混泥土泵車布料桿送料機(jī)構(gòu)

1、設(shè)計(jì)題目：HB-41型混凝土泵車布料機(jī)構(gòu) 指導(dǎo)老師： 何 俊 姓 名： 童 剛 班 級(jí)： 2011級(jí)鐵車一班 學(xué) 號(hào)： 20116436 一、設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)介混凝土泵車是目前土建工地現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆注中不可或缺的機(jī)械設(shè)備,其功能是將攪拌好的混凝土通過泵送和布料桿傳送到需要澆注的部位,完成混凝土構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)澆注的工序。而泵車的布料桿是泵車設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵，布料桿結(jié)構(gòu)的合理與否將直接影響整車的工作性能和作業(yè)穩(wěn)定性。布料桿臂與臂之間是通過軸、連桿機(jī)構(gòu)以及變幅油缸連接在一起的，料桿通過各變幅缸的伸縮運(yùn)動(dòng)和多個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其在作業(yè)范圍內(nèi)的工作。二、  設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與要求HB41型混泥土泵車布料桿,五節(jié)臂組

2、成，米，米，最大布料半徑36米，液壓缸驅(qū)動(dòng)。三、  設(shè)計(jì)任務(wù)1、提出可能的運(yùn)動(dòng)控制方案，繪制方案的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，計(jì)算布料桿機(jī)構(gòu)的自由度，進(jìn)行方案分析評(píng)比，選出一種運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)；2、依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出油缸的布置及其運(yùn)動(dòng)要求3、用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并畫出輸出機(jī)構(gòu)的位移、速度、和加速度線圖。4、 圖紙上繪出最終方案的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（可以是計(jì)算機(jī)圖）5、編寫說明書，說明書應(yīng)包括設(shè)計(jì)思路、計(jì)算及運(yùn)動(dòng)模型建立過程以及效果分析等。6、在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。四、提示1、每一節(jié)布料桿應(yīng)

3、有一個(gè)油缸控制，即該機(jī)構(gòu)應(yīng)由多個(gè)自由度2、按設(shè)計(jì)要求，主要考慮幾個(gè)幾個(gè)極限位置的相關(guān)數(shù)據(jù)5、 布料桿整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1，關(guān)于布料桿臂架的折疊方式 臂架的折疊方式有多種。按卷折方式分：有卷繞式(R型)、折疊式(Z型)、RZ型、M型、ZR型及S型等。 按支點(diǎn)位置和支撐方式分：前支點(diǎn)和后支點(diǎn)、上支點(diǎn)和下支點(diǎn)。前后支點(diǎn)是指支點(diǎn)位于汽車的前、后端；上支點(diǎn)是指第一節(jié)臂架在上方，其余臂架均折疊在下方；下支點(diǎn)是指第一節(jié)臂架在下方，其余臂架均折疊在上方。 臂架的折疊方式的選取關(guān)系到整個(gè)布料桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及各桿桿長(zhǎng)的確定、液壓缸的連接方式及作用方式等。R型、Z型、RZ型折疊示意圖如下 采用R型折疊方式，在最下端兩節(jié)

4、臂連接處的桿件連接方式應(yīng)留夠足夠的空間，以便在桿件完全收攏時(shí)，能折疊到位，且每個(gè)桿件連接點(diǎn)處所需要的空間都不同，這就要求每一處的液壓缸的安裝方式都會(huì)不同，增大了整體的設(shè)計(jì)難度。 采用Z型折疊方式，每處連接點(diǎn)的連接方式都相同，避免了R型的設(shè)計(jì)難度問題，但是由于布料桿是五節(jié)臂結(jié)構(gòu)，完全折疊時(shí)，最上層的桿件還需要外加固定件，不然在車輛運(yùn)行過程中，最產(chǎn)生較大的振動(dòng)，對(duì)整個(gè)布料桿結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定量的損耗，縮短其使用期。 選用RZ型折疊方式時(shí)，既避免了R型方式的設(shè)計(jì)難度問題，同時(shí)也對(duì)整體布料桿有一個(gè)比較好的固定方式。 綜上所訴，布料桿機(jī)構(gòu)選用RZ型折疊方式。2、布料桿自由度計(jì)算 由于整個(gè)布料桿機(jī)構(gòu)由五節(jié)臂組

5、成，需要五個(gè)液壓缸單獨(dú)控制每節(jié)臂的運(yùn)動(dòng)。因此，該機(jī)構(gòu)有5個(gè)主動(dòng)件，所以： F=53、布料桿桿長(zhǎng)的確定由于選用RZ型折疊方式，布料桿桿長(zhǎng)應(yīng)滿足折疊時(shí)每桿桿長(zhǎng)的長(zhǎng)度關(guān)系，即L1>L5>L2>L4>L3。布料管的外延長(zhǎng)度為5m，求解公式如下 計(jì)算得出： L1=8000 H=4500 L2+L3+L4+L5=28000 得出了各桿長(zhǎng)的基本關(guān)系之后，考慮桿的連接關(guān)系和完全折疊后的放置關(guān)系，將各桿長(zhǎng)確定如下： L1=8000mm L2=7100mm L3=6600mm L4=7000mm L5=7300mm根據(jù)各桿長(zhǎng)關(guān)系，畫出布料桿的運(yùn)動(dòng)范圍：6、 液壓缸的選擇及安裝方式1、液壓缸

6、型號(hào)選擇 布料桿橫截面如下： 底座處液壓缸安裝位置如下：當(dāng)液壓缸完全收縮時(shí)，與L1垂直，保證其傳動(dòng)角最大。設(shè)計(jì)中，布料外伸長(zhǎng)度為5m，布料管孔徑為0.15m，混凝土密度為250kg/，列出方程：KN，布料桿連接處結(jié)構(gòu)件圖如下：查液壓工程簡(jiǎn)明手冊(cè)可知，HSG系列工程液壓缸是采用雙作用單活塞桿方式，且安裝方式多采用耳環(huán)型，主要用于工程機(jī)械、重型機(jī)械、起重機(jī)械及礦山機(jī)械等液壓系統(tǒng)中。符合這次機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安裝和使用要求。查HSG系列工程液壓缸技術(shù)參數(shù)表，選擇活塞桿直徑為180mm,外缸徑為320mm的液壓缸1，最大推力為1286800N，最大行程3000mm。2、 液壓桿連桿結(jié)構(gòu)當(dāng)機(jī)構(gòu)達(dá)到最大深度時(shí)

7、，桿件1與桿件2的位置關(guān)系如圖：當(dāng)機(jī)構(gòu)完全伸展時(shí)，桿件1與桿件2的位置關(guān)系如圖：當(dāng)桿件達(dá)到最大深度時(shí)，為了使傳動(dòng)角最大，讓液壓桿的軸線與兩連桿的對(duì)稱線垂直，滿足在液壓缸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)能最省力。液壓桿完全壓縮時(shí)，桿長(zhǎng)為1m，完全伸長(zhǎng)時(shí)，桿長(zhǎng)為m，連桿距布料桿連接點(diǎn)的距離L5為1m,L4為2m。求解：L3=m。八、各部件受力分析與強(qiáng)度校核1、布料桿受力分析 布料桿橫截面如下： 截面整體面積為： 查資料可知，布料桿材料選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其密度大致為7.85g/cm3。 當(dāng)布料桿全部處于水平位置時(shí)，布料桿1根部受力最大，因此對(duì)此時(shí)的布料桿進(jìn)行受力分析：布料桿整體質(zhì)量： 當(dāng)送料管中充滿混泥土?xí)r，總質(zhì)量為：

8、 3.14*0.15*0.15*40.5*250=715kg、布料桿處于水平位置時(shí)，布料桿1底部與液壓缸組成一個(gè)杠桿結(jié)構(gòu)，則布料桿1與轉(zhuǎn)盤的連接處受力豎直向下：液壓缸與布料桿1接觸點(diǎn)的受力前面已經(jīng)計(jì)算得出：F=100KN查表可知，布料桿的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均小于布料桿的許用應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)要求。2、 布料桿連接處的受力分析與強(qiáng)度校核 布料桿連接處的連接方式如下：各桿件的長(zhǎng)度在前面的計(jì)算已經(jīng)給出：液壓桿完全壓縮時(shí)，桿長(zhǎng)為1m，完全伸長(zhǎng)時(shí)，桿長(zhǎng)為m，連桿距布料桿連接點(diǎn)的距離L5為1m,L4為2m。L3=m。 一節(jié)臂與二節(jié)臂連接處以及各鉸接點(diǎn)受力計(jì)算如下：=150KN 解出： 單獨(dú)取二節(jié)臂做受力分析，可

9、計(jì)算出：由F2和F3通過鉸接點(diǎn)e可求解出液壓缸需要提供的最小壓力為：根據(jù)液壓缸行程選定的液壓缸可提供的最大壓力為1298KN,大于最小壓力，則液壓缸滿足工作需要，由于選用統(tǒng)一的液壓缸，因此，三節(jié)臂以后的液壓缸也都能滿足布料桿工作時(shí)的動(dòng)力要求，能提供足夠的支撐力，以后不再一一校核。連接處的連接桿件材料選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45，求解連接件截面半徑：解得連接桿件半徑：R=110mm同液壓缸一樣，每個(gè)連接部位的連接桿件均選用相同尺寸，以便標(biāo)準(zhǔn)化，便于機(jī)械部件的維修和更換，一節(jié)臂與二節(jié)臂處的各桿件受力最大，若此處桿件的強(qiáng)度滿足要求，則其余部位的桿件一定滿足要求，同樣不再重復(fù)校核，在節(jié)臂連接處，兩個(gè)連接桿件

10、桿2、桿3，以及液壓缸的推力桿1，鉸接與點(diǎn)e，具體連接方式如下圖：其中，長(zhǎng)桿件為液壓缸推桿，兩個(gè)短桿分別為連接桿1和連接桿2，45鋼的需用切應(yīng)力，鉸接中心鍵采用圓柱形材料，計(jì)算中心鍵半徑：F發(fā)生在最大剪力的中性界面處，是中性軸一側(cè)的半個(gè)界面面積對(duì)中性軸的靜面矩。帶入相應(yīng)數(shù)據(jù)，求解半徑得：九、三維建模實(shí)體建模采用的是UG建模軟件，按照設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。建模過程中省略了車體部分，只對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)以及布料桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模。具體結(jié)果如下：十、Adams運(yùn)動(dòng)仿真利用機(jī)構(gòu)的三個(gè)極限位置對(duì)布料桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，讓布料桿的運(yùn)動(dòng)結(jié)果滿足每個(gè)極限位置的要求。下面是幾個(gè)極限位置的截圖：11、 ANSYS

11、受力分析1、有限元模型 在布料桿建模時(shí)，充分考慮了后續(xù)有限元模型中單元的選擇及邊界條件的處理。在不影響整體計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)某些地方的局部結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)男薷暮秃?jiǎn)化。如各節(jié)臂變幅缸點(diǎn)處的立板和加強(qiáng)板位置、某些板與板之間的對(duì)接等。布料桿臂與臂之間是通過軸、連桿機(jī)構(gòu)以及變幅液壓缸連接在一起的，所以有限元建模時(shí)，分別把每節(jié)臂作為一個(gè)整體。根據(jù)臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)我們選擇SHELL93 八節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)殼單元為主要網(wǎng)格單元，這種單元在單元平面的兩個(gè)方向上，變形的形狀都是二次的，因此有足夠的計(jì)算精度。再輔以實(shí)體元、梁?jiǎn)卧?、桿單元和剛體元來模擬輸送管支架、液壓缸、連桿和銷軸等零部件。網(wǎng)格劃分如圖1所示，為保證最終結(jié)果的求

12、解精度，在某些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，如圓孔和加強(qiáng)板附近、結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域等，通過調(diào)整單元尺寸來控制網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量。整個(gè)布料桿共形成單元28723個(gè)，其中殼單元有27464 個(gè)。圖1 布料桿的部分有限元網(wǎng)格 2、約束和加載就布料桿的受力而言，顯然在布料桿水平全伸時(shí)的工況為最危險(xiǎn)工況。所以，布料桿強(qiáng)度分析時(shí)僅考慮這一最危險(xiǎn)工況。布料桿的約束包括約束一節(jié)臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)中除變幅平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以外的其它2個(gè)自由度、變一液壓缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸點(diǎn)處的2個(gè)位移自由度，同時(shí)通過節(jié)點(diǎn)位移偶合來實(shí)現(xiàn)各節(jié)臂與軸、連桿、液壓缸之間的連接關(guān)系。布料桿所受載荷主要有各節(jié)臂的自重、工作載荷、牽引載荷、風(fēng)載等。自重是體積力，在設(shè)定

13、乘動(dòng)載系數(shù)的重力加速度后，軟件自動(dòng)附給單元。工作載荷和牽引載荷則經(jīng)過計(jì)算等效到輸送管支架的各節(jié)點(diǎn)。風(fēng)載是面載荷，按250Pa的值加在布料桿實(shí)體模型的側(cè)面。3、計(jì)算結(jié)果與分析有限元求解后，首先校核反力與施加的載荷是否平衡，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。求解得到的最大位移為3025mm，在布料桿最前端。各節(jié)臂前后鉸點(diǎn)的相對(duì)位移為：基本臂；二節(jié)臂：476.69mm；三節(jié)臂：；四節(jié)臂：1368.1mm；五節(jié)臂：1405.6mm。可以看出從基本臂到五節(jié)臂，鉸點(diǎn)相對(duì)位移依次增加，這一方面是由于各節(jié)臂的剛度，更主要是由臂的轉(zhuǎn)角位移引起的。在去除某些奇異點(diǎn)如集中載荷點(diǎn)、模型角點(diǎn)等的應(yīng)力后，各節(jié)臂的最大應(yīng)力值如表%

14、所示。圖& 是布料桿的應(yīng)力分布圖。從計(jì)算結(jié)果可以看出，布料桿四節(jié)臂的應(yīng)力最小。其余基本臂、二節(jié)臂和三節(jié)臂的高應(yīng)力區(qū)大都分布于各節(jié)臂的兩端，尤其是二節(jié)臂的兩端應(yīng)力最大。這與布料桿實(shí)際使用中常出現(xiàn)破壞、撕裂的區(qū)域相符，所以設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮各節(jié)臂前后端的結(jié)構(gòu)形式和焊縫的布置方式。4、 結(jié)論 （1） HB41 型混凝土泵車布料桿所用板材是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度為600MPa。從應(yīng)力輸出結(jié)果可以看出，布料桿基本臂和四節(jié)臂的應(yīng)力都不高，基本臂和四節(jié)臂的設(shè)計(jì)更多地考慮了其剛度。布料桿最大應(yīng)力466MPa，所選材料滿足強(qiáng)度要求。（2）從應(yīng)力分布圖可以看出，許多高應(yīng)力的區(qū)域都位于板與板對(duì)接的地方，焊縫位置往往是應(yīng)力最大點(diǎn)，所以布料桿對(duì)焊接質(zhì)量的要求就要很高。（3）用有限元法對(duì)布料桿進(jìn)行計(jì)算，可以獲得常規(guī)解析法難以求解的一些局部區(qū)域的應(yīng)力分布。布料桿的有限元計(jì)算結(jié)果表明，各節(jié)臂變截面處、不同板厚的板對(duì)接處和板的折彎處有應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。