混凝土泵車(chē)臂架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

混凝土泵車(chē)臂架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)泵車(chē)產(chǎn)品進(jìn)一步打入國(guó)際市場(chǎng)。我國(guó)自行制造的泵車(chē)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(zhuān)利技術(shù)開(kāi)發(fā)，采用了緊湊型7節(jié)臂折疊技術(shù)，整車(chē)長(zhǎng)度較同級(jí)別產(chǎn)品短30%,轉(zhuǎn)彎半徑更小，場(chǎng)地適應(yīng)性更好；同時(shí)，通過(guò)全工況載荷模擬和計(jì)算，全面應(yīng)用CIFA臂架技術(shù)，載荷分布均勻，臂架重心較同類(lèi)產(chǎn)品低10%, 整車(chē)安全穩(wěn)定；多級(jí)伸縮腿專(zhuān)利技術(shù)，在保證支腿跨距的同時(shí)，減少展腿面積約35%, 而三一重工緊接著馬上推出86m泵車(chē)，這臺(tái)86米泵車(chē)采用世界首創(chuàng)7節(jié)臂設(shè)計(jì)， 施工范圍較5節(jié)、6節(jié)臂更大。同時(shí)為解決臂架高強(qiáng)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(qiáng)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(jì)錄，它還開(kāi)發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的9橋全路面底盤(pán)，打破了進(jìn)口底盤(pán)對(duì)長(zhǎng)臂架泵車(chē)底盤(pán)市場(chǎng)的壟斷，突破了進(jìn)口底盤(pán)對(duì)國(guó)內(nèi)的技術(shù)封鎖，保證了泵車(chē)的產(chǎn)業(yè)安全。目前我國(guó)生產(chǎn)的泵車(chē)臂架節(jié)數(shù)有三節(jié)到七節(jié)不等，最常見(jiàn)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(guān)千臂架式泵車(chē)的探索與開(kāi)發(fā)在同行之中處千領(lǐng)先的狀態(tài)，中聯(lián)重科制訂了《混凝土泵車(chē)》標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)生產(chǎn)開(kāi)放出了泵車(chē)遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)還有GPRS系統(tǒng)。三一重工制造的泵車(chē)，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(guó)外知名品牌的泵車(chē) 產(chǎn)品一較長(zhǎng)短，臂架采用智能控制系統(tǒng)，可以近距離控，也可通過(guò)無(wú)線進(jìn)行遙控， 整車(chē)的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)際一流甚至先進(jìn)的水平，但是我們也要時(shí)刻保持進(jìn)步，進(jìn)一步的搶占全球市場(chǎng)，使中國(guó)制造的混凝土泵車(chē)行遍世界，奠定更為堅(jiān)實(shí)的地位[11][12][13]O泵車(chē)臂架系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)與泵車(chē)的發(fā)展一樣，我國(guó)泵車(chē)臂架系統(tǒng)也經(jīng)歷了一個(gè)從完成依賴(lài)進(jìn)口到逐步實(shí)現(xiàn)自制的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，國(guó)內(nèi)的各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)先是完全進(jìn)口臂架，然后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的消化吸收后開(kāi)始自行生產(chǎn)，并逐步對(duì)臂架的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化。目前，我國(guó)泵車(chē)臂架系統(tǒng)輩本實(shí)現(xiàn)了自制，并在某些方面達(dá)到并超過(guò)了原裝進(jìn)口臂架的質(zhì)量和性能。隨著產(chǎn)品技術(shù)性能的不斷提高，臂架系統(tǒng)逐步走上了自行開(kāi)發(fā)的階段但是，在看到進(jìn)步的同時(shí)也不可否認(rèn)國(guó)產(chǎn)臂架與進(jìn)口臂架的差距，具體體現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)臂架出現(xiàn)失效的幾率明顯高千進(jìn)口臂架。長(zhǎng)期以來(lái)臂架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是一個(gè)急需攻克的技術(shù)難題。總體上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)今關(guān)千泵車(chē)臂架系統(tǒng)的研究主要集中在以下幾個(gè)方向：⑴利用有限元軟件對(duì)泵車(chē)臂架進(jìn)行靜強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的分析；⑵利用有限元軟件對(duì)泵車(chē)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；⑶輩千虛擬樣機(jī)的臂架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和振動(dòng)分析；(4)通過(guò)對(duì)泵車(chē)液壓系統(tǒng)的仿真分析，得到液壓系統(tǒng)對(duì)臂架運(yùn)動(dòng)的影響。⑸臂架系統(tǒng)智能化，研究澆注點(diǎn)到澆注點(diǎn)的自動(dòng)控制和給定軌跡的自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制仿真。在有限元分析方面，長(zhǎng)沙中聯(lián)重科科技發(fā)展股份有限公司唐方臺(tái)、何玉東在《37m混凝土泵車(chē)泵送承力結(jié)構(gòu)的有限元分析探討》一文中針對(duì)泵車(chē)上復(fù)雜空間形態(tài)的臂架、S形換向閥、轉(zhuǎn)臺(tái)等承力結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈性力學(xué)原理的實(shí)體單元和板殼單元復(fù)合模型的構(gòu)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(shù)的計(jì)算式。介紹了臂架和S形換向閥的建模分析情況。根據(jù)這些模型所顯現(xiàn)的應(yīng)力分布規(guī)律和變形趨勢(shì)來(lái)指導(dǎo)和改進(jìn)設(shè)計(jì)，取得了良好的設(shè)計(jì)效果「I。武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院的張艷偉，佟力在《輩千ANSYS的混凝土泵車(chē)臂架結(jié)構(gòu)分析研究》一文中根據(jù)混凝土泵車(chē)的實(shí)際工作情況給出了各節(jié)臂架最危險(xiǎn)工況下受力 理論值的計(jì)算方法，并對(duì)各節(jié)臂架進(jìn)行了有限元建模，著重研究了臂架結(jié)構(gòu)模型的加載方法，以及單元?jiǎng)澐值娜舾申P(guān)鍵問(wèn)題［一，長(zhǎng)安大學(xué)的王泡英在《混凝土泵車(chē)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分析與試驗(yàn)研究》一文中建立了以板單元為輩本單元的泵車(chē)有限元 分析模型,并利用MSC/NASTRAN軟件對(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，然后通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)對(duì)比，找出了臂架過(guò)早出現(xiàn)裂紋的原因，并給出了結(jié)構(gòu)改造的方法,。在臂架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，湘渭大學(xué)吳翰暉在《混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用》的課題研究中，運(yùn)用ADAMS仿真技術(shù)，建立模型對(duì)原有的產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析，對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)化處理，快速構(gòu)建臂架系統(tǒng)模型，對(duì)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行仿真研究，了解各個(gè)連接餃點(diǎn)和各支汕缸的最大受力情況，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化處理，并以?xún)?yōu)化結(jié)果為依據(jù)，確定初步的設(shè)計(jì)方案u?。把研究深度提高到了能夠?qū)Ρ奂芟到y(tǒng)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的程度，在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)降低臂 架汕缸的載荷，減輕臂架機(jī)構(gòu)的總重量的目的。在泵車(chē)臂架振動(dòng)分析方面，長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院呂彭民教授和汪紅兵教授在《混凝土泵車(chē)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與試驗(yàn)》一文中，針對(duì)混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，使用ADAMS軟件建立了泵車(chē)臂架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真分析模型。通過(guò)模態(tài)分析，得到了泵車(chē)的固有頻率和振型，進(jìn)而找出了泵車(chē)臂架部分振動(dòng)較大的原因，為泵車(chē)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了依據(jù),：在液壓系統(tǒng)對(duì)千臂架運(yùn)動(dòng)影響的分析方面，長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院呂彭民教授和汪紅兵教授在《混凝土泵車(chē)沖擊載荷對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響》一文中，對(duì)泵車(chē)在工作時(shí)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析叫。中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的張大慶等在《液壓沖擊對(duì)混凝土泵車(chē)結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能影響的試驗(yàn)研究》一文中對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了多工況的測(cè)試，并進(jìn)行了泵車(chē)固有頻率測(cè)試及多工況的動(dòng)應(yīng)變測(cè)試。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得到各個(gè)工況的動(dòng)應(yīng)力變化范圍、工作頻率及泵車(chē)的固有頻率，并與對(duì)應(yīng)工況的液壓測(cè)試結(jié)果相比較，找到了該泵車(chē)振動(dòng)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(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院的周淑文教授等在《混凝土泵車(chē)智能澆注仿真》一文中應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)混凝土泵車(chē)智能澆注過(guò)程進(jìn)行了仿真，重點(diǎn)研究了泵車(chē)臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，軌跡規(guī)劃以及虛擬環(huán)境生成.在《混凝土泵車(chē)臂架智能控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》一文中采用插補(bǔ)算法，對(duì)泵車(chē)臂架智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在三維平臺(tái)下對(duì)混凝土泵車(chē)自動(dòng)澆注過(guò)程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，澆注口能夠很好地沿著用戶(hù)所設(shè)定的路線進(jìn)行澆注如國(guó)內(nèi)對(duì)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的研究多是以靜力學(xué)有限元分析為主，但臂架系統(tǒng)在工作時(shí)實(shí)際上是動(dòng)態(tài)的，根據(jù)輸入控制運(yùn)動(dòng)的不同，臂架受力變化很大，已逐漸向動(dòng)力學(xué)研究方向靠攏。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，山千臂架工況的多樣性，采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算時(shí)工程人員的工作量很大，而且難以計(jì)算得到完整準(zhǔn)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(jié)構(gòu)和受力變化間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而很難提高臂架的整體性能，因此動(dòng)力學(xué)研究大多停留在試驗(yàn)階段。國(guó)外泵車(chē)臂架的研究重心主要放在剛、柔性體相結(jié)合的仿真分析之上，大多使用動(dòng)力學(xué)以及有限元分析相結(jié)合的聯(lián)合仿真。簡(jiǎn)而言之，也就是將運(yùn)動(dòng)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(jìn)行下一步分析，從而得到完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程之中各個(gè)構(gòu)件應(yīng)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(xiàn)在的研究方向集中在臂架的智化控制和減小臂架的振動(dòng)方面。研究臂架系統(tǒng)的控制算法，設(shè)計(jì)更為合理的泵車(chē)臂架智能控制系統(tǒng)；關(guān)千混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)振動(dòng)大的難題，可以針對(duì)臂架系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，得到泵車(chē)的固有頻率和振型，這樣可以找出導(dǎo)致泵車(chē)臂架系統(tǒng)振動(dòng)偏大的原因?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)泵車(chē)臂架與國(guó)外一流產(chǎn)品相比尚有差距，這就要求我們必須努力在該領(lǐng)域不斷創(chuàng)新和研究，進(jìn)一步縮小差距，挺高產(chǎn)品質(zhì)量。論文的主要內(nèi)容論文的主要安排內(nèi)容如下：第二章詳細(xì)介紹了臂架系統(tǒng)的輩本組成，各典型部件的特點(diǎn)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(jìn)行了臂架總體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，為后面的分析計(jì)算奠定了輩礎(chǔ)。第三章對(duì)泵車(chē)臂架的工作狀態(tài)進(jìn)行了分析，確定了臂架受力的最危險(xiǎn)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(duì)某公司HB37型泵車(chē)臂架進(jìn)行受力、載荷分析，完成了該產(chǎn)品臂架的強(qiáng)度計(jì)算。第四章綜合利用PRO/E和ANSYS建立臂架有限元模型，通過(guò)有限元分析得到了泵車(chē)臂架在最危險(xiǎn)工作狀態(tài)下的位移和應(yīng)力云紋圖，確定臂架的最大位移、最大應(yīng)力位置，分析其產(chǎn)生原因，同時(shí)分析每節(jié)臂的應(yīng)力情況，針對(duì)材料利用最不 充分的第四節(jié)臂提出優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。第五章通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試比對(duì)，給出比對(duì)結(jié)果，為臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的保障。6本章小結(jié)這一章主要闡述了泵車(chē)的概念和特點(diǎn)，綜述了國(guó)內(nèi)外泵車(chē)以及泵車(chē)臂架的發(fā)展情況和趨勢(shì)，點(diǎn)明了泵車(chē)臂架系統(tǒng)研究的必要性和重要性。第二章泵車(chē)臂架系統(tǒng)1綜述臂架系統(tǒng)是一種可以回轉(zhuǎn)、伸縮、折疊的輸送管道，它可以在允許范圍內(nèi)運(yùn)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(guò)連桿、油缸餃鏈、銷(xiāo)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(duì)運(yùn)動(dòng)不受彼此干擾，靈活性較好(23)0泵車(chē)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著臂架展開(kāi)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(guò)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(zhì)量的直接影響因素之一，評(píng)價(jià)一臺(tái)泵車(chē)性能如何時(shí)，完全可以將其臂架系統(tǒng)的優(yōu)劣作為一個(gè)評(píng)判的關(guān)鍵。圖2.1為4節(jié)臂臂架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.2”，圖2.5為圖2.1中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的剖面圖。1轉(zhuǎn)臺(tái) 2油缸1 31轉(zhuǎn)臺(tái) 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(chē)臂架結(jié)構(gòu)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(diǎn)(1)臂架形式臂架可看作一個(gè)細(xì)長(zhǎng)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(qiáng)度大、剛度好、重量輕，臂架的結(jié)構(gòu)一殷設(shè)計(jì)為四塊鋼板搭接拼焊而成的箱型梁，材料多選用進(jìn)口高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼。臂架采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)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(guò)變截面、變板厚來(lái)減輕臂的自重。因?yàn)槠谑潜奂艿闹饕问?，所以在臂架設(shè)計(jì)中要注重合理安排結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中。為了充分利用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)良的力學(xué)性能，必須借助現(xiàn)代化的有限元分析計(jì)算方法，根據(jù)臂架上各處的應(yīng)力趨千一致的原則，將臂架設(shè)計(jì)成漸變梁結(jié)構(gòu)，即變截面梁。(2)連桿形式臂架的變幅機(jī)構(gòu)是山曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)兩種平面四桿機(jī)構(gòu)組合而成的，機(jī)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)，也有三角形的結(jié)構(gòu)。(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(dòng)作提供動(dòng)力，它山汕壓推動(dòng)活塞伸縮運(yùn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)平面四連桿機(jī)構(gòu)中的臂架運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變幅。變幅汕缸缸體的進(jìn)汕口應(yīng)設(shè)有液壓鎖，即使臂架變幅汕缸的液壓膠管斷了，臂架也不會(huì)下墜，以防止液壓膠管破裂時(shí)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(nèi)表面經(jīng)高頻悴火，使用壽命長(zhǎng),用千輸送混凝土的鋼管。通常情況下，業(yè)內(nèi)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(jiǎn)潔、安裝工藝和管路的長(zhǎng)度外，更要合理安排輸送管的走向，使輸送管和管內(nèi)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(lái)說(shuō)，它是通過(guò)支架固定在臂架上，各節(jié)臂連接餃點(diǎn)處采用餃接彎管實(shí)現(xiàn)混凝土輸送管跟隨臂架動(dòng)作。混凝土輸送管主要包括標(biāo)準(zhǔn)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(duì)混凝土的流動(dòng)阻力較大，一殷不應(yīng)太長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)混凝土泵車(chē)大多采用同一規(guī)格的高壓軟管，其長(zhǎng)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(jī)室后方的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)上，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以?xún)?nèi)齒輪傳動(dòng)的大軸承為回轉(zhuǎn)支承，能360度全回轉(zhuǎn)。臂架為液壓驅(qū)動(dòng)的四節(jié)卷折式，各節(jié)臂間都有液壓汕缸，用來(lái)調(diào)幅和折疊，4節(jié)臂能夠依次展開(kāi)，其中第四節(jié)臂的動(dòng)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(guò)大而產(chǎn)生離析?；炷帘盟拖到y(tǒng)多置千車(chē)身尾部，其質(zhì)量全部山后橋承擔(dān)，因此，第一節(jié)臂一殷向司機(jī)室或車(chē)身兩側(cè)展開(kāi)，這有利千減小車(chē)身后橋的載荷并能充分利用臂架長(zhǎng)度。10當(dāng)各節(jié)油缸完全推出時(shí)，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(duì)夾角為180度。第三節(jié)臂架與第二節(jié)臂架的相對(duì)夾角亦是180度，第四節(jié)臂架與第三節(jié)臂架的粗對(duì)夾角可達(dá)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(guò)回轉(zhuǎn)接頭和相鄰臂架的輸送管相連，臂架系統(tǒng)的伸展、回轉(zhuǎn)，不會(huì)影響混凝土在輸送管中流動(dòng)網(wǎng)。臂架系統(tǒng)可以自如地升高、放低、伸縮和回轉(zhuǎn)，能在其所及的范圍內(nèi)作水平和垂直方向的輸送，甚至能跨越障礙物進(jìn)行澆筑。汽車(chē)底盤(pán)兩側(cè)有液壓驅(qū)動(dòng)的四個(gè)支腿，澆筑前將支腿撐好，整機(jī)載荷完全山支腿承擔(dān)，并調(diào)節(jié)水平度以提高整車(chē)的穩(wěn)定性。當(dāng)一個(gè)工作點(diǎn)澆筑完成后，汽車(chē)縮回支腿，整車(chē)載荷山汽車(chē)底盤(pán)支承，以一殷的行車(chē)速度轉(zhuǎn)移到新的工作點(diǎn)。利用泵車(chē)進(jìn)行澆筑，靈活、方便，不需要在現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)鋪設(shè)管道，節(jié)省了輔助時(shí)間，提高了勞動(dòng)效率，適用千混凝土需求量大，質(zhì)量要求高的工程。泵車(chē)臂架系統(tǒng)在一個(gè)固定點(diǎn)的某一平面內(nèi)的工作范圍如圖2.6所示，因?yàn)橛谢剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)際上可以形成一個(gè)澆筑立體空間。圖2.6泵車(chē)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(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)各節(jié)臂之間的大角度折轉(zhuǎn)(0。210。)，完成臂架展開(kāi)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(shí)現(xiàn)各節(jié)臂連接與相互支撐。2.1.4臂架的長(zhǎng)度與節(jié)數(shù)泵車(chē)施工的范圍相當(dāng)程度上受臂架長(zhǎng)度的限制，理論上來(lái)說(shuō)臂架的長(zhǎng)度越大，它能夠施工的范圍相應(yīng)也就更大，適用的范圍也就更為廣闊。但是臂架過(guò)長(zhǎng)，車(chē)11輛的行駛尺寸也將很大，則泵車(chē)在市區(qū)行駛或者是在工地上施工的時(shí)候往往就會(huì)受到比較大的限制?？傮w上來(lái)說(shuō)，商品混凝土使用量不斷擴(kuò)大，泵車(chē)也將朝著高檔次方向發(fā)展，相應(yīng)的臂架也就會(huì)往更長(zhǎng)的方向發(fā)展。上世紀(jì)90年代開(kāi)始主要是臂架長(zhǎng)度為37m的泵車(chē)占據(jù)主流，后來(lái)慢慢過(guò)渡到本世紀(jì)初以4245m為主，如今更多使用的的是臂架長(zhǎng)度45m以上的泵車(chē)。2011年，對(duì)千國(guó)產(chǎn)混凝土機(jī)械行業(yè)來(lái)說(shuō)是有相當(dāng)重要意義的一年，在這一年中聯(lián)重科研制的80m泵車(chē)，三一重工推出的86m泵車(chē)，雙雙打破該領(lǐng)域吉尼斯世界記錄，國(guó)產(chǎn)泵車(chē)邁入新的紀(jì)元。泵車(chē)臂架節(jié)數(shù)有2到7節(jié)數(shù)種，6、7節(jié)臂的泵車(chē)不常見(jiàn)，2節(jié)臂的更為少見(jiàn)，最常見(jiàn)的臂架節(jié)數(shù)還是4和5節(jié)臂（3節(jié)臂泵車(chē)的使用慢慢在減少），一殷超過(guò)40米就開(kāi)始采用5節(jié)臂了，短節(jié)臂的泵車(chē)一殷采用的是3節(jié)臂。我國(guó)大量生產(chǎn)的混泵車(chē)，臂架節(jié)數(shù)也大多數(shù)是4或5節(jié)，一殷都是液壓折疊。因?yàn)楸奂芄?jié)數(shù)的劃分沒(méi)有一個(gè)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(zhǎng)度與節(jié) 數(shù)之間的關(guān)系，它們的關(guān)系如表2.1所示。表2.1臂架長(zhǎng)度與節(jié)數(shù)關(guān)系表臂架總長(zhǎng)Cm） 12VL 20 20<L 35 35<L42 42<L70 L>70臂架節(jié)數(shù) 2 3 4 5 6、7值得一提的是，臂架節(jié)數(shù)和臂架長(zhǎng)度的相互關(guān)系大體上可以總結(jié)為兩點(diǎn)：（1）如果臂架的節(jié)數(shù)多，泵車(chē)進(jìn)行布料就更為靈活，產(chǎn)品相應(yīng)的就更為有市場(chǎng)（2）如果臂架的節(jié)數(shù)多，對(duì)應(yīng)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(zhǎng)度和節(jié)數(shù)，人們更為關(guān)心臂架的折疊方式，一方面它是選購(gòu)泵車(chē)時(shí)參考的的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，另一方面也是各企業(yè)泵車(chē)產(chǎn)品與同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)、對(duì)比的重要途經(jīng)。泵車(chē)施工地點(diǎn)（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(shí)情況也較為復(fù)雜，更為重要的是實(shí)際情況往往差別很大，簡(jiǎn)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(tái)甚至多臺(tái)性能出眾，也就是可以在多種惡劣的環(huán)境中快速的展開(kāi)臂架，迅速的越過(guò)障礙物，將臂架的布料尾管伸展到建筑物中的多個(gè)布料工位。這個(gè)時(shí)候，臂架折疊形式的重要性就體現(xiàn)出來(lái)了，甚至直接決定臂架性能的優(yōu)越與否。為了使得產(chǎn)品擁有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(jié)構(gòu)最為緊湊，以單向回折形式進(jìn)行臂架的伸縮，主要特點(diǎn)是控制臂架到澆筑點(diǎn)比較靈活；Z型結(jié)構(gòu)以雙向?qū)φ坌问竭M(jìn)行臂架的伸縮，主要特點(diǎn)是伸縮相對(duì)速度快。在Z型和R型的輩礎(chǔ)上又?jǐn)U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(diǎn)是整車(chē)總體布置緊湊，但技術(shù)難度大；RZ型（混合式）則身兼R型和Z型二者之長(zhǎng)。通常在設(shè)計(jì)一臺(tái)泵車(chē)的臂架時(shí)，一定要考慮到臂架伸出與回收的時(shí)候各個(gè)部位之間有可能發(fā) 生的干涉問(wèn)題，這里主要說(shuō)的是油缸和臂架間的干涉，三節(jié)臂的臂架因?yàn)檎归_(kāi)的 難度比較小加上它一殷展開(kāi)的高度也比較低，因此一殷情況下采用變化更多的Z型結(jié)構(gòu)；R型折疊形式臂架結(jié)構(gòu)的第三節(jié)臂為折彎形，能夠合理的處理臂架結(jié)構(gòu)間相干涉的問(wèn)題，所以一殷較長(zhǎng)的泵車(chē)臂架采用這種折疊形式；不過(guò)，當(dāng)臂架節(jié)數(shù) 達(dá)到五節(jié)臂甚至更多時(shí),為了減少泵車(chē)整車(chē)的高度和縮減伸展時(shí)間，一殷采用RZ型的折疊方式。當(dāng)然，我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工程中應(yīng)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(yīng)產(chǎn)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(guó)萊茵RT型13ResearchonTheStructureandOptimalDesignofTheBoomSystemofTheTruck-mountedConcretePump摘要泵車(chē)是山汽車(chē)底盤(pán)、混凝土輸送泵和布料臂等組成的用千輸送混凝土的專(zhuān)用車(chē)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(jié)合在一起，泵車(chē)性能優(yōu)越，效率高，機(jī)動(dòng)性好，在現(xiàn)代化建設(shè)的諸多領(lǐng)域有著無(wú)可替代的作用。臂架系統(tǒng)是泵車(chē)中最為重要的部分之一。臂架結(jié)構(gòu)是否合理將直接影響泵車(chē)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(dāng)?shù)恼w剛度、強(qiáng)度，還必須具備出眾的工作適應(yīng)性和可靠性，因此，泵車(chē)臂架的設(shè)計(jì)制造必須有嚴(yán)格的要求，對(duì)泵車(chē)臂架的研究是十分必要的。該文在綜述了國(guó)內(nèi)外泵車(chē)發(fā)展史與臂架研究現(xiàn)狀的輩礎(chǔ)之上，主要研究?jī)?nèi)容如下?：.分析泵車(chē)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(xiǎn)工作狀態(tài)，在此工作狀態(tài)下，對(duì)某公司HB37型泵車(chē)臂架進(jìn)行強(qiáng)度、受力和載荷分析，為有限元分析的正確進(jìn)行提供依據(jù)。.綜合利用PRO/E、ANSYS軟件建立泵車(chē)臂架有限元模型并在最危險(xiǎn)工作狀態(tài)下進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。得到了泵車(chē)臂架在最危險(xiǎn)工作狀態(tài)下的位移和應(yīng)力云紋圖，以及臂架的最大位移、最大應(yīng)力位置，把握臂架系統(tǒng)的整體性能。.分析各節(jié)臂應(yīng)力情況，針對(duì)材料利用最不充分的節(jié)臂提出優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)臂架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)減輕臂架重量的目的。.通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，驗(yàn)證有限元分析的正確性與合理性關(guān)鍵詞：混凝土泵車(chē)； 臂架系統(tǒng)；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

2臂架選用的原則關(guān)千臂架系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和探究歷來(lái)都是工程師們關(guān)心的核心問(wèn)題之一。一方面我們希望臂架系統(tǒng)擁有滿(mǎn)足需求的整體強(qiáng)度、剛度，同時(shí)對(duì)千工作環(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(mǎn)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(chē)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(mǎn)足要求的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度；⑵重量盡可能小，盡可能輕便；⑶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(zhǎng)度長(zhǎng)，凈水平長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)；⑸大的下探深度；(6))臂架打開(kāi)的高度較低；(7)布料方式較為靈活；I)結(jié)構(gòu)樣式緊湊；I)定位精準(zhǔn)，誤差較??；(10)臂架外形盡可能美觀，滿(mǎn)足視覺(jué)要求等。3臂架連接裝置泵車(chē)有多種臂架折疊形式，泵車(chē)臂架的連接裝置能夠劃分為兩大類(lèi)：彎板式連接和連桿式連接，這里以4節(jié)臂泵車(chē)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(chē)臂架連接裝置機(jī)構(gòu)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(gè)形狀類(lèi)似彎板形狀的14

三餃點(diǎn)板。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較早，結(jié)構(gòu)相當(dāng)可靠，但是它也存在問(wèn)題，比如說(shuō)制造的工藝較為復(fù)雜，在允許的空間中進(jìn)行布置比較困難，常出現(xiàn)機(jī)構(gòu)干涉現(xiàn)象。連桿式連接裝置：連桿式指的是山二力桿構(gòu)件構(gòu)成的連接裝置。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)在千連接構(gòu)件制造工藝性高，形狀比較簡(jiǎn)單，相比彎板式連接裝置更容易完成布置，各機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)之中相互的制約更少，但是這種連接裝置也有它的缺點(diǎn)：復(fù)合餃點(diǎn)處的受力情況更為復(fù)雜，可以折轉(zhuǎn)的角度很受限制等缺點(diǎn)狽叫。我們可以對(duì)計(jì)算兩種連接機(jī)構(gòu)的自山度來(lái)判定運(yùn)動(dòng)是否具有穩(wěn)定性，詳細(xì)參數(shù)可見(jiàn)表2.2:W=3X(N—M)—2PD—2PG (2.1)其中:W 機(jī)構(gòu)自山度其中:N 機(jī)構(gòu)的數(shù)目M——機(jī)架的數(shù)目ro--機(jī)構(gòu)中的低副P(pán)G機(jī)構(gòu)中的高副表2.2運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性參數(shù)表類(lèi)別彎板式連桿式類(lèi)別彎板式連桿式1 4 3 8 3 …2181 4 6 18O計(jì)算過(guò)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(jī)構(gòu)2.4.1臂架變幅機(jī)構(gòu)分析泵車(chē)臂架在收回或伸展或者是在澆注混凝土的時(shí)候，定位全靠變幅汕缸推拉變幅機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。汕缸變幅機(jī)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)結(jié)構(gòu)較為緊湊、自身重量小、可以平穩(wěn)的工作，因此這種變幅機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械領(lǐng)域之中得到了廣泛的應(yīng)用。值得一提的是，當(dāng)角度的變幅在90度以下或著稍大千90度的時(shí)候通常選則單缸三餃點(diǎn)變幅，如果變幅的角度遠(yuǎn)大千90度時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在死點(diǎn)，三餃點(diǎn)變幅不能滿(mǎn)足實(shí)際需求。而在泵車(chē)臂架系統(tǒng)之中，各節(jié)臂之間的運(yùn)動(dòng)夾角大部分是180度，有些時(shí)候根據(jù)不同的卷折形式變幅角度常常會(huì)達(dá)到270度，出現(xiàn)這種情況時(shí)，為了滿(mǎn)足實(shí)際的變幅角度，應(yīng)該在三餃點(diǎn)變幅機(jī)構(gòu)的輩礎(chǔ)上另外串接一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)得以削減三餃點(diǎn)變幅機(jī)構(gòu)與四連桿機(jī)構(gòu)的相互影響和節(jié)制，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)臂架連接時(shí)，應(yīng)該盡量不使用復(fù)餃，這樣就形成1516新的變幅機(jī)構(gòu) 單缸六餃點(diǎn)變幅機(jī)構(gòu)HI，混凝土泵車(chē)臂架間的油缸變幅結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)示意圖山圖2.13可知，一、二節(jié)臂間的臂架變幅機(jī)構(gòu)為滑塊變幅機(jī)構(gòu)CDE和四連桿機(jī)構(gòu)OABC組合而成，它們通過(guò)彎連桿機(jī)構(gòu)BCD粗連接，連桿0A即為第二節(jié)臂，構(gòu)件0C為第一節(jié)臂（在該連桿機(jī)構(gòu)中可視為機(jī)架），DE為變幅油缸，構(gòu)件BCD為彎連桿2連桿AB為直連桿2.對(duì)該變幅機(jī)構(gòu)做結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)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(diǎn)為原點(diǎn)0,點(diǎn)OC連線方向?yàn)閄軸。叭,YB)圖2.14臂架變幅機(jī)構(gòu)原理圖建立坐標(biāo)，設(shè)OA長(zhǎng)為r,BC長(zhǎng)為R,AB長(zhǎng)為b,OA與X軸夾角為rp,BC與X軸夾17角為If/1四連桿機(jī)構(gòu)四個(gè)餃點(diǎn)的坐標(biāo)分別為0(0,0)、A(rcosrp,rsinrp)>B(a+Rcoslf/,RsinIf/)、C(a,0).取AB桿進(jìn)行分析，令0點(diǎn)到AB的連線為L(zhǎng)o,C點(diǎn)到AB的連線為L(zhǎng)e,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(diǎn)變幅機(jī)構(gòu)CDE,令角CDE=a、CD長(zhǎng)為ED,MD是汕缸作用力F作用下獲得的主動(dòng)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(shè)sinaLo/E=入，此比值表明阻力矩和主動(dòng)力矩之間的關(guān)系。山千大角度變幅的最大阻力可能在任意角度出現(xiàn)，要保證機(jī)構(gòu)正常工作，必須使任意處的最大輸出力矩滿(mǎn)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(dòng)力入皿——整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)入山機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)決定的最小值。山式(2.5)可得：而m?X/FeLo (2.6)山此可見(jiàn)阻力矩一定時(shí)，入越大，機(jī)構(gòu)越輕巧，系統(tǒng)汕壓可以降低，因此確定各機(jī)構(gòu)尺寸和工作區(qū)間時(shí)，在保證最大變幅角度的同時(shí)應(yīng)保證機(jī)構(gòu)尺寸和工作區(qū)間的Aim大千其他機(jī)構(gòu)尺寸和工作區(qū)間的Aimo2.4.2臂架變幅機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算根據(jù)圖2.13可得到任意兩節(jié)臂之間變幅機(jī)構(gòu)共有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和7個(gè)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(gè)自山度。同理，一節(jié)臂和上轉(zhuǎn)臺(tái)之間的四桿機(jī)構(gòu)的自山度為：W=3X3—2X4=1即一只汕缸的伸縮運(yùn)動(dòng)就可保證任意一節(jié)臂架相對(duì)其支撐臂運(yùn)動(dòng)的唯一性。因此，結(jié)合章節(jié)2.3的計(jì)算結(jié)果，對(duì)千4節(jié)臂泵車(chē)臂架系統(tǒng)而言，臂架系統(tǒng)共有四個(gè)自山度，即可同過(guò)四個(gè)汕缸的伸縮運(yùn)動(dòng)就可保證整個(gè)系統(tǒng)工作的確定(在系統(tǒng)自山度計(jì)算中，只考慮臂架系統(tǒng)的平面運(yùn)動(dòng)，故可將轉(zhuǎn)臺(tái)視為機(jī)架)。185 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了泵車(chē)臂架系統(tǒng)的輩本組成，各典型部件的特點(diǎn)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(jìn)行了臂架總體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，為后面的分析計(jì)算奠定了輩礎(chǔ)。19第三章泵車(chē)臂架系統(tǒng)載荷受力分析1本文研究對(duì)象本文以某公司HB37型泵車(chē)臂架系統(tǒng)作為研究對(duì)象，該產(chǎn)品臂架系統(tǒng)的輩本參數(shù)如表3.1,表3.2,表3.3所示。表3.1臂架系統(tǒng)晶本參數(shù)表1節(jié)臂數(shù) 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(shù)表2長(zhǎng)度（mm） 轉(zhuǎn)角（。）TOC\o"1-5"\h\z開(kāi)兀居日辛1 8860 94開(kāi)兀居日辛2 7960 180開(kāi)兀居日辛3 7960 180開(kāi)兀居日辛4 7855 230表3.3HB37型混凝土泵車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)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(shù)（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(zhuǎn)臺(tái)選擇角度（度） 3652泵車(chē)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(diǎn)非常好理解，因?yàn)楸奂芸臻g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(chē)為例，可以把泵車(chē)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(chē)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(shí)可以將各節(jié)臂當(dāng)做一個(gè)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(shí)需要當(dāng)作壓桿穩(wěn)定性從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算與分析，該工作狀態(tài)為理想工作狀態(tài)，一殷只有在產(chǎn)品展示時(shí)出現(xiàn)，實(shí)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(huì)灑落在轉(zhuǎn)臺(tái)、車(chē)身等位置，這顯然是不允許的。處千工作狀態(tài)（I）時(shí)：臂架各餃孔處所受到的力最大；該狀態(tài)整個(gè)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(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)以及施工現(xiàn)場(chǎng)的情況可知，臂架處千完全水平伸展時(shí)，臂架擺動(dòng)明顯，特別是第四節(jié)臂及末端 軟管擺動(dòng)更為劇烈，因此本文主要針對(duì)這種工作狀態(tài)進(jìn)行分析與計(jì)算。3.3泵車(chē)臂架載荷分析3.3.1泵車(chē)臂架所受載荷類(lèi)型作用千泵車(chē)臂架上的載荷比較復(fù)雜，比如說(shuō)：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(dòng)載荷、混凝土的重量、風(fēng)載荷、回轉(zhuǎn)慣性力、端部側(cè)向的牽引力等。這些不同的載荷可以根據(jù)出現(xiàn)經(jīng)常性與否劃分為兩類(lèi)：拈本載荷和附加載荷。輩本載荷指的是經(jīng)常或者一直作用在泵車(chē)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(chē)在正常工作的時(shí)候，臂架受到的不經(jīng)常出現(xiàn)的載荷，比如說(shuō)側(cè)向力，風(fēng)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(wǎng)：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(fēng)載荷+回轉(zhuǎn)慣性力+端部側(cè)向牽引力根據(jù)實(shí)際的工作狀況，應(yīng)該選擇最危險(xiǎn)作業(yè)的工作狀態(tài)，也就是最后一種載荷組合，進(jìn)而進(jìn)行分析與計(jì)算，這里值得說(shuō)明的是：(I)臂架自身重量：這個(gè)重量包括節(jié)臂板、輸送管、油缸等部件的重量，整個(gè)機(jī)構(gòu)的力應(yīng)該當(dāng)做體積力。(2)混凝土的重量：這個(gè)重量主要山兩部分組成，一個(gè)是輸送管里的混凝土重量，還有一個(gè)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(fēng)載荷：可以借鑒起重機(jī)設(shè)計(jì)之中考慮風(fēng)載荷的方法P=CkqA (3.1)式中：C——風(fēng)力系數(shù)，取值為1.4,取值依據(jù)可見(jiàn)表3.4k——風(fēng)壓隨高度變化的參數(shù)，取值為I,取值依據(jù)可見(jiàn)表3.5q——根據(jù)QC/T718—2004《混凝土泵車(chē)》風(fēng)壓為25OPa。A 迎風(fēng)面積臂架所受風(fēng)載為面載荷，模型中以均布載荷形式施加在各節(jié)臂迎風(fēng)面板上。表3.4箱體構(gòu)件風(fēng)力系數(shù)C的值1/h 5 10 20 30 40 50C1.31.4 1.9表3.5風(fēng)壓高度變化系數(shù)h離地高Im1()20 3() 405()60 708()k11.23 1.39 1.511.621.71 1.791.86(4)回轉(zhuǎn)慣性力：在兩種情況下回轉(zhuǎn)部件會(huì)產(chǎn)生慣性力，分別是臂架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)以及臂架回轉(zhuǎn)啟動(dòng)的時(shí)候，它們都是以加載整體角速度P為拈礎(chǔ)獲得的，這里取13=0.0031radIs2。(5)端部側(cè)向的牽引力：工人在操作泵車(chē)澆灌混凝土?xí)r，常常要拉引泵車(chē)臂架端部的橡膠軟管，這是就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向的牽引力Fx,根據(jù)QC/T718-2004《混凝土泵車(chē)》，凡=30ONo(6)動(dòng)載荷：泵車(chē)工作時(shí)，混凝土在輸料管中不連續(xù)流動(dòng)所引起的振動(dòng)而構(gòu)成動(dòng)載荷，其值為輸料管中混凝土的重力與沖擊系數(shù)K的乘積，取1.3。此外，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、混凝土分配閥、臂架液壓缸的工作也使臂架產(chǎn)生振動(dòng)，也構(gòu)成動(dòng)載荷，其值為各機(jī)構(gòu)重力與動(dòng)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(chē)布料作業(yè)時(shí)山千整機(jī)傾斜而引起的自重載荷和工作載所產(chǎn)生的分力。泵車(chē)最大允許傾斜的角度為3度。(8)扭矩計(jì)算：因?yàn)檩斔凸馨惭b在泵車(chē)臂架的側(cè)面，對(duì)臂架截面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加扭矩。3.3.2載荷處理方式泵車(chē)臂架在承受載荷類(lèi)型比較多，情況比較復(fù)雜，主要包括：風(fēng)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(duì)輸料管的反作用力等、第四節(jié)臂末端膠皮軟管及管內(nèi)混凝土重量。在進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的時(shí)候，比如像輸料管出口處混凝土對(duì)輸料管的反作用力這些因素對(duì)整個(gè)分析計(jì)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(nèi)混凝土的重量、第四節(jié)臂末端膠皮軟管及管內(nèi)混凝土的重量等，風(fēng)載荷以均布力的形式作用在臂架側(cè)面，相關(guān)參數(shù)可見(jiàn)表3.6o表3.6相關(guān)參數(shù)表集中載荷(N)迎風(fēng)面積(曠)輸送管到對(duì)應(yīng)節(jié)臂中心距離Cm)節(jié)臂重心回轉(zhuǎn)速度(m/s)輸送管及管內(nèi)混凝土重量(N)開(kāi)兀居日辛1275323.620.530.382562開(kāi)兀居日辛2228602.950.490.322314.8開(kāi)兀居日辛3143592.180.420.332370.8開(kāi)兀居日辛4100351.510.280.3524713.4臂架強(qiáng)度分析臂架為合金鋼板焊接而成的箱型斷面結(jié)構(gòu)，在任意截面上受到的內(nèi)力如圖3.2所示，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在截面中心，MX,My為彎矩，T為轉(zhuǎn)矩，N為軸向力，Qx'Qy為截面內(nèi)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(yīng)力q和最大拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，MPa-上下箱板的切應(yīng)力，N/ni飛——側(cè)箱板的切應(yīng)力，N/niO'氣O'氣b——上下箱板的厚度和寬度，m見(jiàn)，h 分別為側(cè)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(jì)算方法如下：(I)彎矩M,MyM山工作載荷和自重產(chǎn)生的彎矩M,M所引起，M是山慣性力和風(fēng)力等側(cè)向載荷產(chǎn)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(chǎn)生的y軸方向的切向力QQy'等側(cè)向載荷在X軸方向產(chǎn)生的切向力Qx，Q/Xo即Qx=Qgx+QWxQy=QGy+QQy(3.6)(3.7)山回轉(zhuǎn)慣性力和風(fēng)力(3.8)(3.9)(3)軸向力N山自重和載荷會(huì)產(chǎn)生軸向力。(4)轉(zhuǎn)矩T山千臂架輸送管布置或者是制造時(shí)產(chǎn)生的偏差，造成管內(nèi)混凝土重力對(duì)臂架產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩To(3.10)(3.11)最后，進(jìn)行強(qiáng)度校核，用最大拉，壓組合應(yīng)力按第四強(qiáng)度理論計(jì)算，即易i (3.10)(3.11)式中飛］一許用應(yīng)力.MPa巨］一許用切應(yīng)力，MPa24

圖3.2箱型臂架截面尺寸和內(nèi)力示意圖3.4.1 泵車(chē)臂架所受載荷計(jì)算當(dāng)泵車(chē)臂架處千最危險(xiǎn)工作狀態(tài)也就是4節(jié)臂水平伸展時(shí)，因?yàn)橛杏透字沃鞴?jié)臂架，此時(shí)可將泵車(chē)臂架整體當(dāng)成變截面的懸臂梁，如圖3.3當(dāng)泵車(chē)臂架處千最危險(xiǎn)工作狀態(tài)也就是4節(jié)臂水平伸展時(shí)，因?yàn)橛杏透字沃鞴?jié)臂架，此時(shí)可將泵車(chē)臂架整體當(dāng)成變截面的懸臂梁，如圖3.3所示。Q5圖3.3泵車(chē)臂架受力圖在實(shí)際工作的情況下，應(yīng)考慮泵車(chē)處千動(dòng)載荷狀態(tài)下的工況，所謂動(dòng)載荷狀態(tài)是指泵車(chē)這個(gè)時(shí)候處千布料工作狀態(tài)并且這個(gè)應(yīng)考慮有風(fēng)，這時(shí)可計(jì)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(chǎn)Q5L4=0.5X10035X7.855+5880X7.855=84.7KN.m式中：Mxz——各節(jié)臂左端點(diǎn)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(jiǎn)單計(jì)，以集中載荷看待，取值依據(jù)見(jiàn)表3.6Q--側(cè)向牽引力與軟管自重之和，取588ONLi,L2,L3,U--各節(jié)臂長(zhǎng)度，單位取m,取值見(jiàn)表3.2(2)風(fēng)載荷產(chǎn)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(fēng)載荷產(chǎn)生的彎矩Fl,F2,F3,F4——各節(jié)臂迎風(fēng)面積,取值依據(jù)見(jiàn)表3.6Fs 操作人員的迎風(fēng)面積，取0.5曠p——風(fēng)壓，當(dāng)風(fēng)力到達(dá)10m/s時(shí)，為了安全起見(jiàn)，泵車(chē)應(yīng)停止作業(yè)，此時(shí)，P取值為0.6X101⑶扭矩計(jì)算每一個(gè)節(jié)臂都會(huì)受到扭矩的作用，這是因?yàn)樵诒奂艿膫?cè)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(nèi)混凝土重量之和，取值見(jiàn)表3.5RI,R2,R3,R--各節(jié)臂輸送管到對(duì)應(yīng)節(jié)臂中心的距離，取值見(jiàn)表3.626

(4)回轉(zhuǎn)慣性力產(chǎn)生的彎矩當(dāng)臂架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)或者臂架回轉(zhuǎn)啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)慣性力，特別是臂架啟動(dòng)工作的時(shí)刻，回轉(zhuǎn)慣性力就會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)速度，臂架的轉(zhuǎn)速n通常為(0.3-0.5)rpm左右；qt 回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)間，此值對(duì)千回轉(zhuǎn)慣性力矩影響較大，取值應(yīng)稍大一些3.4.2臂架各連接處受力計(jì)算可以將整個(gè)臂架看做一個(gè)剛體，依照臂架連接的狀況，能夠?qū)?個(gè)臂架當(dāng)成餃接在輩座之上的懸臂梁，已知可以將整個(gè)臂架看做一個(gè)剛體，依照臂架連接的狀況，能夠?qū)?個(gè)臂架當(dāng)成餃接在輩座之上的懸臂梁，已知Q,Q、Q、Q、◎的取值，同時(shí)也知道各受 力點(diǎn)到A點(diǎn)的距離，其受力情況如圖3.4所示：Q5此時(shí)可以對(duì)A點(diǎn)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(duì)整體臂架在垂直方向上力的值FIY=61L54KN;垂直方向上的力應(yīng)該平衡，則A點(diǎn)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(xiǎn)截面I處(見(jiàn)圖3.3)軸向力，而軸向方向的合外力為O,則A點(diǎn)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(dāng)成是餃接千該點(diǎn)的懸臂梁，這個(gè)時(shí)候的受力圖如圖3.5所示：圖3.5受力分析圖2可以對(duì)B點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)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(xiǎn)截面II處(見(jiàn)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(dāng)成一個(gè)整體，再同時(shí)將第二、第三節(jié)臂連接處進(jìn)行餃接處理，將它們看成餃接千該點(diǎn)的懸臂梁，那么這個(gè)時(shí)候受力圖如圖3.6所示：圖3.6受力分析圖3可以針對(duì)C點(diǎn)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(jù)垂直方向上力平衡的條件能夠求出C點(diǎn)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(xiǎn)截面^I處(見(jiàn)圖3.3)的軸向力；根據(jù)軸向上合外力力為。得以解出C點(diǎn)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(jìn)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(yùn)用同樣的計(jì)算方法可以對(duì)D點(diǎn)進(jìn)行求矩：0.5Q4L產(chǎn)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(chǎn)生的力F4Y=163.5IKN;根據(jù)力平衡公式，能夠求解出D點(diǎn)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(xiǎn)截面IV處軸向力（見(jiàn)圖3.3）;軸向上合外力為0,就能夠得知B點(diǎn)軸向上的分力大小為40.26KNo3.5本章小結(jié)確立了泵車(chē)最危險(xiǎn)工作狀態(tài)，即4臂架水平伸展時(shí)。分析說(shuō)明了泵車(chē)所受載荷類(lèi)型，確立了載荷組合方式，指出泵車(chē)臂架主要承受輩本載荷和附加載荷兩大類(lèi)載荷，同時(shí)對(duì)各種主要的載荷進(jìn)行了分析介紹，最終確定了最危險(xiǎn)工作狀態(tài)下載荷處理方式；指出臂架強(qiáng)度分析的理論依據(jù)，對(duì)各節(jié)臂進(jìn)行受力分析，計(jì)算出彎矩、扭矩等以及危險(xiǎn)截面軸向力，為泵車(chē)臂架的有限元分析奠定了輩礎(chǔ)。29

第四章泵車(chē)臂架有限元分析4.1有限單元法“有限元單元法”這個(gè)概念最早山Clough在上個(gè)世紀(jì)60年代提出，通過(guò)近50年的發(fā)展，這種方法已經(jīng)成為工程分析中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)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(shù)界的高度重視，伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元單元法（也可成為有限元法）現(xiàn)在已經(jīng)成為了CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造）技術(shù)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(diǎn)：（I）將一個(gè)表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個(gè)子域（單元），同時(shí)利用這些單元邊界上的節(jié)點(diǎn)可以把這些單元互相連接起來(lái)，變成組合體。（2）選擇所有單元里面用來(lái)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片定義全求解域內(nèi)尚未求解的場(chǎng)變量。上的數(shù)函數(shù)的理，原有限自理或加但是所有單元里面的近似函數(shù)用未知場(chǎng)函數(shù)（或其導(dǎo)數(shù)）在單元所有節(jié)點(diǎn)值以及跟它們匹配的插值函數(shù)來(lái)顯示。因?yàn)檫B接相鄰單元的節(jié)點(diǎn)之上的場(chǎng)數(shù)值是一樣的，那么可以將它們當(dāng)成數(shù)值求解的拈本未知量。如果這樣處來(lái)求解原待求場(chǎng)函數(shù)的無(wú)窮多自山度的問(wèn)題就轉(zhuǎn)變成了求解場(chǎng)函數(shù)節(jié)點(diǎn)的山度的問(wèn)題。上的數(shù)函數(shù)的理，原有限自理或加（3）通過(guò)和原問(wèn)題數(shù)學(xué)模型（例如拈本方程、邊界條件等）等效的變分原權(quán)余量法，建立求解輩本未知量（場(chǎng)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值）的代數(shù)方程組或常微分方程組。這個(gè)方程就組成為有限元求解方程組，同時(shí)表示為規(guī)范化的矩陣形式，然后利用相應(yīng)的數(shù)值方法求解該方程組，這樣就可以獲得原問(wèn)題的解?？傮w上來(lái)說(shuō)，有限元法分析過(guò)程分為六個(gè)步驟：（I）結(jié)構(gòu)離散化有限單元法首要的工作就是進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(duì)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(guān)參數(shù)具有相當(dāng)?shù)倪B續(xù)性，構(gòu)成一個(gè)整體，同時(shí)還要注意單元類(lèi)型和尺寸，選擇單元類(lèi)型越恰當(dāng)，選擇的尺寸越小，最終得到的結(jié)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(duì)每個(gè)子域用簡(jiǎn)單的函數(shù)近似求解，以獲取復(fù)雜問(wèn)題的解。所以，最必要的步驟就是為每個(gè)單元的解選擇一個(gè)簡(jiǎn)單且適用的函數(shù)，可用來(lái)表達(dá)單元內(nèi)位移形狀的這種函數(shù)稱(chēng)為位移函數(shù)，其中普遍使用的是多項(xiàng)式型的位移函數(shù)。之所以30

使用這種函數(shù)山兩個(gè)原因，第一，用多項(xiàng)式型的插值函數(shù)組建和計(jì)算有限元方程相對(duì)更方便，尤其是方便完成微分和積分；第二，多項(xiàng)式的階數(shù)越多解的精度也就越高，理論上來(lái)說(shuō)，無(wú)限次的多項(xiàng)式等價(jià)千標(biāo)準(zhǔn)解。但是我們知道，現(xiàn)實(shí)情況下，我們只能夠取有限次的多項(xiàng)式作為近似解。根據(jù)選定的根據(jù)選定的位移模式，就可以導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)位移的系式，其矩陣形式是：訂｝二網(wǎng)]位r (4.I)式中：訂｝——單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移列陣；位r——單元的節(jié)點(diǎn)位移列陣；[N]—―形函數(shù)矩陣，它的元素是位置坐標(biāo)的函數(shù)。(3)分析單元的力學(xué)特性位移模式選定以后，就可以進(jìn)行單元的力學(xué)特性分析，包括三個(gè)部分A用幾何方程山位移表達(dá)式(4.1)導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)變的關(guān)系式：｛司=[B]位「 (4.2)式中：怪｝——單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變列陣；[B]——單元應(yīng)變矩陣。B用本構(gòu)方程，山應(yīng)變的表達(dá)式(4.2)導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式：位｝二[D]｛司=位r (4.3)式中：位｝——單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)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(shù)a——單元的節(jié)點(diǎn)位移對(duì)千平面應(yīng)力情況式(4.5)表示單元中任意一點(diǎn)(x,y)的水平及垂直位移[D]——與單元材料有關(guān)的彈性矩陣。C利用變分原理，建立作用千單元上的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)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(diǎn)力；——單元?jiǎng)偠染仃嚒?1

在以上兩式中導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃囀菃卧匦苑治龅暮诵膬?nèi)容。(4)單元?jiǎng)偠染仃嚨耐斗判纬扇Y(jié)構(gòu)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(gè)連續(xù)體的剛度矩陣，將所有單元的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以相互連接，也就是保證所有與某節(jié)點(diǎn)有聯(lián)系的單元在這個(gè)節(jié)點(diǎn)處有相同的位移。用直接剛度法將[K『組集合成總剛[K],同時(shí)把｛Rr組集合成總載荷列陣為[F],整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移列陣阮｝,這樣我們可以得到：[K]位｝=[F] (4.8)值得說(shuō)明的是，得到這個(gè)方程以后，我們必須還要考慮初始條件以及相應(yīng)的邊界條件，使得整個(gè)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(diǎn)位移山集合起來(lái)的平衡方程組(4.8)解出未知位移。在線性平衡問(wèn)題中，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)選擇合適的計(jì)算方法。(6)計(jì)算單元應(yīng)力最后，就可利用公式(4.3)和已求得的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各單元的應(yīng)力，并加以整理得出所要求的結(jié)果。4.2ANSYS軟件簡(jiǎn)介ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)千一體的大型通用有限元商用分析軟件，其代碼長(zhǎng)度超過(guò)100()0行，可廣泛應(yīng)用干核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、學(xué)、輕工、地礦、水利、序。該款軟件操作便捷,軟件實(shí)現(xiàn)信息共享和交換,電子、造船、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、土木工程、生物醫(yī)日用家電等一殷工業(yè)及科學(xué)研究，是目前最主要的FEA程功能強(qiáng)大，各種指令窗口一目了然，它可以和大部分CAD在如今產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)之中的作用越來(lái)越重要。航天、機(jī)械制造、能源、學(xué)、輕工、地礦、水利、序。該款軟件操作便捷,軟件實(shí)現(xiàn)信息共享和交換,4.2.1ANSYS使用環(huán)境ANSYS程序可運(yùn)行千PC機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等多種計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)之中，兼容性十分強(qiáng)大。該軟件能夠完成多物理場(chǎng)的耦合，比如說(shuō)在同一個(gè)模型之上進(jìn)行 不同耦合計(jì)算。ANSYS能夠與許多常用的CAD軟件實(shí)現(xiàn)信息共同分享，通過(guò)ANSYS的數(shù)據(jù)接口，能夠準(zhǔn)確的把在CAD系統(tǒng)里完成的集合數(shù)據(jù)傳送至ANSYS,同時(shí)經(jīng)過(guò)必不可少的簡(jiǎn)化修改，就能夠精準(zhǔn)的在這個(gè)模型之上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分，這樣就可以完成求解了，如此一來(lái)創(chuàng)建模型所花費(fèi)的時(shí)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(guò)程該軟件的主要分析過(guò)程可以歸納為3個(gè)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(gè)過(guò)程含有建立實(shí)體模型，選定單元類(lèi)別，網(wǎng)格劃分，校對(duì)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(jù)不同實(shí)際情況加載然后進(jìn)行求解（3）后處理當(dāng)ANSYS完成計(jì)算后，可以通過(guò)后處理模塊觀察結(jié)果。ANSYS程序的后處理包括2個(gè)部分：通過(guò)后處理模塊（POSTI）和時(shí)間歷程后處理模塊（POST26）[35J[36][37]4.3泵車(chē)臂架有限元模型在相關(guān)資料的拈礎(chǔ)上，可以利用三維建模軟件Pro/E完成本文HB37型泵車(chē)臂架實(shí)體建模。Pro/E所建立的模型只是從設(shè)計(jì)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(lèi)型的幾何單元網(wǎng)為了提高網(wǎng)格劃分的效率，在不影響整體計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)某些局部結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)男薷暮秃?jiǎn)化。如各節(jié)臂變幅缸餃點(diǎn)的立板和加強(qiáng)版位置、某些板與板之間的對(duì)接等。因此應(yīng)該把Pro/E模型按部件分拆，合理的簡(jiǎn)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(yīng)用程序電）工具江）制SYS12.0奇口口_）別助卬口令回品Q(chēng)C；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(guò)ANSYS軟件與PRO/E軟件的接口技術(shù)，可將PRO/E模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行分析，如圖4.2所示，點(diǎn)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(shè)置點(diǎn)二1‘交件帝善據(jù)心廣加沙ClHifr大七L分析Q□BIJIAHOXING.PRT羈弗?AWorkbench岫NamedSelectionManager?WorkbenchHelpJAboutWorkbenchGeometryInterface信息過(guò)）應(yīng)用程序貶）工具江）AHSConConfig質(zhì)?回回13冏位|工間岡耳:劉圖4.2Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS示意圖然后對(duì)各部件的幾何模型進(jìn)行比如劃分網(wǎng)格等處理，最終添加有限元信息得到有限元模型，方便進(jìn)行之后的分析與計(jì)算，在章節(jié)3.1之中，已經(jīng)確定了最危險(xiǎn)工作狀態(tài)，因此本章著重對(duì)該工作狀態(tài)下的臂架進(jìn)行有限元分析。4.3.1 臂架模型簡(jiǎn)化要對(duì)泵車(chē)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的有限元分析必須先簡(jiǎn)化Pro/E模型，簡(jiǎn)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(gè)小的塊體稱(chēng)為一個(gè)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(lèi)別的多少也是有限元程序功能強(qiáng)大與否的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一。運(yùn)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(jié)果。(I)臂架以及各個(gè)連桿模擬在ANSYS軟件里面節(jié)臂板及各個(gè)連桿采用SHELL181殼單元進(jìn)行模擬。SHELL181是ANSYS軟件里面的有限應(yīng)變殼單元，該單元具有4節(jié)點(diǎn)同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3平動(dòng)3轉(zhuǎn)動(dòng)共6自由度，可應(yīng)用千薄板和中等厚度殼結(jié)構(gòu)線性、大變形、非線性計(jì)算分析，計(jì)算時(shí)可在厚度方向設(shè)置3個(gè)積分點(diǎn)數(shù)。(2)輸送管模擬輸送管選擇PIPE16管單元進(jìn)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(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3平動(dòng)3轉(zhuǎn)動(dòng)共6自山度。它能夠直接定義管內(nèi)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(gè)二力桿，那么就可以選擇LINK180桿單元進(jìn)行模擬，它的截面積是杠桿截面積。因?yàn)楸奂艿霓D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)影響油缸的長(zhǎng)度變化，為保證油缸質(zhì)量不變，等效處理汕缸的密度可以保證油缸的質(zhì)量不發(fā)生變化。(4)節(jié)臂與連桿、連桿與連桿的銷(xiāo)軸連接處模擬針對(duì)各自的特點(diǎn)，它們可以選擇LINKIO單元以及BEAM188梁?jiǎn)卧獊?lái)進(jìn)行模擬。BEAM188粱單元能夠很好的模擬可以轉(zhuǎn)動(dòng)的銷(xiāo)軸，LINKIO單元能夠較好的模擬了銷(xiāo)軸移動(dòng)受限的軸承。BEAM188梁?jiǎn)卧m用千分析細(xì)長(zhǎng)的梁，它是一個(gè)二34節(jié)點(diǎn)的三維線性梁，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)或者7個(gè)自山度，在默認(rèn)情況下為6個(gè)自山度,本文選擇默認(rèn)情況；LINKIO單元是山2節(jié)點(diǎn)組成，每節(jié)點(diǎn)具有3平動(dòng)即3自山度,本文對(duì)模型的計(jì)算僅采用受壓選項(xiàng)。(6)其他處理節(jié)臂上還有許多其他小構(gòu)件，比如說(shuō)銷(xiāo)釘、焊接點(diǎn)等的質(zhì)量相對(duì)其他主要構(gòu)件相對(duì)較小，并且不是主要的承載結(jié)構(gòu)，因此可以在有限元模型之中忽略不計(jì)。4.3.2材料性質(zhì)該HB37型泵車(chē)臂架材料使用是WELDOX900E,材料性質(zhì)山表4.1可見(jiàn)。表4.1臂架材料性質(zhì)屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)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(shuō)明的是，ANSYS軟件中計(jì)算出的應(yīng)力值都是VonMisesStress(馮米斯應(yīng)力，應(yīng)力云紋)的等效應(yīng)力值。它遵循材料力學(xué)畸變能密度理論。該理論認(rèn)為畸變能密度是引起屈服的主要因素因。因此，根據(jù)上述的材料性質(zhì)，我們可以根據(jù)許用應(yīng)力值計(jì)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(shù)網(wǎng)在這里取n=1.3304.3.3約束條件臂架在施工工程中會(huì)受到外載荷的沖擊，其有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能一致，因?yàn)橛邢拊?jì)算的目的是為了獲得臂架結(jié)構(gòu)在一定載荷作用下的響應(yīng)，因此準(zhǔn)確模擬載荷和邊界條件決定著有限元模型的真實(shí)性。一個(gè)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(guò)程中，要想得到合理、精確的分析結(jié)果，最重要的就是添加正確的邊界條件。臂架在工作過(guò)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(jiǎn)單，就是模擬臂架與轉(zhuǎn)臺(tái)的連接關(guān)系，使之成為靜定結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)梁、桿來(lái)實(shí)現(xiàn)各節(jié)臂與汕缸、連桿、銷(xiāo)軸之間的連接關(guān)系。在節(jié)臂I末端和汕缸I底部分別約束三個(gè)平動(dòng)，在各銷(xiāo)軸中心處約束其自身軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。4.3.4劃分網(wǎng)格依照有限元法的思想，單元的網(wǎng)格劃分密度十分關(guān)鍵，網(wǎng)格密度越是精細(xì)分析所得結(jié)果就越為精確。反之，若網(wǎng)格比較粗糙，分析所得結(jié)果就及其容易含有35

嚴(yán)重的錯(cuò)誤。但是網(wǎng)分若劃分的過(guò)千細(xì)致，又會(huì)花費(fèi)更多的計(jì)算資源，反而會(huì)使得機(jī)器運(yùn)行速度明顯減緩。只有當(dāng)網(wǎng)格劃分密度達(dá)到一個(gè)合理數(shù)值的時(shí)候，網(wǎng)格的密度就不會(huì)對(duì)分析結(jié)果有過(guò)大的影響。正確的的做法應(yīng)該為預(yù)先設(shè)定一個(gè)值，之后在危險(xiǎn)區(qū)域劃分兩倍多的網(wǎng)格再進(jìn)行一次分析進(jìn)而比較兩者的結(jié)果。若前后兩次分析的結(jié)果接近，說(shuō)明網(wǎng)格足夠；若前后結(jié)果有明顯的差別，就應(yīng)該逐漸調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)重復(fù)該步驟，直到兩者的結(jié)果差別不明顯為止。根據(jù)前面章節(jié)所述，運(yùn)用不同單元模擬不同部件，為保證最終結(jié)果的求解精度，在某些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，如圓孔和加強(qiáng)版附近等，通過(guò)調(diào)整單元尺寸來(lái)控制網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量。臂架共劃分為81056個(gè)實(shí)體單元，劃分好網(wǎng)格的有限元模型如圖4.3所示。ANSYSANSYS圖4.3泵車(chē)臂架有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖如上圖所示，原點(diǎn)坐標(biāo)定在1節(jié)臂上兩個(gè)后餃點(diǎn)連線的中間位置，所有臂架水平伸展的方向?yàn)閄方向；垂直向上的方向?yàn)閅方向；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?yàn)閆方向。3.5載荷處理在章節(jié)3.3.1及章節(jié)3.3.2中已經(jīng)定義了載荷處理的方式，在最危險(xiǎn)工作狀態(tài)之下，載荷組合應(yīng)為：臂架自身重量XKd+混凝土重量XK+風(fēng)載荷+回轉(zhuǎn)慣性力+端部側(cè)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(dòng)載荷）、牽引載荷、風(fēng)載等。自重是體積力，在設(shè)定乘動(dòng)載系數(shù)的重力加速度后，軟件自動(dòng)附給單元；36工作載荷和牽引載荷則經(jīng)過(guò)計(jì)算等效到輸送管支架的各結(jié)點(diǎn)。風(fēng)載荷是面載荷,按250Pa的值加載在臂架實(shí)體模型的迎風(fēng)面上。4.4泵車(chē)臂架有限元分析在章節(jié)4.3中已經(jīng)較為詳細(xì)的描述了使用ANSYS軟件分析前的必要準(zhǔn)備：包括定義單元類(lèi)型、定義材料特征參數(shù)以及幾何參數(shù)，同時(shí)完成了網(wǎng)格劃分，確立了約束條件和載荷處理方式，此時(shí)可進(jìn)行有限元分析。4.4.1最危險(xiǎn)工作狀態(tài)下泵車(chē)臂架位移分析分析結(jié)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(jiàn)，從輩座位置開(kāi)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(diǎn)位千第四節(jié)臂末端點(diǎn)，位移大小為2050m