是控制臂架到澆筑點比較靈活；Z型結構以雙向對折形式進行臂架的伸縮，主要特點是伸縮相對速度快。在Z型和R型的輩礎上又擴展到M型、RT型和RZ型等多種組合12

形式。RT型是直接伸縮式臂架與R型臂架的組合形式，主要特點是整車總體布置緊湊，但技術難度大；RZ型（混合式）則身兼R型和Z型二者之長。通常在設計一臺泵車的臂架時，一定要考慮到臂架伸出與回收的時候各個部位之間有可能發(fā) 生的干涉問題，這里主要說的是油缸和臂架間的干涉，三節(jié)臂的臂架因為展開的 難度比較小加上它一殷展開的高度也比較低，因此一殷情況下采用變化更多的Z型結構；R型折疊形式臂架結構的第三節(jié)臂為折彎形，能夠合理的處理臂架結構間相干涉的問題，所以一殷較長的泵車臂架采用這種折疊形式；不過，當臂架節(jié)數 達到五節(jié)臂甚至更多時,為了減少泵車整車的高度和縮減伸展時間，一殷采用RZ型的折疊方式。當然，我們在實際設計和開發(fā)工程中應該全面考慮，選擇正確的臂架折疊形式［26間⑶。圖2.7”,圖2.11為相應產品造型圖。圖2.7北方重工R型圖2.8徐工Z圖2.7北方重工R型圖2.8徐工Z型圖2.9日本極東M型圖2.10中聯(lián)重科RZ型圖2.11德國萊茵RT型13ResearchonTheStructureandOptimalDesignofTheBoomSystemofTheTruck-mountedConcretePump摘要泵車是山汽車底盤、混凝土輸送泵和布料臂等組成的用千輸送混凝土的專用車輛，它可以借助臂架系統(tǒng)將混凝土的水平輸送以及垂直輸送相結合在一起，泵車性能優(yōu)越，效率高，機動性好，在現代化建設的諸多領域有著無可替代的作用。臂架系統(tǒng)是泵車中最為重要的部分之一。臂架結構是否合理將直接影響泵車的工作性能和作業(yè)穩(wěn)定性，臂架系統(tǒng)不僅要具備相當的整體剛度、強度，還必須具備出眾的工作適應性和可靠性，因此，泵車臂架的設計制造必須有嚴格的要求，對泵車臂架的研究是十分必要的。該文在綜述了國內外泵車發(fā)展史與臂架研究現狀的輩礎之上，主要研究內容如下?：.分析泵車臂架工作狀態(tài)，確定節(jié)臂全部水平外伸的情況為最危險工作狀態(tài)，在此工作狀態(tài)下，對某公司HB37型泵車臂架進行強度、受力和載荷分析，為有限元分析的正確進行提供依據。.綜合利用PRO/E、ANSYS軟件建立泵車臂架有限元模型并在最危險工作狀態(tài)下進行靜強度分析。得到了泵車臂架在最危險工作狀態(tài)下的位移和應力云紋圖，以及臂架的最大位移、最大應力位置，把握臂架系統(tǒng)的整體性能。.分析各節(jié)臂應力情況，針對材料利用最不充分的節(jié)臂提出優(yōu)化方案，實現臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設計，實現減輕臂架重量的目的。.通過實驗數據比對，驗證有限元分析的正確性與合理性關鍵詞：混凝土泵車； 臂架系統(tǒng)；有限元分析；優(yōu)化設計

2臂架選用的原則關千臂架系統(tǒng)的開發(fā)和探究歷來都是工程師們關心的核心問題之一。一方面我們希望臂架系統(tǒng)擁有滿足需求的整體強度、剛度，同時對千工作環(huán)境能夠有非常強的適應能力兼?zhèn)漭^高的可靠性，另一方面動態(tài)特性也要比較合理，機動性較強。為了滿足臂架結構的穩(wěn)定性、強度、剛度等各方面要求，但是泵車臂架的結構樣式很多，為了能夠得到、選用一個較好的臂架，我們應當遵循下列原則：(1)擁有滿足要求的穩(wěn)定性、強度和剛度；⑵重量盡可能小，盡可能輕便；⑶在條件、技術允許情況下，臂架的伸展高度盡可能大，獲得更大的布料范圍；(4)水平長度長，凈水平長度盡可能長；⑸大的下探深度；(6))臂架打開的高度較低；(7)布料方式較為靈活；I)結構樣式緊湊；I)定位精準，誤差較小；(10)臂架外形盡可能美觀，滿足視覺要求等。3臂架連接裝置泵車有多種臂架折疊形式，泵車臂架的連接裝置能夠劃分為兩大類：彎板式連接和連桿式連接，這里以4節(jié)臂泵車臂架為例，示意圖如圖2.12所示(b)(b)a)彎板式連接裝置b)a)彎板式連接裝置圖2.12泵車臂架連接裝置機構示意圖彎板式連接裝置：彎板式指的是在連接位置上裝上一個形狀類似彎板形狀的14

三餃點板。這種結構應用的比較早，結構相當可靠，但是它也存在問題，比如說制造的工藝較為復雜，在允許的空間中進行布置比較困難，常出現機構干涉現象。連桿式連接裝置：連桿式指的是山二力桿構件構成的連接裝置。這種連接方式的優(yōu)點在千連接構件制造工藝性高，形狀比較簡單，相比彎板式連接裝置更容易完成布置，各機構在運動之中相互的制約更少，但是這種連接裝置也有它的缺點：復合餃點處的受力情況更為復雜，可以折轉的角度很受限制等缺點狽叫。我們可以對計算兩種連接機構的自山度來判定運動是否具有穩(wěn)定性，詳細參數可見表2.2:W=3X(N—M)—2PD—2PG (2.1)其中:W 機構自山度其中:N 機構的數目M——機架的數目ro--機構中的低副PG機構中的高副表2.2運動穩(wěn)定性參數表類別彎板式連桿式類別彎板式連桿式1 4 3 8 3 …2181 4 6 18O計算過程分別為：彎板式：W=3X(19-1)—2X(21+4)=4連桿式：W=3X(19-1)—2X(18+3+4)=42.4臂架變幅機構2.4.1臂架變幅機構分析泵車臂架在收回或伸展或者是在澆注混凝土的時候，定位全靠變幅汕缸推拉變幅機構往復運動來完成。汕缸變幅機構有許多優(yōu)點，比如說結構較為緊湊、自身重量小、可以平穩(wěn)的工作，因此這種變幅機構在工程機械領域之中得到了廣泛的應用。值得一提的是，當角度的變幅在90度以下或著稍大千90度的時候通常選則單缸三餃點變幅，如果變幅的角度遠大千90度時，連桿機構在運動過程中存在死點，三餃點變幅不能滿足實際需求。而在泵車臂架系統(tǒng)之中，各節(jié)臂之間的運動夾角大部分是180度，有些時候根據不同的卷折形式變幅角度常常會達到270度，出現這種情況時，為了滿足實際的變幅角度，應該在三餃點變幅機構的輩礎上另外串接一個四連桿機構，同時得以削減三餃點變幅機構與四連桿機構的相互影響和節(jié)制，因此我們在設計臂架連接時，應該盡量不使用復餃，這樣就形成1516新的變幅機構 單缸六餃點變幅機構HI，混凝土泵車臂架間的油缸變幅結構如圖2.13所示。1臂架2 2直桿2 3彎連桿2 4變幅油缸（曲柄滑塊）5臂架1圖2.13油缸變幅機構示意圖山圖2.13可知，一、二節(jié)臂間的臂架變幅機構為滑塊變幅機構CDE和四連桿機構OABC組合而成，它們通過彎連桿機構BCD粗連接，連桿0A即為第二節(jié)臂，構件0C為第一節(jié)臂（在該連桿機構中可視為機架），DE為變幅油缸，構件BCD為彎連桿2連桿AB為直連桿2.對該變幅機構做結構原理簡圖如圖2.14所示，為分析方便，取一臂和二臂之間的連接餃點為原點0,點OC連線方向為X軸。叭,YB)圖2.14臂架變幅機構原理圖建立坐標，設OA長為r,BC長為R,AB長為b,OA與X軸夾角為rp,BC與X軸夾17角為If/1四連桿機構四個餃點的坐標分別為0(0,0)、A(rcosrp,rsinrp)>B(a+Rcoslf/,RsinIf/)、C(a,0).取AB桿進行分析，令0點到AB的連線為Lo,C點到AB的連線為Le,MB為桿BC的作用力矩、MA為桿OA的阻力矩，在作用力平衡狀態(tài)下有：MAILo=MEIL (2.2)其次分析三餃點變幅機構CDE,令角CDE=a、CD長為ED,MD是汕缸作用力F作用下獲得的主動力矩，因此：MD=LDFsina (2.3)將式(2.2)、(2.3)式聯(lián)立，且MD=MB:則：MA/(LDF尸sinaL/L (2.4)設sinaLo/E=入，此比值表明阻力矩和主動力矩之間的關系。山千大角度變幅的最大阻力可能在任意角度出現，要保證機構正常工作，必須使任意處的最大輸出力矩滿足最大阻力矩的需求，即：M燦軀〈人盧E匕 (25)其中：M燦軀——最大阻力矩E——系統(tǒng)汕壓決定的最大主動力入皿——整個工作區(qū)間內入山機構幾何參數決定的最小值。山式(2.5)可得：而m?X/FeLo (2.6)山此可見阻力矩一定時，入越大，機構越輕巧，系統(tǒng)汕壓可以降低，因此確定各機構尺寸和工作區(qū)間時，在保證最大變幅角度的同時應保證機構尺寸和工作區(qū)間的Aim大千其他機構尺寸和工作區(qū)間的Aimo2.4.2臂架變幅機構自由度計算根據圖2.13可得到任意兩節(jié)臂之間變幅機構共有5個活動構件和7個平面低副組成。代入式(2.1),可得：W=3X5—2X7=1即任意兩節(jié)臂之間只有一個自山度。同理，一節(jié)臂和上轉臺之間的四桿機構的自山度為：W=3X3—2X4=1即一只汕缸的伸縮運動就可保證任意一節(jié)臂架相對其支撐臂運動的唯一性。因此，結合章節(jié)2.3的計算結果，對千4節(jié)臂泵車臂架系統(tǒng)而言，臂架系統(tǒng)共有四個自山度，即可同過四個汕缸的伸縮運動就可保證整個系統(tǒng)工作的確定(在系統(tǒng)自山度計算中，只考慮臂架系統(tǒng)的平面運動，故可將轉臺視為機架)。185 本章小結本章詳細介紹了泵車臂架系統(tǒng)的輩本組成，各典型部件的特點以及工作原理等，給出了臂架選用的原則，并以4節(jié)臂臂架系統(tǒng)為例，進行了臂架總體運動穩(wěn)定性計算，為后面的分析計算奠定了輩礎。19第三章泵車臂架系統(tǒng)載荷受力分析1本文研究對象本文以某公司HB37型泵車臂架系統(tǒng)作為研究對象，該產品臂架系統(tǒng)的輩本參數如表3.1,表3.2,表3.3所示。表3.1臂架系統(tǒng)晶本參數表1節(jié)臂數 垂直布料高度Cm） 水平布料半徑Cm） 折疊方式: 36.6 32.6 R型表3.2臂架系統(tǒng)晶本參數表2長度（mm） 轉角（。）TOC\o"1-5"\h\z開兀居日辛1 8860 94開兀居日辛2 7960 180開兀居日辛3 7960 180開兀居日辛4 7855 230表3.3HB37型混凝土泵車的主要技術參數表理論泵送量（低壓/高壓）（曠Ih） 138/100泵送壓力（低壓/高壓）（MPa） 8.7/1.3泵送次數（低壓/高壓）（次min） 27/18最大布料高度Cm） 36.6最大布料半徑Cm） 32.6最大布料深度Cm） 25液壓系統(tǒng)壓力（MPa） 32MPa輸送管徑 DN125末端軟管Cm） 3轉臺選擇角度（度） 3652泵車臂架工作狀態(tài)分析臂架的工作狀態(tài)是山各節(jié)臂的空間位置所決定的，這一點非常好理解，因為臂架空間位置情況比較多，為了便千研究和分析，以本文4節(jié)臂HB37型泵車為例，可以把泵車臂架的工作狀態(tài)歸納為以下幾種情況，如圖3.1所示。20圖3.1泵車臂架工作狀態(tài)歸納示意圖如圖所示，工作狀態(tài)（I）為4節(jié)臂全部水平伸展的狀態(tài)，此時可以將各節(jié)臂當做一個整體，看做是變截面的懸臂梁。工作狀態(tài)（2）、（3）、（4）則可以看做是'殷工作狀態(tài)，工作狀態(tài)（5）為4節(jié)臂完全垂直伸展的狀態(tài)，此時需要當作壓桿穩(wěn)定性從而實現計算與分析，該工作狀態(tài)為理想工作狀態(tài)，一殷只有在產品展示時出現，實際情況是如果臂架以該工作狀態(tài)澆注混凝土，混凝土不僅不能澆注到 指定位置反而會灑落在轉臺、車身等位置，這顯然是不允許的。處千工作狀態(tài)（I）時：臂架各餃孔處所受到的力最大；該狀態(tài)整個臂架系統(tǒng)受力情況最為不良；該狀態(tài)臂架變形是最大的；該狀態(tài)承受的彎矩最大⑼。根據相關實驗以及施工現場的情況可知，臂架處千完全水平伸展時，臂架擺動明顯，特別是第四節(jié)臂及末端 軟管擺動更為劇烈，因此本文主要針對這種工作狀態(tài)進行分析與計算。3.3泵車臂架載荷分析3.3.1泵車臂架所受載荷類型作用千泵車臂架上的載荷比較復雜，比如說：臂架自身的重量、輸送管自身的重量、端部軟管的自身重量、動載荷、混凝土的重量、風載荷、回轉慣性力、端部側向的牽引力等。這些不同的載荷可以根據出現經常性與否劃分為兩類：拈本載荷和附加載荷。輩本載荷指的是經常或者一直作用在泵車臂架上的載荷，包括臂架自身的重量、工作載荷以及慣性力等等；而附加載荷定義為泵車在正常工作的時候，臂架受到的不經常出現的載荷，比如說側向力，風載荷以及坡道載荷等等。參照以上多種載荷，可以定義出4種載荷組合網：⑴臂架自身重量；21(2)臂架自身重量+混凝土重量；(3)臂架自身重量XKd+混凝土重量XK日(4)臂架自身重量XKd+混凝土重量XKh+風載荷+回轉慣性力+端部側向牽引力根據實際的工作狀況，應該選擇最危險作業(yè)的工作狀態(tài)，也就是最后一種載荷組合，進而進行分析與計算，這里值得說明的是：(I)臂架自身重量：這個重量包括節(jié)臂板、輸送管、油缸等部件的重量，整個機構的力應該當做體積力。(2)混凝土的重量：這個重量主要山兩部分組成，一個是輸送管里的混凝土重量，還有一個指的是端部軟管里面的混凝土重量，端部軟管力Fd是以集中載荷的形式作用千臂架端部。(3)風載荷：可以借鑒起重機設計之中考慮風載荷的方法P=CkqA (3.1)式中：C——風力系數，取值為1.4,取值依據可見表3.4k——風壓隨高度變化的參數，取值為I,取值依據可見表3.5q——根據QC/T718—2004《混凝土泵車》風壓為25OPa。A 迎風面積臂架所受風載為面載荷，模型中以均布載荷形式施加在各節(jié)臂迎風面板上。表3.4箱體構件風力系數C的值1/h 5 10 20 30 40 50C1.31.4 1.9表3.5風壓高度變化系數h離地高Im1()20 3() 405()60 708()k11.23 1.39 1.511.621.71 1.791.86(4)回轉慣性力：在兩種情況下回轉部件會產生慣性力，分別是臂架回轉機構制動時以及臂架回轉啟動的時候，它們都是以加載整體角速度P為拈礎獲得的，這里取13=0.0031radIs2。(5)端部側向的牽引力：工人在操作泵車澆灌混凝土時，常常要拉引泵車臂架端部的橡膠軟管，這是就會產生一個側向的牽引力Fx,根據QC/T718-2004《混凝土泵車》，凡=30ONo(6)動載荷：泵車工作時，混凝土在輸料管中不連續(xù)流動所引起的振動而構成動載荷，其值為輸料管中混凝土的重力與沖擊系數K的乘積，取1.3。此外，汽車發(fā)動機、混凝土分配閥、臂架液壓缸的工作也使臂架產生振動，也構成動載荷，其值為各機構重力與動載系KI的乘積，一殷取1.2。22

除此之外，還需要考慮的載荷有：⑺坡道載荷：是指泵車布料作業(yè)時山千整機傾斜而引起的自重載荷和工作載所產生的分力。泵車最大允許傾斜的角度為3度。(8)扭矩計算：因為輸送管安裝在泵車臂架的側面，對臂架截面會產生一個附加扭矩。3.3.2載荷處理方式泵車臂架在承受載荷類型比較多，情況比較復雜，主要包括：風載荷、臂架自身的重量、輸料管的重量、輸料管之中混凝土的重量、輸料管出口處混凝土對輸料管的反作用力等、第四節(jié)臂末端膠皮軟管及管內混凝土重量。在進行靜強度分析的時候，比如像輸料管出口處混凝土對輸料管的反作用力這些因素對整個分析計算的影響不大，因此本文主要考慮的載荷包括：臂架自身的重量、輸料管重量、輸料管內混凝土的重量、第四節(jié)臂末端膠皮軟管及管內混凝土的重量等，風載荷以均布力的形式作用在臂架側面，相關參數可見表3.6o表3.6相關參數表集中載荷(N)迎風面積(曠)輸送管到對應節(jié)臂中心距離Cm)節(jié)臂重心回轉速度(m/s)輸送管及管內混凝土重量(N)開兀居日辛1275323.620.530.382562開兀居日辛2228602.950.490.322314.8開兀居日辛3143592.180.420.332370.8開兀居日辛4100351.510.280.3524713.4臂架強度分析臂架為合金鋼板焊接而成的箱型斷面結構，在任意截面上受到的內力如圖3.2所示，坐標原點設在截面中心，MX,My為彎矩，T為轉矩，N為軸向力，Qx'Qy為截面內的切向力，A為截面面積，XW,W為抗彎截面模量，則任何截面上的最大壓應力q和最大拉應力a為：(3.2)(3.3)(3.2)(3.3)(3.4)Ci：?—±AWXWYNMMy立= 1 ±H AWW入 Y截面上的切應力為：QxT(葉滬b2QOh23ABSTRACTConcretepumpisaspecialvehicleusedforconveyingconcreteandcomposedofcarchassis,concretedeliverypumpandboomstructure.Itcanmakeuseoftheboomsystemforthehorizontaltransportationandverticaltransportationofconcretecombinedtogether.Concretepumpcarhassuperiorperformance,highefficiencyandoutstandingmobility,itplaysanirreplaceableroleinmanyareasofmodernizationTheboomsystemisoneofthemostimportantpartintheconcretepumpcar.Therationalityoftheboomstructurewilldirectlyaffecttheperformanceandstabilityoftheconcretepumpcar.Boomsystemmustnotonlyhavegoodstiffnessandstrength,butalsohavesuperioradaptabilityandreliability.Therefore,boomsystemdesignandmanufacturemusthavestrictrequirements,obviously,itisverynecessarytodosomeexperimentofboomsystem.Thispaperreviewedthedevelopmenthistoryandcurrentresearchframeofarmpumpcarathomeandabroad.Themaincontentofthetextasfollows:IAnalysistheconditionsofboomsystemanddeterminethemostdangerousoperatingcondition.Inthispaper,Ianalysissomecompany's37metersboomsystemofconcretepumpcar.Calculatedthestrengthoftheboomsystem,theforcevalueofthejunctionpointsandmeetthestabilityunderthemostdangerousoperatingcondition——horizontaloverhangforboomsystem.Allofthiswillmaketheanalysisoffiniteelementsiscorrect.BasedonthesoftwarePro/EandAnsys,andaccordingtothebasicstepfromsubstancemodelingtoFEA,wemadeaFEAofstaticstrengthofboomstructureinordertogettheinformationabouttheboomsystemsuchasquietstress,displacement,rigidity.Determinethemaximumdisplacement,maximumstresslocationandfindthereasonthengrasptheperformanceofthearmframeAnalysiseacharm'sstressconditionandaccordingtothereasonwhicharmisnotmostfulluseofthematerialandproposeaoptimizationsolution.Finally,realizetheoptimizationdesignofthearmframesystemandrealizethepurposeofreducingthearm*sweightBasedonsomeexperimentaldata,verifiedthevalidityandrationalityofthefiniteelementanalysis.ii

式中:一Qy式中:一Qy工丁hOb2Q0

h h(3.5)C2i 最大壓，拉應力，MPa-上下箱板的切應力，N/ni飛——側箱板的切應力，N/niO'氣O'氣b——上下箱板的厚度和寬度，m見，h 分別為側向板的寬度和厚度，mQ—為橫截面箱壁中心線包容面積，d截面上各做用力的計算方法如下：(I)彎矩M,MyM山工作載荷和自重產生的彎矩M,M所引起，M是山慣性力和風力等側向載荷產生的彎矩M『所引起的，即：W=M+M)從二館+W=M+M)從二館+MW(2)切向力Q,Qy山自重和工作載荷產生的y軸方向的切向力QQy'等側向載荷在X軸方向產生的切向力Qx，Q/Xo即Qx=Qgx+QWxQy=QGy+QQy(3.6)(3.7)山回轉慣性力和風力(3.8)(3.9)(3)軸向力N山自重和載荷會產生軸向力。(4)轉矩T山千臂架輸送管布置或者是制造時產生的偏差，造成管內混凝土重力對臂架產生轉矩To(3.10)(3.11)最后，進行強度校核，用最大拉，壓組合應力按第四強度理論計算，即易i (3.10)(3.11)式中飛］一許用應力.MPa巨］一許用切應力，MPa24

圖3.2箱型臂架截面尺寸和內力示意圖3.4.1 泵車臂架所受載荷計算當泵車臂架處千最危險工作狀態(tài)也就是4節(jié)臂水平伸展時，因為有油缸支撐著各節(jié)臂架，此時可將泵車臂架整體當成變截面的懸臂梁，如圖3.3當泵車臂架處千最危險工作狀態(tài)也就是4節(jié)臂水平伸展時，因為有油缸支撐著各節(jié)臂架，此時可將泵車臂架整體當成變截面的懸臂梁，如圖3.3所示。Q5圖3.3泵車臂架受力圖在實際工作的情況下，應考慮泵車處千動載荷狀態(tài)下的工況，所謂動載荷狀態(tài)是指泵車這個時候處千布料工作狀態(tài)并且這個應考慮有風，這時可計算：(I)彎矩Mxl=Q.5Q](Li-2)+Q2(Li+0.5L2)+Q3(L廣U+0,5L3)+Q4(L廣L尸L+0.5L4)+Q億+L尸L工)=O.5X27532X(8.86—2)+22860X(8.86+0.5X7.96)+14359X(8.86+7.96+0.5X7.96)+10035X(8.86+7.96+7.96+0.5X7.855)+5880X(8.86+7.96+7.96+7.855)=1162KN.mMxu=0.5Q2L2+Q3CL2+0.5L3)+Q4(L尸L3+0.5U)+Q5(L尸L工)=0.5X22860X7.96+14359X(7.96+0.5X7.96)+10035X(7.96+7.96+0.5X7.855)+588025X(7.964-7.96+7.855)=620.7KN.mM志i=O.5Q3L+Q4(L+O.5L4)+Q5(L+L4)=O.5X14359X7.96+10035X(7.96+0.5X7.855)+5880X(7.96+7.855)286.8KN.mMrv=0.5QL產Q5L4=0.5X10035X7.855+5880X7.855=84.7KN.m式中：Mxz——各節(jié)臂左端點彎矩值Q'Q21Q31Q4--各節(jié)臂架的自重，輸送管重，混凝土重以及其他靜重，為簡單計，以集中載荷看待，取值依據見表3.6Q--側向牽引力與軟管自重之和，取588ONLi,L2,L3,U--各節(jié)臂長度，單位取m,取值見表3.2(2)風載荷產生的彎矩M尸[().5FLi主(L1+0江)+p3(LI+12+0.5L)+F幾+L2+L+0.5L4)+Fs億+U+LI)]P=[O.5X3.62X8.86+2.95X(8.86+0.5X7.96)4-2.18X(8.86+7.96+0.5X7.96)+1.51X(8.86+7.96+7.96+0.5X7.855)+0.5X(8.86+7.96+7.96+7.855)1X0.6X105=7472.6KN.mM=[o.SF2L2+F3(L2+01I)+幾(L2+L+0.5L4)+Fs億+L工)]P=[O.5X2.95X7.96+2.18X(7.96+0.5X7.96)+1.51X(7.96+7.96+0.5X7.855)+O.5X(7.96+7.96+7.855)]X0.6X105=4600.7KN.mM盧二[O.5F3LJ十幾(LJ+0.5L4)4Fs(L3I)]P=LO.5X2.18X7.96+1.51X(7.96+0.5X7.855)+0.5X(7.96+7.855)]X0.6X105=1929.IKN.mM盧二(o.s幾E+F5L4)P=(0.5X1.51X7.855+0.5X7.855)X0.6X105=531.8KN.m式中：M——各節(jié)臂風載荷產生的彎矩Fl,F2,F3,F4——各節(jié)臂迎風面積,取值依據見表3.6Fs 操作人員的迎風面積，取0.5曠p——風壓，當風力到達10m/s時，為了安全起見，泵車應停止作業(yè)，此時，P取值為0.6X101⑶扭矩計算每一個節(jié)臂都會受到扭矩的作用，這是因為在臂架的側面安裝有輸送管，則有：兀二Q飛=2562x0.53=1358N.m兀二q飛二2314.8x0.49=1134N.m兀=Q111凡=2370.8x0.42=996N.m幾二Qrv凡=2471x0.28=692N.m式中：T,——各節(jié)臂扭矩QQirQHFQIV--各節(jié)臂輸送管和管道內混凝土重量之和，取值見表3.5RI,R2,R3,R--各節(jié)臂輸送管到對應節(jié)臂中心的距離，取值見表3.626

(4)回轉慣性力產生的彎矩當臂架回轉機構制動時或者臂架回轉啟動的時候，會產生回轉慣性力，特別是臂架啟動工作的時刻，回轉慣性力就會產生彎矩：IM= Q5%+(L+0.5L2)Q2V2+(L1+L尸0.5LJQV+(L廣L尸L+O.5L4)霆gt+(LJ+L尸L+L4)Qs凡]=251.3N.mM尸工[0.5(3丫212+(12+0.513)(53丫3+(12+1尸O.5L4)Q4V4+(L2+L尸L4)Q5v5]=105N.m.gtqM/HD/ (L+0.5L]Q廠 (IL[)婦]=39.2N.mM一[0.5QH+L歸 ]=10.7N.mgtq式中：VVVW--各節(jié)臂重心回轉速度，臂架的轉速n通常為(0.3-0.5)rpm左右；qt 回轉啟動時間，此值對千回轉慣性力矩影響較大，取值應稍大一些3.4.2臂架各連接處受力計算可以將整個臂架看做一個剛體，依照臂架連接的狀況，能夠將4個臂架當成餃接在輩座之上的懸臂梁，已知可以將整個臂架看做一個剛體，依照臂架連接的狀況，能夠將4個臂架當成餃接在輩座之上的懸臂梁，已知Q,Q、Q、Q、◎的取值，同時也知道各受 力點到A點的距離，其受力情況如圖3.4所示：Q5此時可以對A點求力矩：+Q3(Li+L2+O.5L)+Q4(Li+L2+L+O.5+Q3(Li+L2+O.5L)+Q4(Li+L2+L+O.5L4)+Qs(L廣L尸L尸L4)=凡X/I其中11取值為2m,則輩座汕缸對整體臂架在垂直方向上力的值FIY=61L54KN;垂直方向上的力應該平衡，則A點在垂直方向上的力就為530.87KN;輩座汕缸和第一節(jié)臂的夾角為25度，則輩座汕缸沿著臂架軸向方向的力為Fix=817.SIKN,即危險截面I處(見圖3.3)軸向力，而軸向方向的合外力為O,則A點的軸向力27為817.SIKNo也可以在第一、二節(jié)臂連接處作餃接的處理，當成是餃接千該點的懸臂梁，這個時候的受力圖如圖3.5所示：圖3.5受力分析圖2可以對B點進行求矩：0.5Q2L2+Q3(L2+0.5L3)+Q4(L尸11+0.5L4)+Q5(L尸I1+L4) =F2YX/2其中1取值為0.508m,連接處垂直方向上的力F2Y=913.42KN1則B點處在垂直方向上的分力為860.29KN;而臂架在軸向上的分力F2X=342.56KN,即危險截面II處(見圖3.3)軸向力；因此，第一、二節(jié)臂連接處在垂直方向上的力的大小為860.29KN,在軸向上的分力大小為342.56KNo同理，把第三、四節(jié)臂當成一個整體，再同時將第二、第三節(jié)臂連接處進行餃接處理，將它們看成餃接千該點的懸臂梁，那么這個時候受力圖如圖3.6所示：圖3.6受力分析圖3可以針對C點求矩：0.5Q3L+Q4(L3+0.5L4)+Q5(L尸L4)=F',,yX/3其中1取值為0.431m,則第二、三節(jié)臂處連接件在垂直方向上的力F3Y=495.33KN;根據垂直方向上力平衡的條件能夠求出C點在垂直方向力為465.06KN;此處的連接件與第三節(jié)臂之間的夾角為80度，所以連接件沿臂架軸向分力F3X=148.68KN,即危險截面^I處(見圖3.3)的軸向力；根據軸向上合外力力為。得以解出C點軸向上的分力是148.68KN;28按同樣的方法分析第四節(jié)臂（最外節(jié)臂），在第三、第四節(jié)臂餃接處進行餃接的處理，就可以得到如圖3.7所示的受力圖：圖3.7受力分析圖4運用同樣的計算方法可以對D點進行求矩：0.5Q4L產QsL4=F4yX/4其中，14為0.566m,可得第三、第四節(jié)臂之間的連接件在第四節(jié)臂垂直方向產生的力F4Y=163.5IKN;根據力平衡公式，能夠求解出D點垂直方向上的力是147.61KN;連接件與第四節(jié)臂之間的夾角為75度，所以連接件在臂架軸向上的分力大小為F4x=40.26KN,即危險截面IV處軸向力（見圖3.3）;軸向上合外力為0,就能夠得知B點軸向上的分力大小為40.26KNo3.5本章小結確立了泵車最危險工作狀態(tài)，即4臂架水平伸展時。分析說明了泵車所受載荷類型，確立了載荷組合方式，指出泵車臂架主要承受輩本載荷和附加載荷兩大類載荷，同時對各種主要的載荷進行了分析介紹，最終確定了最危險工作狀態(tài)下載荷處理方式；指出臂架強度分析的理論依據，對各節(jié)臂進行受力分析，計算出彎矩、扭矩等以及危險截面軸向力，為泵車臂架的有限元分析奠定了輩礎。29

第四章泵車臂架有限元分析4.1有限單元法“有限元單元法”這個概念最早山Clough在上個世紀60年代提出，通過近50年的發(fā)展，這種方法已經成為工程分析中應用最為廣泛的數值計算方法。它具有非常出眾的有效性和通用性，因此受到了工程技術界的高度重視，伴隨著計算機科學和技術的飛速發(fā)展，有限元單元法（也可成為有限元法）現在已經成為了CAD/CAM（計算機輔助設計與制造）技術的重要組成部分。有限單元法的輩本思想大致上能夠歸納為下列3點：（I）將一個表示結構或連續(xù)體的求解域離散為若干個子域（單元），同時利用這些單元邊界上的節(jié)點可以把這些單元互相連接起來，變成組合體。（2）選擇所有單元里面用來假設的近似函數來分片定義全求解域內尚未求解的場變量。上的數函數的理，原有限自理或加但是所有單元里面的近似函數用未知場函數（或其導數）在單元所有節(jié)點值以及跟它們匹配的插值函數來顯示。因為連接相鄰單元的節(jié)點之上的場數值是一樣的，那么可以將它們當成數值求解的拈本未知量。如果這樣處來求解原待求場函數的無窮多自山度的問題就轉變成了求解場函數節(jié)點的山度的問題。上的數函數的理，原有限自理或加（3）通過和原問題數學模型（例如拈本方程、邊界條件等）等效的變分原權余量法，建立求解輩本未知量（場函數節(jié)點值）的代數方程組或常微分方程組。這個方程就組成為有限元求解方程組，同時表示為規(guī)范化的矩陣形式，然后利用相應的數值方法求解該方程組，這樣就可以獲得原問題的解。總體上來說，有限元法分析過程分為六個步驟：（I）結構離散化有限單元法首要的工作就是進行結構的離散化，這是該方法最為菲本的概念。我們可以這樣理解，我們可把想要分析研究的對象分解成有限的單元，但是并不是任意劃分，必須保證相鄰單元的有關參數具有相當的連續(xù)性，構成一個整體，同時還要注意單元類型和尺寸，選擇單元類型越恰當，選擇的尺寸越小，最終得到的結果也就更加精確。（2）確定位移有限元法的輩本思想是分段逼近，也就是把待分析區(qū)域分為許多小區(qū)域（單元）后，再對每個子域用簡單的函數近似求解，以獲取復雜問題的解。所以，最必要的步驟就是為每個單元的解選擇一個簡單且適用的函數，可用來表達單元內位移形狀的這種函數稱為位移函數，其中普遍使用的是多項式型的位移函數。之所以30

使用這種函數山兩個原因，第一，用多項式型的插值函數組建和計算有限元方程相對更方便，尤其是方便完成微分和積分；第二，多項式的階數越多解的精度也就越高，理論上來說，無限次的多項式等價千標準解。但是我們知道，現實情況下，我們只能夠取有限次的多項式作為近似解。根據選定的根據選定的位移模式，就可以導出用節(jié)點位移表示單元內任意一點位移的系式，其矩陣形式是：訂｝二網]位r (4.I)式中：訂｝——單元內任意一點的位移列陣；位r——單元的節(jié)點位移列陣；[N]—―形函數矩陣，它的元素是位置坐標的函數。(3)分析單元的力學特性位移模式選定以后，就可以進行單元的力學特性分析，包括三個部分A用幾何方程山位移表達式(4.1)導出節(jié)點位移表示單元應變的關系式：｛司=[B]位「 (4.2)式中：怪｝——單元內任意一點的應變列陣；[B]——單元應變矩陣。B用本構方程，山應變的表達式(4.2)導出用節(jié)點位移表示單元應力的關系式：位｝二[D]｛司=位r (4.3)式中：位｝——單元內任意一點的應力列陣；uL,N戊“,川，,匯uL,N戊“,川，,匯131』N(4.4)N——給定分量，位置的函數a——單元的節(jié)點位移對千平面應力情況式(4.5)表示單元中任意一點(x,y)的水平及垂直位移[D]——與單元材料有關的彈性矩陣。C利用變分原理，建立作用千單元上的節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系式，即單元的平衡方程：TOC\o"1-5"\h\z(■?_- Iy 4C｛廳二田]扣r ^4-[K]H=fff[B｛[D][B]dxdydz -式中：｛Fr——等效節(jié)點力；——單元剛度矩陣。31

在以上兩式中導出單元剛度矩陣是單元特性分析的核心內容。(4)單元剛度矩陣的投放形成全結構總體剛度矩陣顧名思義，將所有單元的剛度矩陣聯(lián)合成一個連續(xù)體的剛度矩陣，將所有單元的節(jié)點力矢量聯(lián)合成總的力和載荷矢量。一殷的原則是保證節(jié)點可以相互連接，也就是保證所有與某節(jié)點有聯(lián)系的單元在這個節(jié)點處有相同的位移。用直接剛度法將[K『組集合成總剛[K],同時把｛Rr組集合成總載荷列陣為[F],整個物體的節(jié)點位移列陣阮｝,這樣我們可以得到：[K]位｝=[F] (4.8)值得說明的是，得到這個方程以后，我們必須還要考慮初始條件以及相應的邊界條件，使得整個方程封閉。要想得到合適的邊界條件，必須合理全面的把握需分析的系統(tǒng)。(5)求解未知節(jié)點位移山集合起來的平衡方程組(4.8)解出未知位移。在線性平衡問題中，可以根據方程組的具體特點選擇合適的計算方法。(6)計算單元應力最后，就可利用公式(4.3)和已求得的節(jié)點位移計算各單元的應力，并加以整理得出所要求的結果。4.2ANSYS軟件簡介ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學千一體的大型通用有限元商用分析軟件，其代碼長度超過100()0行，可廣泛應用干核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、學、輕工、地礦、水利、序。該款軟件操作便捷,軟件實現信息共享和交換,電子、造船、汽車交通、國防軍工、土木工程、生物醫(yī)日用家電等一殷工業(yè)及科學研究，是目前最主要的FEA程功能強大，各種指令窗口一目了然，它可以和大部分CAD在如今產品開發(fā)設計之中的作用越來越重要。航天、機械制造、能源、學、輕工、地礦、水利、序。該款軟件操作便捷,軟件實現信息共享和交換,4.2.1ANSYS使用環(huán)境ANSYS程序可運行千PC機、巨型計算機等多種計算機和操作系統(tǒng)之中，兼容性十分強大。該軟件能夠完成多物理場的耦合，比如說在同一個模型之上進行 不同耦合計算。ANSYS能夠與許多常用的CAD軟件實現信息共同分享，通過ANSYS的數據接口，能夠準確的把在CAD系統(tǒng)里完成的集合數據傳送至ANSYS,同時經過必不可少的簡化修改，就能夠精準的在這個模型之上實現網格劃分，這樣就可以完成求解了，如此一來創(chuàng)建模型所花費的時間就大為減少了，從而大大的提升了工作效率。324.2.2ANSYS分析的基本過程該軟件的主要分析過程可以歸納為3個主要步驟，它們是：前處理、加載并求解以及后處理。（I）前處理前處理代表的是建立物理模型和有限元模型。這個過程含有建立實體模型，選定單元類別，網格劃分，校對模型等步驟。（2）加載并求解ANSYS軟件之中可以加載各種載荷，總體上分為自由度DOF、面（線）載荷、體積載荷、慣性載荷等，可根據不同實際情況加載然后進行求解（3）后處理當ANSYS完成計算后，可以通過后處理模塊觀察結果。ANSYS程序的后處理包括2個部分：通過后處理模塊（POSTI）和時間歷程后處理模塊（POST26）[35J[36][37]4.3泵車臂架有限元模型在相關資料的拈礎上，可以利用三維建模軟件Pro/E完成本文HB37型泵車臂架實體建模。Pro/E所建立的模型只是從設計的角度出發(fā)繪制的，這樣的模型之中還笛有比如像小邊、小孔或者微小間隙等類型的幾何單元網為了提高網格劃分的效率，在不影響整體計算結果的前提下，對某些局部結構作適當的修改和簡化。如各節(jié)臂變幅缸餃點的立板和加強版位置、某些板與板之間的對接等。因此應該把Pro/E模型按部件分拆，合理的簡化之后，再組裝，臂架裝配圖如圖4.1所示。文件屯〉編梧QI）視圖（不插入。）分析（；1信總氓〉應用程序電）工具江）制SYS12.0奇口口_）別助卬口令回品QC；總Q0E品屯亳吧肛兇亡：?iG「R （土\.致固心改芻品@包包石liG,七七沁冗]/圖4.1臂架裝配圖33Keywords:Concretepumpcar;Boomsystem;Finiteelementanalysis;Optimizationdesignill通過ANSYS軟件與PRO/E軟件的接口技術，可將PRO/E模型導入ANSYS軟件中進行分析，如圖4.2所示，點擊ANSYSGeom。AHSYS12.0窗口⑥幫助也)AHSYS12.0窗口⑥幫助也)口百日昌1Q口百日昌1Q，CC顯示設置點二1‘交件帝善據心廣加沙ClHifr大七L分析Q□BIJIAHOXING.PRT羈弗?AWorkbench岫NamedSelectionManager?WorkbenchHelpJAboutWorkbenchGeometryInterface信息過）應用程序貶）工具江）AHSConConfig質?回回13冏位|工間岡耳:劉圖4.2Pro/E模型導入ANSYS示意圖然后對各部件的幾何模型進行比如劃分網格等處理，最終添加有限元信息得到有限元模型，方便進行之后的分析與計算，在章節(jié)3.1之中，已經確定了最危險工作狀態(tài)，因此本章著重對該工作狀態(tài)下的臂架進行有限元分析。4.3.1 臂架模型簡化要對泵車臂架結構進行有效的有限元分析必須先簡化Pro/E模型，簡化后的模型主要山五部分組成：臂架、輸送管、油缸、節(jié)臂間的連桿和輸送管與節(jié)臂間的托架。在有限元模型之中每一個小的塊體稱為一個單元。山千單元是有限元模型的輩本要素，在有限元分析中，單元有著舉足輕重的作用。單元類別的多少也是有限元程序功能強大與否的評判標準之一。運用最合適的單元模擬不同部件，能夠得到更為合理的分析結果。(I)臂架以及各個連桿模擬在ANSYS軟件里面節(jié)臂板及各個連桿采用SHELL181殼單元進行模擬。SHELL181是ANSYS軟件里面的有限應變殼單元，該單元具有4節(jié)點同時每個節(jié)點具有3平動3轉動共6自由度，可應用千薄板和中等厚度殼結構線性、大變形、非線性計算分析，計算時可在厚度方向設置3個積分點數。(2)輸送管模擬輸送管選擇PIPE16管單元進行模擬。PIPE16管單元是ANSYS軟件里面具有拉、壓、扭、彎的管單元，該單元有2節(jié)點，每個節(jié)點具有3平動3轉動共6自山度。它能夠直接定義管內流體的密度，這樣就能夠較為便捷地施加混凝土重量。(3)油缸模擬油缸可以看做為一個二力桿，那么就可以選擇LINK180桿單元進行模擬，它的截面積是杠桿截面積。因為臂架的轉動時會影響油缸的長度變化，為保證油缸質量不變，等效處理汕缸的密度可以保證油缸的質量不發(fā)生變化。(4)節(jié)臂與連桿、連桿與連桿的銷軸連接處模擬針對各自的特點，它們可以選擇LINKIO單元以及BEAM188梁單元來進行模擬。BEAM188粱單元能夠很好的模擬可以轉動的銷軸，LINKIO單元能夠較好的模擬了銷軸移動受限的軸承。BEAM188梁單元適用千分析細長的梁，它是一個二34節(jié)點的三維線性梁，每個節(jié)點有6個或者7個自山度，在默認情況下為6個自山度,本文選擇默認情況；LINKIO單元是山2節(jié)點組成，每節(jié)點具有3平動即3自山度,本文對模型的計算僅采用受壓選項。(6)其他處理節(jié)臂上還有許多其他小構件，比如說銷釘、焊接點等的質量相對其他主要構件相對較小，并且不是主要的承載結構，因此可以在有限元模型之中忽略不計。4.3.2材料性質該HB37型泵車臂架材料使用是WELDOX900E,材料性質山表4.1可見。表4.1臂架材料性質屈服強度 抗拉強度 彈性模量 泊松比 密度O's(MPa)O'b(MPa)E(MPa) M P(kg/而)900 940 2.1X105 0.3 7.85x103值得說明的是，ANSYS軟件中計算出的應力值都是VonMisesStress(馮米斯應力，應力云紋)的等效應力值。它遵循材料力學畸變能密度理論。該理論認為畸變能密度是引起屈服的主要因素因。因此，根據上述的材料性質，我們可以根據許用應力值計算公式得到：［司=0.5(J's+0.350'b=586MPa (4.9)n這里的n指代的是安全系數網在這里取n=1.3304.3.3約束條件臂架在施工工程中會受到外載荷的沖擊，其有限元模型與實際結構盡可能一致，因為有限元計算的目的是為了獲得臂架結構在一定載荷作用下的響應，因此準確模擬載荷和邊界條件決定著有限元模型的真實性。一個物體在邊界上的外加約束指的就是邊界條件。在有限元的分析過程中，要想得到合理、精確的分析結果，最重要的就是添加正確的邊界條件。臂架在工作過程中隨著澆注位置的改變臂架姿態(tài)也隨之改變，但是它的邊界條件不發(fā)生變化，臂架約束較簡單，就是模擬臂架與轉臺的連接關系，使之成為靜定結構，同時通過梁、桿來實現各節(jié)臂與汕缸、連桿、銷軸之間的連接關系。在節(jié)臂I末端和汕缸I底部分別約束三個平動，在各銷軸中心處約束其自身軸向轉動。4.3.4劃分網格依照有限元法的思想，單元的網格劃分密度十分關鍵，網格密度越是精細分析所得結果就越為精確。反之，若網格比較粗糙，分析所得結果就及其容易含有35

嚴重的錯誤。但是網分若劃分的過千細致，又會花費更多的計算資源，反而會使得機器運行速度明顯減緩。只有當網格劃分密度達到一個合理數值的時候，網格的密度就不會對分析結果有過大的影響。正確的的做法應該為預先設定一個值，之后在危險區(qū)域劃分兩倍多的網格再進行一次分析進而比較兩者的結果。若前后兩次分析的結果接近，說明網格足夠；若前后結果有明顯的差別，就應該逐漸調整網格參數重復該步驟，直到兩者的結果差別不明顯為止。根據前面章節(jié)所述，運用不同單元模擬不同部件，為保證最終結果的求解精度，在某些區(qū)域進行網格細分，如圓孔和加強版附近等，通過調整單元尺寸來控制網格劃分的單元質量。臂架共劃分為81056個實體單元，劃分好網格的有限元模型如圖4.3所示。ANSYSANSYS圖4.3泵車臂架有限元模型網格劃分示意圖如上圖所示，原點坐標定在1節(jié)臂上兩個后餃點連線的中間位置，所有臂架水平伸展的方向為X方向；垂直向上的方向為Y方向；臂架變幅的平面為XY平面；利用右手法則確定垂直千XY面的方向為Z方向。3.5載荷處理在章節(jié)3.3.1及章節(jié)3.3.2中已經定義了載荷處理的方式，在最危險工作狀態(tài)之下，載荷組合應為：臂架自身重量XKd+混凝土重量XK+風載荷+回轉慣性力+端部側向牽引力臂架所受載荷主要有各節(jié)臂的自重、工作載荷（考慮動載荷）、牽引載荷、風載等。自重是體積力，在設定乘動載系數的重力加速度后，軟件自動附給單元；36工作載荷和牽引載荷則經過計算等效到輸送管支架的各結點。風載荷是面載荷,按250Pa的值加載在臂架實體模型的迎風面上。4.4泵車臂架有限元分析在章節(jié)4.3中已經較為詳細的描述了使用ANSYS軟件分析前的必要準備：包括定義單元類型、定義材料特征參數以及幾何參數，同時完成了網格劃分，確立了約束條件和載荷處理方式，此時可進行有限元分析。4.4.1最危險工作狀態(tài)下泵車臂架位移分析分析結束以后，可使用ANSYS后處理模塊查看位移。圖4.4臂架水平工作姿態(tài)總位移云紋圖山圖4.4可見，從輩座位置開始，在往第四節(jié)臂的方向上，位移量逐漸增大，并且臂架最大位移的點位千第四節(jié)臂末端點，位移大小為2050m