車載式布料機(jī)臂架系統(tǒng)_畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、摘 要18米車載式布料機(jī)是一種由汽車底盤、混凝土輸送泵、可回轉(zhuǎn)和折疊伸縮的布料臂架系統(tǒng)等組成的高效混凝土澆筑設(shè)備。其中最重要的部件就是臂架系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)將混凝土通過臂架上的輸送管輸送到各種復(fù)雜的建筑施工位置；它的布料性能體現(xiàn)在高效的工作適應(yīng)性、靈活便捷的操作和機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的高可靠性。 18米車載式布料機(jī)是一個(gè)專門服務(wù)于農(nóng)村房屋和橋梁施工的短臂架產(chǎn)品，此產(chǎn)品的研發(fā)要求以二軸(橋)底盤上的最長18米臂架為餌標(biāo)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、分析及優(yōu)化。論文以農(nóng)村實(shí)際建設(shè)為依托，以設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)、高效18米布料臂架系統(tǒng)為目標(biāo)，圍繞材料力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及機(jī)械系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)等方面中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：車載式布料機(jī)

2、；臂架系統(tǒng)；短臂架 AbstractConcrete pump is the efficient concrete pouring equipment that consist of chassis、concrete pump、rotatable and collapsible telescopic cloth boom system. The most important part of the concrete pump is the boom system which transported concrete to the location of a variety of complex

3、 construction through the boom on the concrete pipes. In addition, the performance fabrics of the boom system works efficient、safe and adaptable,flexible and convenient to operate. 18m pump is the product that specialized service in the construction of rural houses and bridges short jib. The researc

4、h、analysis and optimization of the 18m pump is with two axes (bridge) on the chassis of the longest 18 meters boom as standard bait. Around the mechanics of materials analysis, dynamic analysis and structural optimization design and mechanical control system design and other aspects of the key techn

5、ical issues, the research rely on the actual construction of rural, aim to design a high quality, efficient 18 m boom pump system.Keywords: Vehicle-mounted spreader; Boom system;Short boom目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 車載式布料機(jī)介紹11.2 車載式布料機(jī)的發(fā)展概況21.3 短臂架布料機(jī)的現(xiàn)狀與趨勢41.4 課題來源及設(shè)計(jì)內(nèi)容51.4.1 課題來源51.4.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容6第2章 方案

6、論證72.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)72.2 方案的擬定72.2.1 布料機(jī)樣式的確定72.2.2 布料機(jī)臂架基本參數(shù)的確定82.3 整體方案9第3章 泵車臂架系統(tǒng)103.1 臂架載荷分析103.2 臂架的設(shè)計(jì)原則103.3 臂架具體參數(shù)的計(jì)算103.3.1 節(jié)臂3尺寸及其鉸接零件尺寸的計(jì)算113.3.2 節(jié)臂2尺寸及其鉸接零件尺寸的計(jì)算213.3.3 節(jié)臂1尺寸及其鉸接零件尺寸的計(jì)算313.4 回轉(zhuǎn)支撐裝置的選擇433.4.1 載荷的確定443.4.2 回轉(zhuǎn)支承裝置的受力分析443.4.4 回轉(zhuǎn)支承裝置的強(qiáng)度計(jì)算463.5 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的選擇及其傳動(dòng)分析473.5.1 回轉(zhuǎn)阻力矩計(jì)算47第4章 液壓系統(tǒng)的

7、設(shè)計(jì)494.1 液壓系統(tǒng)工作原理494.2 系統(tǒng)的動(dòng)作要求如下504.3 PLC的選擇504.3.1 PLC品牌的選擇504.3.2 S7-200系列CPU的選擇514.3.3 PLC的I/O資源配置524.4 控制系統(tǒng)硬件連線圖54結(jié) 論55致 謝56參考文獻(xiàn)57CONTENTS摘 要2Abstract3Chapter 1 Introduction61.1 Fabric machine Introductionn61.2 Vehicle overview of the development is the fabric machine71.3 status and trends of the

8、 Short boom pump91.4 Source topics and Design content101.4.1 Source topics101.4.2 Design content11Chapter 2 Demonstration program122.1 Design Goals12 2.2 Program development122.2.1Determination of fabric machine style122.2.2Pump truck boom determine the basic parameters132.3Overall program14Chapter

9、3 Pump truck boom system153.1 Boom load analysis153.2 design principles of the boom153.3 Calculation of specific parameters of the boom163.3.1 Its hinged arm three dimensions part size calculation173.3.2 Size and hinged arm 2 part size calculation273.4 selection of the rotary support device493.4.1 l

10、oad determination493.4.2 Stress Analysis of slewing device503.4.4 calculations of the Slewing unit strength523.5 selection and Transmission Analysis of the Rotary drive device 533.5.1 calculation of the Rotary drag torque53Chapter 4 Hydraulic System Design554.1 theory of Hydraulic System554.2 requir

11、ements of Operation of the system564.3 Selection of the PLC564.3.1 Selection of the PLC brand564.3.2 Selection of the S7-200 series CPU 574.3.3 The PLC I / O resource allocation584.4 Control system hardware connection diagram59 Conclusion62 Thanks63 References64VI第1章 緒論1.1 車載式布料機(jī)介紹車載式布料機(jī),也可以稱作臂架式混凝土

12、泵車,可以將它定義為:將混凝土泵和液壓折疊式臂架都安裝在汽車或拖掛車底盤上,沿著臂架架設(shè)輸送的管道,通過最末端的軟管,最終輸出混凝土的設(shè)備1。混凝土泵車的基本結(jié)構(gòu)見圖1-1。1、底盤部分 2、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3、液壓部分4、臂架系統(tǒng) 5、泵送系統(tǒng) 6、底架 圖1-1 混凝土泵車的基本結(jié)構(gòu)圖泵車臂架擁有折疊、回轉(zhuǎn)及變幅的功能，因此實(shí)際應(yīng)用中能夠在臂架所能及的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行布料。泵車應(yīng)用于建筑施工作業(yè)之中,能夠非常便捷、合理的應(yīng)用于各種混凝土輸送情況,特別是垂直輸送的情況,既可以完成混凝土現(xiàn)場的輸送，又可以兼顧布料作業(yè)，且能保證二者同時(shí)進(jìn)行,具有非常良好的泵送性能、布料范圍廣泛、澆筑的速度快、澆筑質(zhì)量高、保

13、持現(xiàn)場工作環(huán)境的清潔、減輕作業(yè)人員工作的強(qiáng)度、機(jī)動(dòng)性好和轉(zhuǎn)移方便等諸多優(yōu)點(diǎn),所以得到人們的普遍青睞2。特別是在基礎(chǔ)和低層施工以及頻繁轉(zhuǎn)移工地的時(shí)候,能夠更好的凸顯出它的優(yōu)越性。只要是在臂架活動(dòng)范圍之內(nèi),就可以任意地改變混凝土的澆筑位置,而不需要在現(xiàn)場鋪設(shè)臨時(shí)的管道,這樣就可以大大的縮短鋪助時(shí)間,進(jìn)一步提高工作效率。當(dāng)混凝土澆筑的需求量很大或者超大體積、超厚基礎(chǔ)混凝土的需要一次性澆筑時(shí),泵車的優(yōu)勢就體現(xiàn)的更為明顯3。目前,稍大規(guī)模的混凝土施工大都使用泵車泵送技術(shù),特別是國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。泵車的使用范圍已經(jīng)拓展至水利、水電、地鐵、橋梁、大型基礎(chǔ)、高層建筑和民用建筑等工程。早已成為泵送混凝土施工機(jī)械

14、的首選機(jī)型,在建筑施工過程中必不可少。泵車是由汽車底盤、混凝土輸送泵和臂架系統(tǒng)等組成用于輸送混凝土的專用車輛,一般情況下,我們可以大致將混凝土泵車看做由六大部分組成:底盤部分、泵送系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、底架4。1.2 車載式布料機(jī)的發(fā)展概況 混凝土泵的研究最早開始于德國，1907年德國就開始研究混凝土泵，并有人取得專利權(quán)。此后，與1913年美國也有人制造出混凝土泵樣機(jī)并取得專利。至1930年，德國制造了立式單杠的球閥活塞泵，這種泵由曲柄和搖桿傳動(dòng)，工作性能較差，使用價(jià)值不大。到1932年荷蘭人庫依曼制造出臥式缸的庫依曼型混凝土泵，成功的解決了混凝土泵的構(gòu)造原理問題，

15、大大的提高了工作的可靠性。此后混凝土泵即進(jìn)入小規(guī)模的試用階段5。第二次世界大戰(zhàn)之后，各國陸續(xù)開始經(jīng)濟(jì)恢復(fù)工作，建筑工程規(guī)模日益擴(kuò)大，混凝土泵的銷路較好，應(yīng)用日漸增多。五十年代中葉，聯(lián)邦德國的托克里特（Torket)公司首先發(fā)展了用水作為工作液體的液壓缸，使混凝土泵車進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。1959年，聯(lián)邦德國的施文英公司生產(chǎn)出第一部全液壓的混凝土泵，它用油作為工作液體來驅(qū)動(dòng)活塞和閥門，使用后用壓力水沖洗泵和輸送管。這種液壓泵功率大，排量大，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，可做到無級調(diào)節(jié)，泵的活塞還可逆向動(dòng)作以減少堵塞的可能性，因而使混凝土泵的設(shè)計(jì)、制造和泵送施工技術(shù)日趨完善。此后，為了提高混凝土泵的機(jī)動(dòng)性，在六十年

16、代中期又研制了混凝土泵車，并配備了可以回轉(zhuǎn)和伸縮的布料桿，使混凝土泵的澆筑工作更加靈活多變。在活塞式混凝土泵不斷完善的過程中，美國的查倫奇一考克兄弟(ChollengecookBors)公司于1963年又研制了一種新型的擠壓式混凝土泵6。這種泵的工作原理與活塞式混凝土泵迥然不同，它是利用轉(zhuǎn)動(dòng)的滾輪擠壓軟管中的混凝土混合物而進(jìn)行輸送的6。混凝土泵按驅(qū)動(dòng)方式分為活塞式混凝土泵和擠壓式混凝土泵兩種。活塞式混凝土泵是應(yīng)用最早也是最有發(fā)展前途的一種混凝土泵?；钊交炷帘弥校鶕?jù)驅(qū)動(dòng)力的不同，又有機(jī)械式活塞泵和液壓式活塞泵之分。擠壓式混凝土泵在六十年代后期盛行，但是由于這種混凝土泵的排量較小，輸送距離不

17、如活塞式大，因而應(yīng)用逐漸減少7?；炷帘酶鶕?jù)其能否移動(dòng)以及移動(dòng)的方式，分為固定式、拖動(dòng)式和汽車式。汽車式混凝土泵，其工作機(jī)構(gòu)裝在汽車底盤上沮都帶有布料桿，移動(dòng)方便，機(jī)動(dòng)靈活，移至新的工作地點(diǎn)不需要進(jìn)行太多準(zhǔn)備工作即可進(jìn)行澆筑，因而是目前大力發(fā)展的機(jī)種8。 泵車產(chǎn)品以德國施文英(Schwing)和塞勒(Scheele)公司最為著名，另外意大利、日本、美國等一些國家的泵車產(chǎn)量也有一定規(guī)模。近年來，泵車產(chǎn)品日趨完善，泵車臂架節(jié)數(shù)由最早的2-3節(jié)變?yōu)?-6節(jié):臂架長度由十幾米變?yōu)樗氖嗝?，超長臂架達(dá)到62米;混凝土的理論輸送量由40m3/h 增至200m3/h 。泵送混凝土的壓力也由2.5MPa變?yōu)?

18、2MPa9。在我國，泵車的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的時(shí)間不長，設(shè)計(jì)和制造水平相對較低。為了迅速縮短我國與國外先進(jìn)國家設(shè)計(jì)和制造混凝土泵車的差距，國內(nèi)許多廠家紛紛與國外知名公司合作生產(chǎn)混凝土泵車。其中有代表性的廠家有徐州工程機(jī)械廠(與德國合作)，北京城市建設(shè)工程機(jī)械廠(與意大利合作)，海城建設(shè)機(jī)械廠(與德國LSB公司合作)，湖北建設(shè)機(jī)械股份有限公司(與日本合作)等實(shí)現(xiàn)混凝土的商品化生產(chǎn)是我國建筑產(chǎn)業(yè)中的重大國策。商品混凝土由混凝土攪拌站的攪拌樓集中大量生產(chǎn)，由專用輸送設(shè)備運(yùn)至施工工地，再用泵送、布料等設(shè)備實(shí)現(xiàn)澆筑。在這一過程中餛凝土泵車扮演著重要角色，它可以一次同時(shí)完成現(xiàn)場混凝土的輸送和布料，具有泵送性能好，

19、布料范圍大，能自由行走，機(jī)動(dòng)靈活和轉(zhuǎn)移方便等特點(diǎn)。尤其是在基礎(chǔ)、低層施工及需要頻繁轉(zhuǎn)移工地時(shí)，使用混凝土泵車更能顯示其優(yōu)越性。另外在泵車臂架活動(dòng)范圍內(nèi)可以任意改變澆筑位置，不需在現(xiàn)場臨時(shí)鋪設(shè)管道，節(jié)省輔助工時(shí)，提高工效。特別是在混凝土澆筑需求量大，超大體積及超厚基礎(chǔ)混凝土的一次澆筑和質(zhì)量要求高的工程中效果更加顯著。如新上海國際大廈底板混凝土17000m2，用12臺(tái)混凝土泵車，64h澆筑完畢；1995年10月上海建工集團(tuán)總公司集中了36輛混凝土泵車用于上海世界貿(mào)易商城基礎(chǔ)底板的一次性澆筑施工，連續(xù)26h共澆筑混凝土2.4萬m，這些都表明了混凝土泵車在現(xiàn)代施工中所起的重要作用10。1.3 短臂架布

20、料機(jī)的現(xiàn)狀與趨勢中國現(xiàn)在是世界上最大的混凝土機(jī)械生產(chǎn)國，也可以說是一個(gè)混凝土機(jī)械生產(chǎn)的強(qiáng)國。就混凝土泵車這一塊而言：首先從數(shù)量上看，我國的產(chǎn)量占世界市場的絕對優(yōu)勢，三一、中聯(lián)單個(gè)企業(yè)一年的混凝土泵車的生產(chǎn)量就可滿足全歐洲一年的需求；其次從品種上看，臂架長度從22米到58米的各種型號(hào)均有，2006年三一重工還研制出了世界上臂架最長的66米泵車；從技術(shù)水平上看，雖然局部的如液壓元件，結(jié)構(gòu)件疲勞計(jì)算技術(shù)還落后于歐洲公司，但整車設(shè)計(jì)水平已經(jīng)領(lǐng)先，作為銷售的主流三橋和四橋底盤泵車，國內(nèi)的臂架長度都能做得更長，在海外市場更具競爭力。從市場銷售上看，雖然在產(chǎn)品的穩(wěn)定性和工藝方面還不如國外，但在性價(jià)比、售后服

21、務(wù)等方面，具有明顯的競爭優(yōu)勢，且產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加符合國內(nèi)或者銷售地國家的實(shí)際施工情況11。 短臂架泵車是指臂架長度在30米以下的，采用二橋或三橋底盤的泵車。在國外，短臂架泵車依然在市場上保持相當(dāng)大的份額。以德國施維英為例，我們可以看到其臂架型譜在短臂架上有KVM244H、KVM26-4、KVM28 X等型號(hào)可選。而意大利的塞瑪(SERMAC)的最新資料上也有3222、4226、5232、4R32等中短型號(hào)供選擇，甚至還有2218、3224、4228這樣的泵車和攪拌輸送車整合的產(chǎn)品。反觀近年我國的臂架式混凝土泵車的市場中，中短臂架泵車所占份額卻非常低。究其原因，首先是國內(nèi)商品混凝土供貨商在向建筑商銷

22、售商品混凝土?xí)r基本是同時(shí)提供泵車泵送服務(wù)的?；炷恋慕Y(jié)算每噸單價(jià)是與泵車臂長緊密結(jié)合的，臂架越長越貴。這就使得本來屬于短臂架泵車的市場被三十多米的中長臂架泵車所侵占；其次泵車生產(chǎn)廠商更愿意用有限的投入去生產(chǎn)和銷售更高附加值的長臂架泵車以賺取更大的利潤。但是我們應(yīng)該清楚的看到，短臂架泵車的發(fā)展窘境在近年中國混凝土機(jī)械市場是比較特殊的，隨著混凝土泵車市場的進(jìn)一步成熟，短臂架泵車必將迎來一個(gè)高速發(fā)展期。原因如下：(一)、混凝土泵車市場利潤巨大，吸引許多其他行業(yè)的投資和廠商進(jìn)入。但較高的技術(shù)和資金門檻，使得短臂架泵車自然成為進(jìn)入此行業(yè)的突破口；(二)、隨著商品混凝土市場的進(jìn)一步成熟，用戶群及其的設(shè)備功

23、能開始細(xì)分。更多如別墅、涵洞、地溝等適合短臂架泵車的建筑施工方希望商品混凝土供貨商用成本更低的短臂架泵車施工。而短臂架泵車的靈活機(jī)動(dòng)、集成車載泵等多功能的特點(diǎn)也大大拓展了自己的市場；(三)、2005年”十一五”規(guī)劃確定了鐵路建設(shè)為主要目標(biāo)：新建鐵路1萬公里，2010年，全國鐵路營業(yè)里程將達(dá)到8.5萬公里。其中橋梁箱梁、橋墩，無碴軌道的道床澆筑都是短臂架泵車的強(qiáng)項(xiàng)12。這一巨大的市場立即吸引了眾多各類設(shè)備提供商的眼球。1.4 課題來源及設(shè)計(jì)內(nèi)容1.4.1 課題來源隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的農(nóng)民工在城里獲得不少財(cái)富?；谥袊加新淙~歸根的傳統(tǒng)思想，很多通過勞動(dòng)經(jīng)商致富的農(nóng)民都回到農(nóng)村建房。尤其在南方普

24、遍的農(nóng)民都擁有一套鄉(xiāng)間小別墅，中國擁有龐大的農(nóng)村人口。因此農(nóng)村的住房建設(shè)量是非常大的，如果能把泵車技術(shù)引進(jìn)農(nóng)村建設(shè)中將回帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是農(nóng)村的羊腸小道對于布料機(jī)的進(jìn)出影響很大而導(dǎo)致農(nóng)村建設(shè)水平和速度一直處于二十世紀(jì)末的水平。針對這種情況，應(yīng)根據(jù)農(nóng)村具體實(shí)際去設(shè)計(jì)適合農(nóng)村建設(shè)的混凝土泵車。1.4.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 計(jì)算節(jié)臂長度分別為5.5-5.5-4的臂架的具體截面尺寸及臂架與臂架鉸接處的所用的銷釘直徑。根據(jù)具體的受力情況選擇合適行程及缸徑的液壓缸。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果在Pro/E中畫出立體圖并裝配出來，最后在Pro/E中模擬仿真運(yùn)動(dòng)。 選擇相應(yīng)的控制器設(shè)計(jì)出相應(yīng)的液壓控制系然后在PLC編寫控制程

25、序及畫出相應(yīng)的控制電路圖。 第2章 方案論證2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo) 為適應(yīng)農(nóng)村建設(shè)的需要，本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款短臂架、適合穿行鄉(xiāng)村羊腸小道的小型高效的混凝土布料機(jī)。 2.2 方案的擬定2.2.1 布料機(jī)樣式的確定 1 手動(dòng)式布料機(jī) 手動(dòng)式布料機(jī)完全由人工操作，具體機(jī)構(gòu)簡單、機(jī)動(dòng)靈活、操作方便、價(jià)格低廉，適合于混凝土平面澆注施工，目前市場較大，整機(jī)可繞回轉(zhuǎn)支座回轉(zhuǎn)，臂架分為兩段，后臂可繞前臂回轉(zhuǎn)，兩處回轉(zhuǎn)組合可實(shí)現(xiàn)臂長范圍內(nèi)的連續(xù)布料。兩外，伸縮支腿可調(diào)節(jié)高度和長度，立架可拆卸，以滿足不同的施工要求。 2 塔式布料機(jī) 塔式布料機(jī)布料半徑大，布料臂2-5節(jié)，一般采用液壓式，也有少量機(jī)械式，根據(jù)施工現(xiàn)

26、場的不同，可選用固定式、內(nèi)爬式、行走式。塔式布料機(jī)以管柱內(nèi)爬式為主。 3 船用布料機(jī) 工作環(huán)境濕度大，海風(fēng)含鹽分，腐蝕性大，電氣系統(tǒng)容易出故障。要求在七級海風(fēng)、船舶傾斜度3度、船體震動(dòng)的條件下正常工作。船體傾斜和擺動(dòng)使整機(jī)產(chǎn)生附近載荷，影響布料機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。船用布料機(jī)廣泛應(yīng)用與港口、橋梁的建設(shè)，特別在跨海大橋的建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用。 4 車載式布料機(jī) 車載式布料機(jī)是將布料桿安裝在載重汽車底盤上的混凝土布料設(shè)備，由低架、布料桿、液壓缸連桿機(jī)構(gòu)、等組成。 布料桿是由采用低合金高強(qiáng)度薄鋼板組焊接的矩形斷面鋼結(jié)構(gòu)臂架組成。布料桿一般是由4節(jié)臂架鉸接構(gòu)成，各節(jié)臂架長度不一，視組合構(gòu)造需要而定。整個(gè)布料桿

27、采用液壓缸進(jìn)行架設(shè)，可以垂直豎立，也可以水平伸出。臂架與臂架之間通過鉸接相連。前一節(jié)臂架可圍繞后一節(jié)臂架前段的鉸點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，借助液壓缸連接桿機(jī)頭實(shí)現(xiàn)伸展和折疊。第一、二折疊角為180度，第三、四折疊角為240-250度，整個(gè)不料桿可以轉(zhuǎn)動(dòng)370度。因此，布料桿的活動(dòng)面大，有效范圍大，深受施工單位歡迎。 由于本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是農(nóng)村建設(shè)因此布料機(jī)需要經(jīng)常轉(zhuǎn)換施工地點(diǎn)，而且在農(nóng)村也缺少適合吊裝布料桿系統(tǒng)的起重機(jī)因此在樣式上選擇車載式布料機(jī)也就是泵車。2.2.2 布料機(jī)臂架基本參數(shù)的確定 臂架系統(tǒng)的基本參數(shù)主要有：節(jié)臂數(shù)、垂直布料高度（m）、水平布料半徑（m）、折疊方式。因本產(chǎn)品主要是針對農(nóng)村地區(qū)建設(shè)而

28、設(shè)計(jì)的混凝土布料系統(tǒng)，所以臂架的節(jié)數(shù)、每節(jié)臂架的長度、旋轉(zhuǎn)角度角度、都要要根據(jù)廣農(nóng)村地區(qū)的具體路況及其樓房建設(shè)高度去設(shè)定。從而使該布料系統(tǒng)能適應(yīng)大部分的鄉(xiāng)村建設(shè)。具筆者考察，農(nóng)村地區(qū)的路面寬度主要在3米，轉(zhuǎn)彎半徑在5米。主要通行的車輛一般長度都在6米內(nèi)；樓房層數(shù)一般為3層，每層高3.8米?？偢咭话阍?2左右。綜合上述，為適應(yīng)農(nóng)村建設(shè)的需求，該產(chǎn)品的臂架系統(tǒng)的基本參數(shù)設(shè)置主要如表2-1，2-2，2-3所示。表2-1 臂架系統(tǒng)基本參數(shù) 節(jié)臂數(shù)垂直布料高度（m）水平布料半徑（m） 折疊方式 3 20.3 18 M表2-2 臂架系統(tǒng)基本參數(shù) 長度（m） 擺角()節(jié)臂15.55 162節(jié)臂25.55 1

29、80 節(jié)臂34.18+3（三米可拆裝） 180表2-3 臂架系統(tǒng)主要參數(shù)最大理論輸出量（m/h）20泵送液壓系統(tǒng)額定壓力（MPa）20允許最大骨料粒(mm)碎石40臂架管內(nèi)徑（mm）125最大布料高度（m）20.2最大布料半徑（m）18.3最大布料深度（m）16.3末端軟管長度（m）3液壓系統(tǒng)壓力（MPa)16臂架回轉(zhuǎn)角度（）3602.3 整體方案根據(jù)臂架系統(tǒng)的基本參數(shù)最后確定整體方案，方案簡圖如圖2-1所示如圖2-1第3章 布料機(jī)臂架系統(tǒng)3.1 臂架載荷分析及設(shè)計(jì)原則泵車臂架所承受的交變載荷為脈動(dòng)循環(huán)載荷，其主要來源于泵送系統(tǒng)，分兩個(gè)方面，一是主油缸推送混凝土?xí)r通過輸送管而傳遞給臂架的，它的

30、方向根據(jù)輸送配管的走向改變而改變，使臂架受力變得臂架復(fù)雜難以計(jì)算；其二是來自S閥換向擺動(dòng)油缸的橫向沖擊；另外，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過程對比較產(chǎn)生的慣性力，也是臂架一個(gè)主要的動(dòng)載荷來源；還有臂架系統(tǒng)自重（包括作業(yè)期間輸送管內(nèi)的混凝土的重量）應(yīng)力，也是一個(gè)十分重要的力源，至于發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)對臂架抖動(dòng)產(chǎn)生微弱影響，相對泵送系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)自重的影響來說可以忽略不計(jì)。因此，在進(jìn)行臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要針對泵送系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)載荷和臂架系統(tǒng)自重可能對臂架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響來對臂架系統(tǒng)的具體機(jī)構(gòu)尺寸使其的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性得到保證。 關(guān)于臂架系統(tǒng)的開發(fā)和探究歷來都是工程師

31、們關(guān)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(qiáng)度、剛度,同時(shí)對于工作環(huán)境能夠有非常強(qiáng)的適應(yīng)能力兼?zhèn)漭^高的可靠性,另一方面動(dòng)態(tài)特性也要比較合理,機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)。為了滿足臂架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度等各方面要求,但是泵車臂架的結(jié)構(gòu)樣式很多,為了能夠得到、選用一個(gè)較好的臂架,我們應(yīng)當(dāng)遵循下列原則:(1)擁有滿足要求的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度;(2)重量盡可能小,盡可能輕便;(3)在條件、技術(shù)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;(5)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;(8)結(jié)構(gòu)樣式緊湊;(9)定位精準(zhǔn),誤差

32、較小;(10)臂架外形盡可能美觀,滿足視覺要求等3。3.3 臂架具體參數(shù)的計(jì)算本次設(shè)計(jì)的臂架為由合金鋼板焊接而成的箱型斷面結(jié)構(gòu)，但是鑒于臂架的具體尺寸都是未知的，而臂架的水平受力大小主要取決于臂架垂直方向的受力。故本次設(shè)計(jì)計(jì)算中先忽略臂架所受的水平彎矩和扭矩，只考慮臂架每一處所受的彎矩。先算出主要用于承受垂直方向彎矩的那一部分截面的尺寸也就是截面的高度y，臂架的截面如圖2-1，再針對臂架所受的扭矩、水平方向彎矩計(jì)算臂架整個(gè)截面的具體尺寸。圖3-1 臂架截面3.3.1 節(jié)臂3尺寸及其鉸接零件尺寸的計(jì)算 1 臂架截面高度y的計(jì)算第三節(jié)臂架垂臂架承受的垂直方向的載荷主要有：臂架自重、臂架管道及其混凝

33、土的重力。它們的位置及其節(jié)臂3計(jì)算簡圖如圖3-2： 式中G1節(jié)臂3的臂架管及其管內(nèi)混凝土的重量， G2軟管及其管內(nèi)混凝土和人工牽引力等效作用力，L13臂架管及其管內(nèi)混凝土重心相對節(jié)臂3鉸接點(diǎn)的距離 L23臂架管支撐點(diǎn)到B3鉸接處的距離 L33軟管及其管內(nèi)混凝土等效重心到節(jié)臂3鉸接處的距離 Kd動(dòng)載荷系數(shù)，一般取 節(jié)臂3上的載荷分布簡圖如圖3-2： 圖3-2 節(jié)臂3的受力分析及具體尺寸位置簡圖因?yàn)楸奂芟到y(tǒng)除了支撐臂架管外，主要支撐的還有自身的重量。如果設(shè)計(jì)的是普通的等截面尺寸的臂架，這樣不僅會(huì)大大增加臂架的自身重量浪費(fèi)材料而且還會(huì)增加臂架的不穩(wěn)定性及其降低工作效率。這些在都不利于該機(jī)械的推廣和減

34、低它自身的競爭力。因此本節(jié)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是利用微積分去算出在截面寬度一定時(shí)對應(yīng)的高度恰好為多少時(shí)可使整個(gè)臂架每一處能承受的最大彎矩都一樣。這樣就能充分發(fā)揮每一處材料的作用。鑒于臂架主要承受的載荷是垂直方向上的彎矩、而根據(jù)具體的推算在材料橫截面積一定時(shí)，高度越大其承受的垂直方向的彎矩越大。根據(jù)臂架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)中采用的是厚度為0.016m的Q550低合金高強(qiáng)度鋼板。在以節(jié)臂3與節(jié)臂2鉸接處為笛卡爾坐標(biāo)系原點(diǎn)時(shí)，XYZ軸的分布如圖3-1所示。根據(jù)材料力學(xué)分析在考慮臂架自身重量時(shí)，臂架承受的彎矩有兩部分組成：1臂架自身重力產(chǎn)生的彎矩MB、2臂架管及其管內(nèi)混凝土重力產(chǎn)生的彎矩MA。根據(jù)力學(xué)分析可得 （

35、3-1） (3-2) （3-3） （3-4） (3-5)式中Q550鋼板的密度， hQ550鋼板的厚度， Kd動(dòng)載荷系數(shù)， Q550的許用應(yīng)力sQ550的屈服強(qiáng)度，bQ550的抗拉強(qiáng)度，其中 聯(lián)立式子（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）并帶入相應(yīng)的數(shù)據(jù)可得出式子 （3-6） 該方程在Pro/E中求曲線的編程較復(fù)雜，本次設(shè)計(jì)采取取樣的方式：x軸每隔0.8(m)取一個(gè)點(diǎn)，y(m)只取正值。將x點(diǎn)值代入式（3-6）求得一系列相應(yīng)的y值，如下表（3-4）：表3-4 y隨x在式（3-6）中變化表x00.81.62.43.24y0.11230.0990.0850.0680.0480y

36、=0是因?yàn)閤=4的位置處不承受彎矩，但這個(gè)位置還承受垂直向下大小為5727N的力 故此處應(yīng)計(jì)算滿足剪切力的最小的y值。根據(jù)受力分析可得以下式子： (3-7) (3-8)由式(3-7)、(2-8)求得 2 節(jié)臂橫截面寬度的計(jì)算在Pro/E中畫出擬合出該曲線如圖2-3圖3-3 節(jié)臂3截面高度變化曲線圖 通過Pro/E分析出該臂架的水平方向的迎風(fēng)面積s1為0.336m 其型心距離坐標(biāo)系原點(diǎn)距離為L43為1.72m、臂架管的迎風(fēng)面積s2為1.34m （1）節(jié)臂3的風(fēng)載荷的計(jì)算 風(fēng)力大小的計(jì)算由文獻(xiàn)13，23-24表3-5、Pg23表3-6、表3-7知 節(jié)臂3風(fēng)載荷式中 c風(fēng)載體型系數(shù)值， Kh高度修正

37、系數(shù)， q標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值，（N/m） s節(jié)臂和臂架管的迎風(fēng)面積， Ffb3節(jié)臂3本身的風(fēng)載荷，N Ffg3節(jié)臂3的臂架管的風(fēng)載荷，N 風(fēng)載荷產(chǎn)生的水平彎矩的計(jì)算式中Mf3由風(fēng)力引起節(jié)臂3鉸接處的水平彎矩 （2）節(jié)臂3制動(dòng)載荷的計(jì)算 在本次設(shè)計(jì)中節(jié)臂3端點(diǎn)的切向速度為30m/min,切向加速度a3為0.2m/s13。節(jié)臂3制動(dòng)力的計(jì)算臂架部分因制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力水平彎矩的計(jì)算 （3）截面寬度z的計(jì)算 （3-9) （3-10） (3-11)連立式子（3-9）、（3-10）、（3-11）并帶入數(shù)據(jù)可求得節(jié)臂3在水平方向承受的最大彎矩處的節(jié)臂寬度z為0.058m根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果在Pro/E中建立節(jié)臂3的三維

38、模型如圖3-4： 圖3-4 節(jié)臂3的三維模型圖3 臂架鉸接處各部件的選擇及其計(jì)算 （1）液壓缸的選擇臂2與臂3的鉸接簡圖如圖3-5所示：圖3-5 臂2與臂3的鉸接簡圖根據(jù)上文的分析知在臂架處于圖3-6的狀態(tài)是臂架3產(chǎn)生的彎矩是最大的，而此狀態(tài)鉸接處的彎矩M為25616.137Nm 根據(jù)文獻(xiàn)14,155表4-37HSG系列工程液壓缸的結(jié)構(gòu)、型號(hào)說明和技術(shù)規(guī)格查得選用HSG63/45AEEZ1行程為800mm的工程液壓缸。選擇該液的主要數(shù)據(jù)依據(jù)如下：式中 F液壓缸的最大推力由上算出L為0.5134m ，L長短合理可以增加臂架的穩(wěn)定性。因此選擇HSG63/45AEEZ1液壓缸。 （2） 節(jié)臂2、3鉸

39、接處銷釘直徑及其桿1、2截面尺寸的計(jì)算 為了保證臂架驅(qū)動(dòng)液壓缸的安全，銷釘及其連桿的計(jì)算力矩及其力的來源全部采用臂架自身因各種因素產(chǎn)生的力和彎矩來計(jì)算。這樣可以使在液壓缸受到破壞前銷釘或支撐桿先出現(xiàn)問題。銷釘直徑d1、d2的計(jì)算： 用于支撐節(jié)臂3的桿2的力偶L4可通Pro/E過找出臂架承受最大彎矩時(shí)桿2與臂架的連接簡圖去測量出來，桿2與臂架的連接簡圖如圖3-6所示圖3-6 桿2與臂架的連接簡圖經(jīng)測量得L4為0.1m銷釘采用45#鋼，它的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度計(jì)算銷釘?shù)闹睆剑?由剪切強(qiáng)度條件得： 根據(jù)力的相互作用原理可知，在節(jié)臂2與節(jié)臂3連接處的銷釘在材料相同時(shí)它的直徑d2=d1。節(jié)臂3桿2截面的尺

40、寸的計(jì)算 根據(jù)分析桿2的長度為0.54m形狀如圖3-7；其立體圖見圖3-8圖3-7 桿2形狀圖由許用壓應(yīng)力強(qiáng)度條件：得 根據(jù)材料力學(xué)分析可知要校核壓桿的穩(wěn)定性，通過分析可用下式計(jì)算該支撐桿的直徑。 （3-12） （3-13） （3-14） （3-15）式中 Fcr壓桿的臨界力 nst安全因數(shù)， E45#彈性模量， I慣性矩 壓桿長度系數(shù)， 聯(lián)立（3-12）、（3-13）、（3-14）、（3-15）式子并帶入數(shù)據(jù)可得綜合上述計(jì)算取根據(jù)計(jì)算結(jié)果可畫出桿2的具體圖形如圖3-8所示：圖3-8 支撐桿2的具體圖形銷釘直徑d3、d4、d5的計(jì)算 節(jié)臂3鉸接處連接桿1的銷釘?shù)氖茏畲罄r(shí)的受力簡圖如圖3-9

41、所示：圖3-9 節(jié)臂3鉸接處連接桿1的銷釘?shù)氖茏畲罄r(shí)的受力簡圖銷釘采用45#鋼，它的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度計(jì)算銷釘?shù)闹睆?由剪切強(qiáng)度條件得 根據(jù)力的相互作用原理可知，在桿1與桿2連接處的銷釘承受的剪切力大小相等方向相反，又由圖3-9知F明顯小于F1，因此有d5=d4=d3= 0.027m。桿1截面尺寸的計(jì)算 桿1受到最大拉力時(shí)，它的最小截面形狀如圖3-10；其立體圖見圖3-11。圖中材料為45#，.根據(jù)受力分析可得下列式子：桿1受的最大拉力 通過上述式子可求得：，取又因?yàn)闂U1承受的壓力遠(yuǎn)小于拉力故不用做考慮，綜上可畫出桿1的立體圖如圖3-11：圖3-11 桿1立體圖3.3.2 節(jié)臂2尺寸及其鉸

42、接零件尺寸的計(jì)算 1 臂架截面高度y的計(jì)算第2節(jié) 節(jié)架垂臂架承受的垂直方向的載荷主要有：節(jié)臂2自重、節(jié)臂3、臂架管及其臂架管內(nèi)混凝土的重力。圖3-12中 式中 G12節(jié)臂2的臂架管及其管內(nèi)混凝土的重量G1節(jié)臂3的臂架管及其管內(nèi)混凝土的重量，G2軟管及其管內(nèi)混凝土和人工牽引力等效作用力，G3節(jié)臂3的重量 G4節(jié)臂2與節(jié)臂3鉸接處液壓缸和支撐桿的重量，L12節(jié)臂2的臂架管及其管內(nèi)混凝土重心相對節(jié)臂2與節(jié)臂1鉸接處的距離 L22節(jié)臂2的臂架管支撐點(diǎn)到節(jié)臂2與節(jié)臂1鉸接處的距離 Kd動(dòng)載荷系數(shù)，其中節(jié)臂2上的載荷分布簡圖如圖3-12：圖3-12 節(jié)臂2上的載荷分布簡圖 與節(jié)臂3相同節(jié)臂架2采用的也是厚

43、度為0.016m的Q550低合金高強(qiáng)度鋼板。在以節(jié)臂1與節(jié)臂2鉸接處為笛卡爾坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，XYZ軸的分布如圖3.1所示。根據(jù)材料力學(xué)分析在考慮臂架自身重量時(shí)，臂架承受的彎有兩部分組成：1臂架自身重力產(chǎn)生的彎矩MB、2節(jié)臂2及其臂架管及其管內(nèi)混凝土重力對節(jié)臂2的彎矩與整個(gè)節(jié)臂3節(jié)臂2彎矩之和MA。根據(jù)受力分析得在X坐標(biāo)軸處坐標(biāo)為X的右側(cè) （3-15） （3-16） （3-17） （3-18） (3-19)式中 Q550鋼板的密度， hQ550鋼板的厚度， Kd動(dòng)載荷系數(shù)， Q550的許用應(yīng)力， sQ550的屈服強(qiáng)度， bQ550的抗拉強(qiáng)度， Mb3節(jié)臂3與節(jié)臂2鉸接的處的彎矩，其中 聯(lián)立式子（3-

44、15）、（3-16）、（3-17）、（3-18）、（3-19）并帶入相應(yīng)的數(shù)據(jù)可得出式子： （3-20） 該方程在Pro/E中求曲線的編程較復(fù)雜，本次設(shè)計(jì)采取取樣的方式：x軸每隔0.8(m)取一個(gè)點(diǎn)，y(m)只取正值。y隨x依式（3-20）變化得表（3-5）：表3-5 y隨x依式（3-20）變化表x00.81.62.43.244.85.55y0.2050.1930.180.1670.1540.1410.1270.112在Pro/E中畫出擬合出該曲線如圖3-13 圖3-13 節(jié)臂2截面高度變化曲線圖 2 節(jié)臂橫截面寬度的計(jì)算 根據(jù)節(jié)臂3的計(jì)算先假定節(jié)臂2的寬度為0.11m通過Pro/E分析當(dāng)節(jié)臂

45、2的寬度為0.08m時(shí)臂架的質(zhì)量為294kg、水平方向的迎風(fēng)面積s3為0.936m 其型心距離坐標(biāo)原點(diǎn)距離為L42為2.621m、臂架管的迎風(fēng)面積s4為0.744m 其型心坐標(biāo)具坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為L12為2.775m，質(zhì)量為317.2kg （1）節(jié)臂2的風(fēng)載荷的計(jì)算風(fēng)力大小的計(jì)算 根據(jù)文獻(xiàn)13,23表3-5、Pg23表3-6、表3-7知 節(jié)臂2風(fēng)載荷： 式中c風(fēng)載體型系數(shù)值，Kh高度修正系數(shù)， q標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值，（N/m） Ffb2節(jié)臂2本身的風(fēng)載荷，NFfg2節(jié)臂2的臂架管的風(fēng)載荷，N風(fēng)力產(chǎn)生的水平彎矩的計(jì)算式中 L42節(jié)臂2型心與節(jié)臂2鉸接處的距離 Mf2由風(fēng)力引起節(jié)臂2鉸接處的水平彎矩 （2）

46、節(jié)臂2制動(dòng)載荷的計(jì)算 分析可知臂架一字展開水平澆注時(shí)的制動(dòng)力是最大的，這種狀態(tài)下節(jié)臂3端點(diǎn)的切向速度為30m/min，切向加速度為。制動(dòng)力的計(jì)算 臂架部分因制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力 式中 Fzb2節(jié)臂2臂架部分因制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力 ab2節(jié)臂2質(zhì)心的加速度 m節(jié)臂2的質(zhì)量其中 臂架管因制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力式中 Fzg2臂架管因制動(dòng)產(chǎn)生的慣性力 ag2節(jié)臂2的臂架管的質(zhì)心加速度 m節(jié)臂2的臂架管的質(zhì)量其中 制動(dòng)力產(chǎn)的水平彎矩Mz2的計(jì)算 （3） 截面寬度z的計(jì)算： （3-21) （3-22） (3-23)聯(lián)立式子（3-21）、（3-22）、（3-23）并代入數(shù)據(jù)可求得節(jié)臂2在水平方向承受的最大彎矩處的節(jié)臂寬度

47、：。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果在Pro/E中建立節(jié)臂2的三維模型如圖3-14： 圖3-14 節(jié)臂2的三維模型圖3 臂架鉸接處各部件的選擇及其計(jì)算 （1） 液壓缸的選擇 節(jié)臂1與節(jié)臂2的鉸接簡圖如圖3-15所示：圖3-15 臂1與臂2的鉸接簡圖根據(jù)上文的分析知在臂架處于圖3-15的狀態(tài)是臂架3產(chǎn)生的彎矩是最大的，而此狀態(tài)鉸接處的彎矩M為85385.3Nm 根據(jù)文獻(xiàn)14,144表4-37HSG系列工程液壓缸的結(jié)構(gòu)、型號(hào)說明和技術(shù)規(guī)格查得選用HSG125/90AEEZ1行程為800mm的工程液壓缸。選擇該液的主要數(shù)據(jù)依據(jù)如下：式中 F液壓缸的最大推力由上算出，L長度合適，可以增加臂架的穩(wěn)定性。因此選擇HSG1

48、25/90AEEZ1液壓缸 （1） 節(jié)臂2鉸接處銷釘直徑d及其桿1、2截面尺寸的計(jì)算銷釘直徑d1、d2的計(jì)算 用于支撐臂架2的桿2的力偶長度L4可通過Pro/E軟件測出來如圖3-16： 圖3-16 臂架2支撐桿簡圖通過Pro/E可分析出式中Fs銷釘1承受的剪切力銷釘采用45#鋼，它的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度計(jì)算銷釘1的直徑d1：由剪切強(qiáng)度條件：得： 根據(jù)力的相互作用原理可知，在節(jié)臂1與節(jié)臂2鉸接處銷釘2承的剪切力與銷釘1承受剪切力大小相等方向相反。因此有桿2截面的尺寸的計(jì)算： 根據(jù)分析節(jié)臂2支撐桿桿2的長度為0.60m形狀如圖3-17，其立體圖如圖3-18所示 圖3-17 節(jié)臂2支撐桿桿2簡圖圖中

49、、sd1未知、由許用壓應(yīng)力強(qiáng)度條件：得 ：由壓桿的穩(wěn)定可知： （3-24） （3-25） （3-26）式中Fcr壓桿的臨界力 nst 安全因數(shù)，E45#彈性模量， I慣性矩 壓桿長度系數(shù)， 聯(lián)立（3-24）、（3-25）、（3-26）式子并帶入數(shù)據(jù)可得：綜上可知取sd1的大值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可畫出桿2的具體圖形如圖3-18所示圖3-18 支撐桿2立體圖 銷釘3、4、5直徑d3、d4、d5的計(jì)算 節(jié)臂2鉸接處連接桿1銷釘?shù)氖茏畲罄r(shí)的受力簡圖如圖3-19所示圖3-19 節(jié)臂2鉸接處連接桿1銷釘?shù)氖茏畲罄r(shí)的受力簡圖采用45#鋼，它的抗拉強(qiáng)度s600MPa、屈服強(qiáng)度b355MPa=(0.5s+0.3b)/n=（0.56000.3355）/1.35=265Mpa=s/3=/3355=245MPa計(jì)算銷釘3的直徑d3 由剪切強(qiáng)度條件：AsFs/得： 根據(jù)力的相互作用可知，銷釘3與銷釘4承受大小相等方向相反的剪切力。又根據(jù)銷釘?shù)氖芰唸D2.4.8可知F小于F1，故取d5=d4=d3=0.047m桿1截面尺寸的計(jì)算 桿1受到最大拉力時(shí)，