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畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：
設(shè)計(jì)參數(shù)
臂架系統(tǒng)：最高可達(dá)工作高度，配管為125A管
回轉(zhuǎn)系統(tǒng)：采用國產(chǎn)回轉(zhuǎn)軸承及回轉(zhuǎn)減速機(jī)滿足使用要求
泵送系統(tǒng)：混凝土泵送出口壓力，輸送鋼內(nèi)徑行程=
理論排量
混凝土塌落度
任務(wù)：
泵車整體設(shè)計(jì)，臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)，泵送系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相關(guān)零件設(shè)計(jì)，部分電氣原理設(shè)計(jì)
正文一般不少于15000字，圖紙折合A0不少于3.5張
摘 要
混凝土泵車是通過管道依靠壓力輸送混凝土的施工設(shè)備，它能一次連續(xù)地完成水平輸送和垂直輸送，工作強(qiáng)度極大。而臂架系統(tǒng)是混凝土泵車重要的工作部件之一，要求臂架系統(tǒng)具有較高的整體剛度和強(qiáng)度、良好的工作適應(yīng)性和可靠性。泵送系統(tǒng)要有較強(qiáng)的泵送能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
本文主要針對泵車臂架系統(tǒng)及其配管、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、泵送機(jī)構(gòu)及泵送電氣控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時運(yùn)用軟件對泵車上成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模、運(yùn)動仿真和結(jié)構(gòu)分析。
利用Pro/E進(jìn)行混凝土泵車的臂架、轉(zhuǎn)塔、支腿、泵送系統(tǒng)及副管的設(shè)計(jì),建立了泵車的模型，并進(jìn)行虛擬裝配及運(yùn)動仿真。建立的幾何模型為后續(xù)分析提供模型數(shù)據(jù)。Pro/E建立的幾何模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，經(jīng)過簡化建立有限元模型，對部分重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及合理性。
本文分析了泵車泵送系統(tǒng)的特點(diǎn)，對泵送系統(tǒng)的液壓回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)泵送系統(tǒng)的控制要求，進(jìn)行了基于PLC的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
本文運(yùn)用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。并行設(shè)計(jì)提高了整車一次設(shè)計(jì)成功的概率，縮短了從設(shè)計(jì)到整車試制成功的周期，可為企業(yè)贏得市場和利潤。
關(guān)鍵詞：泵車 結(jié)構(gòu)分析 液壓系統(tǒng) 電氣控制
ABSTRACT
The concerte pump truck is one of construction facility that transport concrete by virtue of press throuth the pipe and it can transport the concrete with horizontal and vertical continuously.Its work strength is very high.The arm system is one of the very important equipment in concrete pump.It must have high strength and stiffness, good working adaptability and reliability. Pump system need have strong pump ability and stability .
This paper designed the arm system、turret、leg、pump system and electrical control.It make the concrete pump truck model by Pro/E and designd the arm system,pump system and so on.The virtual assembly and movement simulation is successful and it served for the later design.The simplified date provided by Pro/E is used by ANSYS during the structure analysis.This can improve the important structer’s strength and rationality.
This paper analysised the concrete pump trucks characteristics and design the hydraulic system. Base on the pump's control ,it also designd the electrical system.
This paper use the modern design method. Parallel designed can decrease the design period and inhance the design efficiency. It can help the company win the market and make profit.
Keywords: Concrete pump Structure analysis Hydraulic system
Electrical system
目 錄
1 緒論 1
1.1 混凝土泵車的設(shè)計(jì)背景 1
1.2國內(nèi)外泵車研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2
1.2.1臂架系統(tǒng)方面 2
1.2.2泵送系統(tǒng)方面 2
1.2.3節(jié)能技術(shù)方面 2
1.2.4自動化、智能化方面 2
1.3課題研究思路和主要內(nèi)容 3
2 混凝土泵車的總體設(shè)計(jì) 4
2.1泵車臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5
2.1.1臂架折疊方式 6
2.1.2臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn) 7
2.1.3連桿的結(jié)構(gòu) 8
2.1.4臂架油缸結(jié)構(gòu)型式 8
2.2泵車轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu) 9
2.2.1轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu) 9
2.2.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 9
2.2.3 固定轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu) 9
2.2.4支承結(jié)構(gòu) 10
2.3泵送機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)造 11
2.3.1泵送系統(tǒng)組成 12
2.3.2料斗和S閥總成 13
2.3.3擺搖機(jī)構(gòu) 15
2.3.4攪拌機(jī)構(gòu) 15
2.3.5配管 16
3 臂架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 18
3.1臂架箱型結(jié)構(gòu)分析 18
3.2臂架鋼板及焊接性能 18
3.2.1鋼板性能 18
3.2.2焊接性能 18
3.3臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.3.1第五臂架設(shè)計(jì) 20
3.3.2第四臂架設(shè)計(jì) 22
3.3.3第三臂架設(shè)計(jì) 23
3.3.4第二臂架設(shè)計(jì) 25
3.3.5第一臂架設(shè)計(jì) 26
3.4臂架系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 27
3.4.1臂架五的仿真過程 28
3.4.2臂架二的仿真過程 29
3.5連桿的受力 31
3.5.1直連桿二設(shè)計(jì)及應(yīng)力校核 31
3.5.2彎連桿二設(shè)計(jì) 32
3.6臂架1號液壓缸的詳細(xì)設(shè)計(jì) 33
3.6.1液壓缸的結(jié)構(gòu)選型 33
3.6.2活塞桿內(nèi)徑及缸徑計(jì)算 33
3.6.3活塞及其密封的設(shè)計(jì) 35
3.6.4活塞桿的設(shè)計(jì) 38
3.6.5安裝連接元件 39
3.6.6連接油口設(shè)計(jì) 40
3.6.7內(nèi)卡環(huán)的設(shè)計(jì) 41
4 轉(zhuǎn)塔設(shè)計(jì) 41
4.1回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì) 41
4.1.1回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu) 41
4.1.2回轉(zhuǎn)支承選型 42
4.1.3外載荷的確定 42
4.1.4安裝螺栓的選擇 43
4.2回轉(zhuǎn)減速機(jī)設(shè)計(jì) 43
4.2.1回轉(zhuǎn)阻力計(jì)算 44
4.2.2輸出齒輪軸的設(shè)計(jì) 45
4.3回轉(zhuǎn)減速機(jī)輪系設(shè)計(jì) 47
4.3.1 齒數(shù)及行星輪數(shù)的確定 47
4.3.2馬達(dá)的選取及輪系輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算 48
4.3.3齒輪材料、熱處理工藝及制造工藝的選定 49
4.3.4第一級輪系計(jì)算 49
4.3.5第二級行星輪系計(jì)算 51
4.3.6減速機(jī)軸承設(shè)計(jì) 54
4.4摩擦片式離合器 58
4.4.1離合器總體結(jié)構(gòu) 58
4.4.2摩擦片的設(shè)計(jì) 58
4.4.3摩擦式離合器的發(fā)熱計(jì)算 59
4.4.4活塞及彈簧的設(shè)計(jì) 60
4.4.5其它輔件的設(shè)計(jì) 61
4.5臂架與轉(zhuǎn)塔鉸接設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析 62
4.6支腿設(shè)計(jì)要求 63
5 泵送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 63
5.1管路長度及泵送阻力計(jì)算 63
5.2 泵送壓力計(jì)算 64
5.3活塞桿設(shè)計(jì) 65
5.4限位油缸的設(shè)計(jì) 65
5.5擺搖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 65
6 泵送PLC自動控制 67
6.1 泵送系統(tǒng)液壓回路 67
6.2泵送系統(tǒng)電氣自動控制 71
6.2.1泵送系統(tǒng)的PLC控制回路的設(shè)計(jì) 72
6.2.2硬件選型圖 72
6.2.3PLC流程圖 73
7 結(jié)論 74
參考文獻(xiàn) 75
翻譯部分 77
英文原文 77
中文譯文 82
致 謝 88
1 緒論
1.1 混凝土泵車的設(shè)計(jì)背景
混凝土泵車是利用壓力將混凝土沿管道連續(xù)輸送的機(jī)械。由泵體和輸送管組成。按結(jié)構(gòu)形式分為活塞式、擠壓式、水壓隔膜式。泵體裝在汽車底盤上，再裝備可伸縮或屈折的布料桿，就組成泵車?；炷帘密囀窃谳d重汽車底盤上進(jìn)行改造而成的，它是在底盤上安裝有運(yùn)動和動力傳動裝置、泵送和攪拌裝置、布料裝置以及其它一些輔助裝置。混凝土泵車通過動力分動箱將發(fā)動機(jī)的動力傳送給液壓泵組或者后橋，液壓泵推動活塞帶動混凝土泵工作。然后利用泵車上的布料桿和輸送管，將混凝土輸送到一定的高度和距離。
自從水泥發(fā)明后，混凝土的輸送與澆注就一直是人們研究的對象，傳統(tǒng)的建筑施工方式是采用吊斗，效率低，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展要求，二十世紀(jì)初歐洲就一直在研究混凝土輸送泵，但效果不佳，未能起到推廣應(yīng)用，直到二十世紀(jì)五十年代德國施維英公司（SCHWING）才生產(chǎn)了世界上第一臺液壓驅(qū)動的拖式混凝土輸送泵，使拖式混凝土泵得到了迅猛發(fā)展，結(jié)構(gòu)不斷完善，泵送能力也不斷增強(qiáng)。到目前為止，混凝土泵送高度最高已達(dá)532米，泵送最長水平距離達(dá)2015m，最大理論泵送量達(dá),極大的提高了生產(chǎn)效率，尤其是在高層建筑施工中，已成為必備的設(shè)備，但是使用過程中，人們逐漸的發(fā)現(xiàn)了拖泵的一些局限性：拖泵使用時必須在建筑物上鋪設(shè)管道，準(zhǔn)備工作量大；隨著澆灌位置變化，必須人工將管道出口不斷移動個，很不方便；拖泵總在固定的地點(diǎn)工作之道工程完成，這種工作方式使用設(shè)備利用率很低。針對拖泵的這些不足，在二十世紀(jì)七十年代，研制出了集行駛，泵送，布料功能于一體的混凝土泵車
混凝土泵車是將用于泵送混凝土的泵送機(jī)構(gòu)和用于布料的臂架集成在汽車底盤上的專用車輛，工作時，利用汽車底盤柴油機(jī)發(fā)動機(jī)的動力，通過分動箱將動力傳給液壓泵，然后帶動混凝土泵送機(jī)構(gòu)和臂架系統(tǒng)，泵送系統(tǒng)將料斗內(nèi)的混凝土加壓送入管道內(nèi)，管道附在臂架上，臂架可移動，從而將泵送機(jī)構(gòu)泵出的混凝土直接送到澆注點(diǎn)。
與拖泵相比，泵車有以下優(yōu)越性：1、臂架上附著管道，開到工作地點(diǎn)后，很快就能打開臂架進(jìn)行工作，通常在半小時內(nèi)就能準(zhǔn)備就緒，準(zhǔn)備時間短； 2、配備液壓卷折式臂架，在工作范圍內(nèi)能靈活轉(zhuǎn)動，布料方便快捷，而且泵送速度快，一般在90/h 至150/h，工作效率高 ；3、自動化程度高，整臺泵車從泵送到布料均能由一人操作，一般配備無線遙控系統(tǒng)，操作方便；4、機(jī)動性能好，在一個工程作業(yè)完成后能迅速轉(zhuǎn)移到另一個工程繼續(xù)作業(yè)，能同時負(fù)責(zé)幾個工程的混凝土泵送，設(shè)備利用率高。
我國泵車最早使用于1979年，當(dāng)時從日本引進(jìn)泵車在上海寶鋼施工，1982年湖北建設(shè)機(jī)械廠從日本“石川島”引進(jìn)臂架生產(chǎn)技術(shù)開始生產(chǎn)泵車成為國內(nèi)第一家混凝土泵車生產(chǎn)廠。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，泵車生產(chǎn)廠家逐漸增多，但臂架部分開始大都是進(jìn)口，現(xiàn)在逐步改為自制為主和進(jìn)口為輔生產(chǎn)配套模式。1999年三一重工開始自行研制37米長混凝土泵車，成為國內(nèi)最早自行研制長臂架混凝土泵車的企業(yè)。目前我國混凝土泵車生產(chǎn)制造企業(yè)有十余家，生產(chǎn)能力主要集中在三一重工、徐工科技、遼寧海諾、上海普茨麥斯特等幾個企業(yè)，其中三一重工約占國內(nèi)市場的50%以上。
1.2國內(nèi)外泵車研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1臂架系統(tǒng)方面
泵車的作業(yè)范圍受到臂架長度的制約，臂架長度越長其作業(yè)范圍越大，適用范圍也越廣。但臂架越長，車輛行駛尺寸也越長，泵車在行駛及施工時往往受到限制。目前主要規(guī)格有：24,28,32,37,40,42,45,48,50,52,56,60,62,66,72米等。但總的來說，隨著科技的發(fā)展，混凝土泵車朝著臂架更長的方向發(fā)展。
目前，我國的臂架系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)自制，并在某些方面達(dá)到原裝進(jìn)口臂架的性能。但我國國產(chǎn)的鋼材尚不能應(yīng)用在臂架上，任然需要全部依靠進(jìn)口，在制造過程中，焊條和焊接工藝要求非常嚴(yán)格。臂架系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)尚是一個需要攻克的難題，如臂架應(yīng)力裂縫，臂架斷裂等。臂架應(yīng)力斷裂一般在應(yīng)力較集中的焊接部位。
目前，國外許多泵車的臂架制造都是采用不同厚度的高強(qiáng)度鋼板拼焊焊接而成，采用這種方法制造臂架時，需要知道可能出現(xiàn)的最大載荷。通過仿真計(jì)算臂架結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的大小。
此外，臂架還存在振動較大的問題。涉及到設(shè)計(jì)、制造、元件和匹配問題。
1.2.2泵送系統(tǒng)方面
由于一些大型工程的施工需要，為滿足在短時間內(nèi)澆注大量混凝土的需要，泵車的泵送排量不斷增大，上世紀(jì)九十年代，混凝土泵車的理論排量都在至左右，國外最大理論排量達(dá)到，泵送系統(tǒng)配置大直徑的輸送缸（直徑為、、），具有吸料性能好，泵送性能好的優(yōu)點(diǎn)，不僅減少了磨損，而且降低了運(yùn)營成本。分配閥形式主要采用S管閥。在易損件耐磨性方面，采用新耐磨材料、新工藝、新技術(shù)，較好地解決了易損件磨損快、更換頻繁、影響設(shè)備正常施工等問題，使其壽命大大提高。
1.2.3節(jié)能技術(shù)方面
由計(jì)算機(jī)自動判斷負(fù)荷，并自動設(shè)定油耗模式，節(jié)約能源和保護(hù)設(shè)備過早磨損。而目前一般的泵車在任何工作強(qiáng)度下都是同一種耗油模式，造成了能源的浪費(fèi)。
1.2.4自動化、智能化方面
自動化、智能化是所有設(shè)備追求的目標(biāo)，對于環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度大的混凝土泵送設(shè)備尤其重要。目前混凝土泵車自動化技術(shù)已取得了一定成就，如全自動高低壓切換、泵送排量無極調(diào)節(jié)、砼活塞自動退回、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、防堵管控制、智能臂架、防傾翻保護(hù)和故障自動診斷等。
對于泵車的堵管，本身堵管是混凝土泵送經(jīng)常遇到的事，堵管若能早發(fā)現(xiàn)并采取正確的措施，一般都能排除，但發(fā)現(xiàn)太晚或沒有采取正確的措施，管道就可能堵死，引起長時間的施工中斷，甚至影響建筑質(zhì)量。防堵管控制采用壓力傳感器時時監(jiān)測管道，當(dāng)堵塞發(fā)生時，管道內(nèi)壓力會發(fā)生異常，壓力傳感器會將這一訊號傳到PLC，PLC將立即發(fā)出警示，同時自動采取疏通措施。
智能臂架方面，目前泵車臂架只能由操作者直接控制每一節(jié)臂架的動作，使臂架運(yùn)動到理想的位置，而智能臂架的每一節(jié)臂都裝有位置傳感器，通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和運(yùn)動協(xié)調(diào)控制。操作時，只需要一個開關(guān)命令，控制計(jì)算機(jī)就能按規(guī)定程序控制臂架實(shí)現(xiàn)初始時的自動展開和用畢后的自動收攏；只需要給出泵車臂架末端出料口位置，就能實(shí)現(xiàn)多節(jié)臂的協(xié)調(diào)動作，使臂架能自動以最佳形態(tài)平穩(wěn)移動到目標(biāo)位置，簡化了臂架操縱過程，提高了控制精度，也提高了施工效率。也可預(yù)先設(shè)定臂架末端出口移動路線，使泵車臂架按程序設(shè)定的方式連續(xù)布料。
泵車的防傾翻保護(hù)功能：首先混凝土泵車的支腿展開后能自動進(jìn)行地面、支腿位置及整機(jī)水平等一系列監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題將會報警并鎖住臂架不能展開。臂架在運(yùn)行的時候，PLC仍會時刻監(jiān)控整車的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)四條支腿出現(xiàn)不穩(wěn)定情況時，臂架會自動停止向危險的方向運(yùn)動，同時發(fā)出警示，最大限度的保障安全。
對于故障診斷，由于數(shù)字控制技術(shù)、智能傳感等技術(shù)的發(fā)展，最終將會出現(xiàn)故障自動診斷技術(shù)，混凝土泵車將會有一個良好的人機(jī)界面。計(jì)算機(jī)會對整機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)問題時，計(jì)算機(jī)能自動識別并通過人機(jī)界面進(jìn)行交流，明確顯示故障的部位及類型，比如活塞磨損到一定程度，系統(tǒng)自動提示更換活塞；或者是轉(zhuǎn)速不對、功率不足等等，系統(tǒng)都能自動向操作者提示。
1.3課題研究思路和主要內(nèi)容
對泵車的整體結(jié)構(gòu)、臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)及部分電氣功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)過程中，泵送系統(tǒng)的泵送能力和混凝土塌落度決定了臂架系統(tǒng)配管的管徑，臂架系統(tǒng)圍繞此負(fù)載和要實(shí)現(xiàn)的泵送距離而進(jìn)行設(shè)計(jì)。臂架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果如果合理，將依照此來進(jìn)行回轉(zhuǎn)支承的選型和空間結(jié)構(gòu)安排。通過計(jì)算臂架慣性力、風(fēng)載、回轉(zhuǎn)阻力等載荷后將數(shù)據(jù)用于回轉(zhuǎn)減速機(jī)的設(shè)計(jì)。最后在根據(jù)泵車的澆注范圍和澆注時臂架中心的移動范圍設(shè)計(jì)支腿的機(jī)構(gòu)和支承跨距。
臂架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。以查找泵車中存在的不足。轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的受力仿真計(jì)算，求出的受力情況真實(shí)的反映了泵車的工況。設(shè)計(jì)還包括泵送系統(tǒng)的泵送能力和總體設(shè)計(jì)。通過S管的承壓、潤滑和擺缸及料斗結(jié)構(gòu)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，避免了空間上的干涉，滿足運(yùn)動要求和強(qiáng)度要求。
回轉(zhuǎn)減速機(jī)的設(shè)計(jì)采用了常用的二級行星齒輪減速機(jī)的結(jié)構(gòu)。為力士樂的GFB系列回轉(zhuǎn)減速機(jī)。對其內(nèi)部齒輪進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)更換，重新對齒輪軸強(qiáng)度分析，對回轉(zhuǎn)支承的驅(qū)動采用了雙惰輪驅(qū)動，滿足了輪齒強(qiáng)度。對減速機(jī)制動離合器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
對泵送系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)液壓回路并實(shí)現(xiàn)電氣控制自動化。
專題為對臂架系統(tǒng)Pro/E中的三維實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動學(xué)仿真和動力學(xué)仿真。也對重要構(gòu)件用ANSYS進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。
2 混凝土泵車的總體設(shè)計(jì)
混凝土泵車的種類很多，但其基本組成部件是相同的，混凝土泵車主要由底盤、臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔、泵送機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)六大系統(tǒng)組成，如圖2.1所示。
1-底盤；2-臂架系統(tǒng)；3-轉(zhuǎn)塔；4-液壓系統(tǒng)；5-電氣系統(tǒng)；6-泵送機(jī)構(gòu)
圖2.1 混凝土泵車總圖
其中底盤由汽車底盤、分動箱和副梁等部分組成；
臂架系統(tǒng)由多節(jié)臂架、連桿、油缸和連接件等部分組成；
轉(zhuǎn)塔由轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、固定轉(zhuǎn)塔（連接架）和支撐結(jié)構(gòu)等部分組成；
泵送機(jī)構(gòu)由主油缸、水箱、輸送缸、砼活塞、料斗、S閥總成、搖擺機(jī)構(gòu)、攪拌機(jī)構(gòu)、出料口、配管等部分組成；
電氣系統(tǒng)主要由控制柜、遙控器及其它電氣元件等部分組成。
混凝土泵車的表示方法如圖2.2所示。
圖2.2 混凝土泵車表示方法
2
9
1
混凝土泵裝在底盤的尾部，以便混凝土攪拌運(yùn)輸車向泵的料斗卸料。如圖2.3所示：混凝土攪拌車卸料到泵車料斗后，由其泵送機(jī)構(gòu)壓送到輸送管，經(jīng)末端軟管（件15）排出。各節(jié)臂架的展開和收攏靠各節(jié)臂架油缸來完成。其中臂架中的1#臂架（件7）的仰角可在范圍內(nèi)擺動。2#臂架（件10）和3#臂架（件12）可擺動。四節(jié)臂架依次展開，其中4#臂架（件14）的動作最為頻繁，它可以擺動左右，其末端軟管在工作時應(yīng)盡可能靠近工作部位，同時臂架可以通過回轉(zhuǎn)馬達(dá)及其減速機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸承繞固定轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)。
1-泵送機(jī)構(gòu)； 2-支腿； 3-配管總成； 4-固定轉(zhuǎn)塔； 5-轉(zhuǎn)臺；
6-1#臂架油缸； 7-1#臂架； 8-臂架輸送管； 9-2#臂架油缸； 10-2#臂架；
11-3#臂架油缸； 12-3#臂架； 13-4#臂架油缸； 14-4#臂架； 15-軟管
圖2.3 37m泵車工作示意圖
2.1泵車臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)
臂架系統(tǒng)用于混凝土的輸送和布料。通過臂架油缸伸縮，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，將混凝土經(jīng)由附在臂架上的輸送管，直接送達(dá)臂架末端所指位置即澆注點(diǎn)。以混凝土泵車臂架參考，其在一個固定點(diǎn)的某一平面的工作范圍圖如圖2.4所示。
圖2.4 混凝土泵車臂架工作范圍
2.1.1臂架折疊方式
臂架系統(tǒng)主要由多節(jié)臂架、連桿、油缸、連接件鉸接而成的可折疊和展開的平面四連桿機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)各節(jié)臂架間轉(zhuǎn)動方向和順序的不同，臂架有多種折疊型式，如：R型、Z型（或M型）、綜合型等。各種折疊方式都有其獨(dú)到之處。R型結(jié)構(gòu)緊湊；Z型臂架在打開和折疊時動作迅速；綜合型則兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)而逐漸被廣泛采用。具體的結(jié)構(gòu)型式如圖2.5所示。
圖2.5 臂架折疊型式
本設(shè)計(jì)采用的折疊方式如圖2.6所示，為RZ混合型，接合了結(jié)構(gòu)緊湊和折疊迅速的特點(diǎn)。
圖2.6 綜合型臂架折疊
2.1.2臂架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn)
臂架可簡化為一個細(xì)長的懸臂梁，其主要載荷為自重。它要求臂架強(qiáng)度大、剛性好、重量輕、因此，臂架的結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)成四塊鋼板圍焊而成的箱型梁，材料選用高強(qiáng)度細(xì)晶粒合金結(jié)構(gòu)鋼。為充分利用高強(qiáng)度鋼優(yōu)良的力學(xué)性能，按梁上各處應(yīng)力趨于一致的原則，將梁設(shè)計(jì)成漸變梁。具體型式如圖2.7所示。
圖2.7 臂架的典型型式
2.1.3連桿的結(jié)構(gòu)
連桿一般為直桿或弓形的二力桿，也有三角結(jié)構(gòu)的連桿，如圖2.8所示。
圖2.8 連桿的幾種典型形式
2.1.4臂架油缸結(jié)構(gòu)型式
各節(jié)臂之間用液壓油缸支撐，油缸為臂架運(yùn)動提供動力，它有壓力有推動活塞前后運(yùn)動，從而驅(qū)動平面四連桿機(jī)構(gòu)中的臂架繞鉸接軸轉(zhuǎn)動。缸體的進(jìn)油口應(yīng)設(shè)有液壓鎖，以防治液壓軟破裂時發(fā)生臂架墜落事故。具體結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。
1—端蓋， 2—閥安裝板； 3—缸筒； 4—支撐環(huán)； 5—密封圈；
6—活塞； 7—活塞桿； 8—端蓋； 9—壓板； 10—耳環(huán)
圖2.9 油缸的結(jié)構(gòu)簡圖
臂架油缸的行程控制由PLC控制單元智能控制，綜合考慮，不再為臂架油缸設(shè)置緩沖裝置。
2.2泵車轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)塔主要由轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、固定轉(zhuǎn)塔（連接架）和支撐結(jié)構(gòu)等幾部分組成。轉(zhuǎn)塔安裝在汽車底盤中部，行駛時其載荷壓在汽車底盤上；而泵送時，底盤輪胎離開地面，底盤和泵送機(jī)構(gòu)也掛在轉(zhuǎn)塔上。整個泵車（包括底盤、泵送機(jī)構(gòu)、臂架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)塔自身）的載荷由轉(zhuǎn)塔的四條支腿傳給地面。臂架系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)塔上，轉(zhuǎn)塔為臂架提高一個穩(wěn)固的底座，整個臂架可以在這個底座上旋轉(zhuǎn)，每節(jié)臂架還能繞各自的軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)塔的四個支腿直接支承在地面上。
2.2.1轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)臺是由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件，作為臂架的基座，它上部用臂架連接套與臂架鉸接，下部用高強(qiáng)度螺栓與回轉(zhuǎn)支承相連，主要承受臂架載荷，同時可隨臂架一起在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如圖2.10所示。
圖2.10 轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)簡圖
2.2.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)集支承、旋轉(zhuǎn)和連接功能于一體，它由高強(qiáng)度螺栓、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)減速機(jī)、主動齒輪和過渡齒輪（按強(qiáng)度取舍）組成。結(jié)構(gòu)如圖2.11所示。
圖2.11 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖
回轉(zhuǎn)減速機(jī)帶動主動齒輪，經(jīng)過渡齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承外圈，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈之間的慢速旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)支承的外圈與上部轉(zhuǎn)臺、內(nèi)圈與下部固定轉(zhuǎn)塔用高強(qiáng)度螺栓相連，內(nèi)外圈之間由交叉滾子（或鋼球）連接。因此，它上部連接的臂架、轉(zhuǎn)臺與固定轉(zhuǎn)塔之間即可實(shí)現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)，而臂架、轉(zhuǎn)臺的工作載荷通過回轉(zhuǎn)支承傳給固定轉(zhuǎn)塔。
2.2.3 固定轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)
固定轉(zhuǎn)塔是由高強(qiáng)度鋼板焊接而成的箱型受力結(jié)構(gòu)件，是臂架、轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的底座?；炷帘密囆旭倳r主要承受上部的重力，而混凝土泵車泵送時主要承受整車的重力和臂架的傾翻力矩。同時高強(qiáng)度鋼板圍焊的空間，又可做液壓油箱或水箱。因此，它既要有足夠的強(qiáng)度和剛性，又要有良好的密封性。如圖2.12所示。
圖2.12 固定轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)簡圖
2.2.4支承結(jié)構(gòu)
支承結(jié)構(gòu)的作用是將整車穩(wěn)定地支承在地面上，直接承受整車的負(fù)載力矩和重量。
1-支撐油缸； 2-右前支腿； 3-前支腿伸縮油缸； 4-前支腿展開油缸；
5-右后支腿； 6-后支腿展開油缸； 7-左后支腿； 8-左前支腿
圖2.13 支撐結(jié)構(gòu)簡圖
圖2.13為經(jīng)常使用的后擺伸縮型支腿的支撐結(jié)構(gòu)，由四條支腿，多個油缸組成。其中四條支腿、前后支腿展開油缸、前支腿伸縮油缸和支撐油缸構(gòu)成大型框架，將臂架的傾翻力矩，泵送機(jī)構(gòu)的反作用力和整車的自重安全的由支腿傳入地面。支腿收攏時與底盤同寬，展開支撐時能保證足夠的支撐跨距。工作狀態(tài)下，泵車在工地上的占地空間和整車的支撐穩(wěn)定性由負(fù)載力矩、結(jié)構(gòu)重量、支撐寬度、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、支撐地面狀況等因素決定。因此，它應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)形式、足夠的力學(xué)性能和有效的支撐范圍，保證其承載能力和整車的抗傾翻能力，確保泵車工作時的安全穩(wěn)定性。同時，應(yīng)將支腿支撐在有足夠剛度的或用其它材料按一定要求墊好的地面上，且整車各個方向傾斜度不超過，為此，在混凝土泵車左右兩側(cè)各裝有一個水平儀來辨別傾斜度。
2.3泵送機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)造
泵送機(jī)構(gòu)是混凝土泵車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于將混凝土沿輸送管道連接輸送到澆注現(xiàn)場。泵送機(jī)構(gòu)由主油缸、水箱、輸送缸、砼活塞、料斗、S閥總成、擺搖機(jī)構(gòu)、出料口、配管等部分總成。
工作原理：泵送機(jī)構(gòu)如圖2.14所示：泵送機(jī)構(gòu)由兩個主油缸1、2，水箱3，兩個混凝土輸送缸4、5，兩個砼活塞6、7，擺搖機(jī)構(gòu)8，分配閥9（S型閥），攪拌機(jī)構(gòu)10，料斗11和出料口12組成。
1、2-主油缸； 3-水箱； 4、5-輸送缸； 6、7-砼活塞； 8-擺搖機(jī)構(gòu)；
9-分配閥（S閥總成）； 10-攪拌機(jī)構(gòu)； 11-料斗； 12-出料口
圖2.14 泵送機(jī)構(gòu)簡圖
雙列液壓活塞式混凝土泵的兩個主油缸交替工作，使混凝土的輸送工作比較平穩(wěn)、連續(xù)而且排量也大為增加，充分利用了原動機(jī)的功率。S管閥混凝土泵，其砼活塞（6、7）分別與主油缸（1、2）活塞桿連接，在主油缸的作用下，作往復(fù)運(yùn)動，一缸前進(jìn)，另一剛后退；輸送缸出口與料斗和S閥連通，S閥出料端接出料口，另一端通過花鍵軸與擺搖機(jī)構(gòu)的擺臂連接，在擺搖機(jī)構(gòu)的擺動油缸作用下，可以左右擺動。
泵送混凝土料時，在主油缸的作用下，砼活塞7前進(jìn)，砼活塞6后退，同時在擺動油缸作用下，S閥9與輸送缸4連通，輸送缸5與料斗連通。這樣砼活塞6后退，便將料斗內(nèi)的混凝土吸入輸送缸，砼活塞7前進(jìn)，將輸送缸內(nèi)混凝土料送入分配閥泵出。
當(dāng)砼活塞6后退至行程終端時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號，主油缸1、2換向，同時擺動油缸換向，使S閥9與輸送缸5連通，這時砼活塞7后退，砼活塞6前進(jìn)。依次循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)泵送。
反泵時，通過反泵操作，使處在吸入行程的輸送缸與S閥連通，處在推送行程的輸送缸與料斗連通，從而將管路中的混凝土抽回料斗，如圖2.15所示。
圖2.15 泵送機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)簡圖
2.3.1泵送系統(tǒng)組成
泵送系統(tǒng)是泵送機(jī)構(gòu)的核心部件，它是把液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過油缸的推拉交替動作，使混凝土克服管道阻力輸送到澆注部位。它主要是由主油缸、輸送缸、水箱、砼活塞和拉桿等幾部分組成。
（一）主油缸
主油缸由油缸體、油缸活塞、活塞桿、活塞頭及緩沖裝置組成。由于活塞桿不僅與油液接觸，而且還與水等其它物質(zhì)接觸，為了改善活塞桿的耐磨和耐腐蝕性，在其表面要鍍一層硬鉻。
（二）輸送缸
輸送缸后端與水箱連接，前端與料斗連接，并通過料斗座與付梁固定，通過拉桿固定在料斗和水箱之間。主油缸活塞桿伸入到輸送缸內(nèi)，前端與砼活塞連接。
輸送缸一般用無縫鋼管制造，由于輸送缸內(nèi)壁與混凝土、水長期接觸，承受著劇烈的摩擦和化學(xué)腐蝕，因此，在輸送缸內(nèi)壁鍍有硬鉻層，或經(jīng)過特殊處理以提高其耐磨性和抗腐蝕性。
（三）砼活塞
砼活塞由活塞體、導(dǎo)向環(huán)、密封體、活塞頭芯和定位盤等組成。活塞密封體一般用耐磨的聚氨酯制成，其起導(dǎo)向、密封和輸送混凝土的作用。如圖2.16所示。
圖2.16 砼活塞
（四）限位油缸
限位油缸的作用是：當(dāng)需要更換或者檢查砼活塞時，限位油缸2的壓力油從油口1卸載，從而式主油缸中的活塞能夠一直退回到水箱中。如圖2.17所示。
1—限位油缸油口； 2—限位油缸； 3—限位活塞： 4—主油缸油口：5—主油缸
圖2.17 限位油缸結(jié)構(gòu)簡圖
（五）水箱
水箱用鋼板焊制而成，既是儲水容器，又是主油缸與輸送缸的支持連接件。其上面有蓋板，打開蓋板可以清洗水箱內(nèi)部，而且可以觀測水位，如圖2.18，在推送機(jī)構(gòu)工作時，水在輸送缸活塞后部隨著輸送缸活塞來回流動，起所起的作用主要是：
1、清洗作用：清洗輸送缸壁上每次推送后的殘余物，以減少輸送缸體與砼活塞的磨損
2、密封作用：增加活塞桿的密封性，提套泵送吸入效率；
3、冷卻潤滑作用：冷卻潤滑砼活塞、活塞桿及活塞桿密封部位。
圖2.18 水箱結(jié)構(gòu)簡圖
2.3.2料斗和S閥總成
料斗
料斗主要用于儲存一定量的混凝土，保證泵送系統(tǒng)吸料時不會吸空和連續(xù)泵送。料斗主要由料斗體、上斗體、篩網(wǎng)、后墻板和料門等幾部分組成。料斗體用鋼板焊接而成。左右?guī)A孔的側(cè)板用來安裝攪拌裝置，其后墻板與兩個輸送缸連通，前墻板與輸送管道相連。篩網(wǎng)用圓鋼或鋼板條焊接而成，用兩個焦點(diǎn)同料斗連接。篩網(wǎng)可以防止混凝土中大于規(guī)定尺寸的骨料或其它雜物進(jìn)入料斗，減少泵送故障，同時保護(hù)操作人員的安全。在停止泵送時，打開料門，可以排出余料和清洗料斗。具體結(jié)構(gòu)如圖2.19所示。
1、后墻板；2、止動勾；3、篩網(wǎng)；4、上斗體；5、料斗體；6、料門
圖2.19 料斗結(jié)構(gòu)簡圖
S閥
S閥是混凝土泵的關(guān)鍵部件，它位于料斗內(nèi)連接輸送缸和輸送管，協(xié)調(diào)各部件動作的機(jī)構(gòu)，因而直接影響混凝土泵的使用性能，而且也直接影響混凝土泵的整體設(shè)計(jì)。S管閥的管體有變徑和不變徑兩種型式。其特點(diǎn)是可以靠混凝土的壓力推動切割環(huán)自動密封管口，密封性能好，使混凝土泵具有較強(qiáng)的輸送能力，而且流道通暢，不易阻塞。具體結(jié)構(gòu)如圖2.20所示。
1-出料口；2-大端軸承座；3-S管體；4-切割環(huán)；5-小端軸承座；6-螺母
圖2.20 S閥結(jié)構(gòu)簡圖
硬質(zhì)合金機(jī)構(gòu)眼鏡板如圖2.21所示，眼鏡板由硬質(zhì)合金環(huán)和眼鏡板本體兩部分組成，硬質(zhì)合金材質(zhì)為SD15，具有超強(qiáng)的硬度和耐磨性，提高了高壓泵送易損件壽命。
圖2.21 眼鏡板結(jié)構(gòu)簡圖
對分配閥設(shè)計(jì)有以下基本要求：
1.良好的集、排料性能
欲使混凝土泵具有良好的集、排料性能，能平滑地通過分配閥，分配閥的流道就必須短且流暢，截面和形狀變化??；且對混凝土的適應(yīng)性強(qiáng)，能泵送不同塌落度的混凝土。
2.良好的密封性
閥門和閥體的相對運(yùn)動，要有良好的密封性，以減少漏漿現(xiàn)象，影響混凝土的使用性能和泵送性能。
3.良好的耐磨性
分配閥的工作條件相當(dāng)惡劣，工作過程中始終與混凝土進(jìn)行強(qiáng)烈的摩擦，如果耐磨性不好，將極易損壞，而且破壞分配閥的密封性，影響混凝土泵的泵送性能指數(shù)。本設(shè)計(jì)采用材料為抗沖擊、耐磨損的高錳鋼ZGMn13Cr2鑄成。
4.換向動作靈活、可靠
分配閥的換向動作，即吸入和排除動作應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)、及時、迅速。一般換向動作應(yīng)在0.1-05秒（最好0.2秒內(nèi)完成），以防止砂漿倒流。
S閥是混凝土泵的關(guān)鍵部件，它位于料斗內(nèi)諒解輸送缸和輸送管，協(xié)調(diào)各部件動作的機(jī)構(gòu)，因而直接影響混凝土泵的使用性能，而且也直接影響混凝土泵的整體設(shè)計(jì)。S管閥的管體有變徑和不變徑兩種形式。其特點(diǎn)是可以考混凝土的壓力推動切割環(huán)自動密封管口，密封性能好，使混凝土泵油較強(qiáng)的輸送能力，而其流道通暢，不易阻塞。
S閥之所以被廣泛應(yīng)用，在于S閥最大的優(yōu)點(diǎn)：切割環(huán)的浮動、自密封及橡膠彈簧自動補(bǔ)償間隙。浮動指切割環(huán)在S閥上沒有軸向固定，可以自由竄動；自密封指高壓混凝土?xí)饔迷谇懈瞽h(huán)的環(huán)面上，將切割環(huán)與眼鏡板貼緊。
2.3.3擺搖機(jī)構(gòu)
S閥的擺搖機(jī)構(gòu)如圖2.22所示，主要由擺缸固定座、左右擺閥油缸、搖臂和擺缸卡板等部分組成，處于料斗的后方。在液壓油的作用下推動左右兩個擺閥油缸的活塞桿，活塞桿驅(qū)動搖臂，搖臂帶動S閥左右擺動，從而實(shí)現(xiàn)S閥的換向。要求換向迅速，動作有力。擺缸固定座上有旋蓋油杯，以供定期潤滑，使球形摩擦面處于良好的潤滑狀態(tài)。
圖2.22 搖擺機(jī)構(gòu)示意圖
2.3.4攪拌機(jī)構(gòu)
攪拌機(jī)構(gòu)包括攪拌軸部件、攪拌軸承及其密封件。如圖2.23所示：攪拌軸部件由攪拌軸葉片、軸套組成。攪拌軸是靠兩端的軸承、軸承座（馬達(dá)座）支撐的，攪拌軸承采用調(diào)心軸承，軸承座外部還裝有黃油嘴的螺孔，其孔道通到軸承座的內(nèi)腔，工作時可對軸承進(jìn)行潤滑。為了防止料斗內(nèi)的混凝土漿進(jìn)入攪拌軸承，攪拌軸左右兩端裝有多重密封圈和防塵圈。攪拌軸一端通過花鍵套和液壓馬達(dá)連接，工作時由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動攪拌軸帶動攪拌葉片攪拌。攪拌機(jī)構(gòu)的主要作用是對料斗里的混凝土進(jìn)行二次攪拌，防止其離析。
1-端蓋； 2-軸承座； 3-左攪拌葉片； 4-攪拌軸； 5-右攪拌葉片；
6-J型防塵圈； 7-密封圈； 8-軸承； 9-馬達(dá)座； 10-液壓馬達(dá)
圖2.23 攪拌機(jī)構(gòu)示意圖
2.3.5配管
配管由一系列彎管、直管、卡管和輸送管支撐組成，如圖2.24所示。配管總的要求是在輸送阻力盡量小的情況下，管道布置美觀大方，與整車協(xié)調(diào)一致。
圖2.24 配管示意圖
臂架輸送管附在臂架的臂側(cè)，長度與臂長相配，各臂中部為一節(jié)節(jié)直管，二各臂兩端頭各為一個彎管。兩管之間可相互旋轉(zhuǎn)，兩節(jié)相連臂架端頭的彎管繞兩臂架鉸接軸軸線旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)輸送管隨臂架轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。
輸送管路的布置方式有兩種，一種布管中有相對轉(zhuǎn)動的彎管均不橫穿臂節(jié)相聯(lián)結(jié)處的鉸接銷孔，另一種布管則是部分具有相對轉(zhuǎn)動的彎管橫穿臂節(jié)間的鉸接銷孔。第一種布管雖然支撐件的設(shè)計(jì)比較麻煩，但可以有效減小第三節(jié)彎臂對一二臂中性面的偏心扭矩，改善臂架整體受力狀況。后者雖然布管方便許多，但臂架整體受力狀況欠佳。本設(shè)計(jì)采用了圖2.25所示的方案。
圖2.25 臂架系統(tǒng)配管俯視圖
兩輸送管與管夾間連接的結(jié)構(gòu)如圖2.26所示。
圖2.26 輸送管連接示意圖
由于各管安裝位置不同，各輸送管受到的沖擊和磨損也不同，一般彎管比直管磨損大，越往臂末端走輸送管磨損越小。但倒數(shù)第二個彎管的模數(shù)最大，它除受到一般的磨損外，還受到混凝土下落的重力沖擊。因此，各輸送管應(yīng)采用不同的耐磨措施，盡量使整套輸送管壽命趨于一致。
輸送管支撐在臂架上，其重量、沖擊和偏心力矩都由臂架承受，原則上臂架左右交替布管，并應(yīng)盡量靠近臂架，以減小偏心力矩，在保證一定輸送通徑、強(qiáng)度 磨損余量的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量輕。由于輸送管的重量是臂架載荷的一部分，輸送管不允許增加壁厚和外徑，否則會降低臂架的使用壽命，也影響泵車的穩(wěn)定性。
輸送管必須在臂架不受張力的狀態(tài)下安裝，如每節(jié)臂都自由地平置（各節(jié)臂架都被支撐好）、或每節(jié)臂被支撐時未折疊、或臂架完全收回并放到支承上時，臂架即不受張力。否則輸送管上可能出現(xiàn)應(yīng)力，造成管支架和臂架損壞，在泵送作業(yè)時，末端軟管甚至可能劇烈晃動、脫出。
3 臂架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)
3.1臂架箱型結(jié)構(gòu)分析
為減輕臂架重量，提高臂架強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性是改善臂架性能的主要途徑?？刹捎酶邚?qiáng)度材料，合理選擇截面形狀，使臂架自重減小，充分利用材料，正確的設(shè)計(jì)計(jì)算方法往往帶來事半功倍的效果。臂架有多種截面形式，如圖3.1所示，其中矩形截面是由翼緣板和和腹板焊接而成的[10]。于其它截面相比，矩形截面的制造工藝簡單，具有較好的抗彎能力和抗扭強(qiáng)度。圖（a）的截面型式較好，整個臂架應(yīng)力流暢，無明顯力流阻滯和應(yīng)力集中，而且重量較輕，至于抗扭曲和截面的穩(wěn)定性可以通過焊接橫穿臂架兩側(cè)板的輸送管支撐件來解決。
圖3.1 臂架箱型結(jié)構(gòu)
3.2臂架鋼板及焊接性能
3.2.1鋼板性能
泵車臂架鋼板采用瑞典SSAB公司的WELDOX960鋼板
WELDOX系列鋼板是瑞典SSAB鋼鐵公司開發(fā)生產(chǎn)的超高強(qiáng)度鋼，集高強(qiáng)度與可焊性、長壽命于一身，WELDOX960作為新一代低合金高強(qiáng)鋼，具有細(xì)晶粒超潔凈度、高均勻性、高強(qiáng)度、高韌性和良好綜合性能的新材料。在國內(nèi)得到了較快的發(fā)展應(yīng)用，主要應(yīng)用范圍：壓力鋼管、采礦設(shè)備礦用自卸車體和汽車起重機(jī)、橋梁、鐵路、帆船龍骨、大的拱梁、斗鏟的頂邊的框架和主要的高韌性部件等領(lǐng)域。重量的減輕，減少了產(chǎn)品的總重量。
3.2.2焊接性能
焊接選取瑞典生產(chǎn)的ED-FK 1000高強(qiáng)焊絲，設(shè)計(jì)了WELDOX960高強(qiáng)鋼的混合氣體保護(hù)焊工藝，在預(yù)熱、焊接線能量、層間溫度的條件下進(jìn)行多道焊接。
WELDOX高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板的合金含量低，碳當(dāng)量低，從而可用任何普通的電弧焊方法，就可將其焊在普通結(jié)構(gòu)鋼板上。在焊接WELDOX板時，其目標(biāo)是：在焊接接頭處獲得適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和良好的韌性。
國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式為：
隨著碳當(dāng)量的增加，鋼材的焊接性能會變差，當(dāng)值大于時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時需采取預(yù)熱、后熱等系列工藝措施。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)鋼時，盡量減少冷裂紋的出現(xiàn)（氫裂或延期裂紋）至關(guān)重要。產(chǎn)生裂紋出現(xiàn)的主要原因是在有應(yīng)力出現(xiàn)的焊口有氫氣存在。
工程機(jī)械的工作工況大多需要承受動載荷及重載荷，對焊縫的要求除強(qiáng)度指標(biāo)外，還要求有較高的韌性。對于焊縫強(qiáng)度的選擇問題，長期以來其高強(qiáng)鋼的焊接大多采用“等強(qiáng)度匹配”，但對于諸如WELDOX系列鋼板，高強(qiáng)鋼，除考慮強(qiáng)度外，還必須考慮焊接區(qū)的韌性和裂紋敏感性。就焊縫金屬而言，強(qiáng)度越高，可達(dá)到的韌性水平往往越低，甚至低于木材的韌性水平。因此，在特殊情況下，對焊縫金屬強(qiáng)度要求可低于母材，或剛度很大的焊接結(jié)構(gòu)，為了減少焊接冷裂紋傾向，可選擇比母材強(qiáng)度低一些的焊接材料。
預(yù)熱
預(yù)熱對平頭焊縫和根部焊道最為重要。焊接過程中和焊接后的溫度越高，則氫氣越容易溢出；鋼板越厚，預(yù)熱的必要性越大，以補(bǔ)償厚板更快的冷卻速度，而且厚板的碳當(dāng)量值更高；對被剛性固定的工件焊接時，預(yù)熱也是必要的；對于不同鋼種的鋼焊接在一起時或焊接材料的碳當(dāng)量比母材高，預(yù)熱溫度由碳當(dāng)量最高的母材或焊接材料決定。
當(dāng)板厚大于時，必須分多層焊接，第一層用ER49-1進(jìn)行打底焊，第二層焊滿，焊接層間溫度控制在之間，焊接速度，電流,電壓,送絲速度為。
預(yù)處理
所有焊縫焊前必須保證焊道干燥、清潔，除掉其中表面的油、水、銹和防銹漆，預(yù)熱后必須用鋼刷清理焊縫區(qū)域以清除積碳。焊絲，坡口及坡口周圍范圍內(nèi)必須清理干凈，不得有影響焊接質(zhì)量的鐵銹、油污、水和涂料等異物。對于重要的焊縫，在焊縫兩端應(yīng)設(shè)置尺寸合適的引弧板和引出板時，應(yīng)注意防止在引弧和收弧處產(chǎn)生焊接缺陷。
焊后熱處理
WELDOX只有在設(shè)計(jì)規(guī)則有特殊要求時方進(jìn)行焊后熱處理。
避免裂紋出現(xiàn)的方法有：焊前預(yù)熱母體材料：確保焊接面的清潔與干燥；選擇含氫量小的焊料；通過良好的焊接順序與工作的合理匹配減少收縮內(nèi)應(yīng)力。
（1） 確保焊接面的清潔和干燥。產(chǎn)生冷裂紋的主要原因時有應(yīng)力存在的焊縫金屬中有氫的存在。焊件在組裝前應(yīng)徹底清除坡口表面及附近母材上的氧化皮、鐵銹、油污、水分等，直至露出金屬光澤并保證清理范圍內(nèi)無裂紋與夾層等缺陷。
（2） 減少構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力。采用合理的焊接順序進(jìn)行裝焊，避免強(qiáng)力組對以減少構(gòu)件的殘余應(yīng)力：焊接組裝時應(yīng)將工件壓緊或墊置牢固，以防止因焊接受熱而產(chǎn)生附加的應(yīng)力和變形。
（3） 焊后消氫處理。在焊接完成后，立即將焊件后熱到,并按每毫米板厚不少于進(jìn)行恒溫處理后緩冷（且總的恒溫時間不得小于），確保焊接接頭中的殘余氫能擴(kuò)散溢出，減少延遲冷裂紋的產(chǎn)生。
（4） 焊后熱處理。進(jìn)行焊后熱處理是為了減少焊接殘余應(yīng)力，高強(qiáng)鋼焊后壁板不進(jìn)行焊后熱處理，熱處理會使接頭的某些力學(xué)性能下降，如：沖擊韌度等。只有在設(shè)計(jì)規(guī)則有特殊說明時，方進(jìn)行焊后熱處理。
3.3臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
臂架的設(shè)計(jì)高度約為，設(shè)計(jì)應(yīng)該從第五節(jié)臂架依次向前，其載荷有管路的自重、混凝土重量、風(fēng)載、慣性力其外加載荷如人力對末端軟管的拽引等。
輸送管路所用鋼管密度
輸送管路的單位長度重量：
普通混凝土表觀密度。
輸送管路中單位長度混凝土重量：
取末端軟管的長度為，重量為
3.3.1第五臂架設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)流程圖如3.2所示。
圖3.2 臂架五設(shè)計(jì)流程圖
人對末端軟管的拽引力折合為
初步取臂架五的鋼板厚度為,由于其為薄壁箱型結(jié)構(gòu)，為懸臂梁。如圖3.3所示。
圖3.3 薄壁箱型
由于臂架五的縱向截面非規(guī)則形狀。故估取，
可估算臂架五的單位長度重量：
按臂架五長度為計(jì)算，臂架五的總重量為：
臂架五的受力分析如圖3.4可知，各臂架鉸接處受力最大時，即是該臂架水平時。此時臂架的重心離鉸接點(diǎn)最遠(yuǎn)，油缸的支撐力也是最大。
臂架五鉸接點(diǎn)附近的箱型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算：
鉸接點(diǎn)附近的箱型：；
臂架的抗彎強(qiáng)度初步計(jì)算：
臂架五的鉸接端最大拉應(yīng)力計(jì)算：
采用鋼板的抗拉強(qiáng)度為 滿足
圖3.4 臂架五受力圖
其中，；；；
由Pro/E建模，測算得
由此可得，
動載系數(shù)
即臂架油缸五的最大推力負(fù)載為
實(shí)際設(shè)計(jì)時，考慮油缸的負(fù)荷裕量，取第五臂架油缸的為的型號。按工程車輛液壓缸的標(biāo)準(zhǔn)選型即可。不再詳細(xì)設(shè)計(jì)。
臂架鉸接處用柱銷，尺寸按以下材料性能計(jì)算：取材料為SiMn鋼，抗拉強(qiáng)度，屈服點(diǎn)，斷后伸長率，鋼材退火或高溫回火供應(yīng)狀態(tài)布氏硬度，，安全系數(shù)取。
橫向力F作用時，
若柱銷的直徑太小，對臂架的撕裂性顯著增加，因此，可以將此銷的尺寸加大，并作為空心銷，柱銷外徑尺寸定為。
3.3.2第四臂架設(shè)計(jì)
臂架四的受力如圖3.5所示：
圖3.5 臂架四受力圖
設(shè)計(jì)計(jì)算方法如同臂架五的設(shè)計(jì)。
初定；
臂架四的箱型截面，
鋼板厚度為
單位長度重量
由三維軟件測算得：
；;
由動載荷及油缸裕量，選取臂架四油缸為的型號
臂架間鉸接處用柱銷
柱銷尺寸按以下材料性能計(jì)算：取材料為SiMn鋼，抗拉強(qiáng)度σb≥885MPa屈服點(diǎn)σs≥ 735 MPa，斷后伸長率δ5≥ 15%，鋼材退火或高溫回火供應(yīng)狀態(tài)布氏硬度HBS≤ 229
安全系數(shù)取
橫向力F作用時，
因此，柱銷尺寸定為
臂架的抗彎強(qiáng)度初步計(jì)算：
鉸接點(diǎn)附近的箱型：；
臂架五的鉸接端最大拉應(yīng)力計(jì)算：
滿足鋼板抗拉強(qiáng)度要求。
3.3.3第三臂架設(shè)計(jì)
第三臂架為折彎臂架，如圖3.6所示。
圖3.6 臂架三
由臂架折疊時空間上避免干涉，故第三節(jié)臂架設(shè)計(jì)為折彎式。折彎距離為
相應(yīng)管路也應(yīng)該滿足空間上不干涉的基本要求。
初定臂架三長度為，鋼板厚度為
臂架三的箱型截面，，受力情況如圖3.7所示。
圖3.7 臂架三受力圖
；;
由裕量和動載，所以取液壓缸型號為
臂架間鉸接處用柱銷
柱銷尺寸按以下材料性能計(jì)算：取材料為SiMn鋼，安全系數(shù)取
橫向力F作用時，
因此，柱銷尺寸定為
臂架的抗彎強(qiáng)度初步計(jì)算：
；
臂架三的鉸接端最大拉應(yīng)力計(jì)算：
采用鋼板的抗拉強(qiáng)度為 滿足抗彎強(qiáng)度，抗扭強(qiáng)度的計(jì)算如下：
抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式如下：
滿足抗扭強(qiáng)度要求。
3.3.4第二臂架設(shè)計(jì)
初定臂架長度為，鋼板厚度為
臂架二的箱型截面，，受力如圖3.8所示。
圖3.8 臂架二受力圖
；;
所以臂架二的油缸二推力必須大于
臂架的抗彎強(qiáng)度初步計(jì)算：
；
臂架五的鉸接端最大拉應(yīng)力計(jì)算：
采用鋼板的抗拉強(qiáng)度為 滿足抗彎強(qiáng)度。由于臂架三的抗扭合格，因此臂架二的抗扭不用再加以校核。
臂架鉸接用柱銷
柱銷尺寸按以下材料性能計(jì)算：取材料為SiMn鋼，安全系數(shù)取
橫向力F作用時，
因此，柱銷尺寸定為
3.3.5第一臂架設(shè)計(jì)
初定臂架一長度為 鋼板厚度為10mm
臂架一的箱型截面，，受力如圖3.9所示。
臂架的抗彎強(qiáng)度初步計(jì)算：
；
臂架一的鉸接端最大拉應(yīng)力計(jì)算：
采用鋼板的抗拉強(qiáng)度為 滿足抗彎強(qiáng)度。臂架三的抗扭合格，因此臂架一的抗扭不再加以校核。
圖3.9 臂架一受力圖
油缸推力
因此，油缸的額定推力應(yīng)該大于
3.4臂架系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
運(yùn)用Pro/E對設(shè)計(jì)的臂架系統(tǒng)的各臂架及相關(guān)輔件進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)，然后在MECAMISM中仿真，得出準(zhǔn)確的結(jié)論，然后重新校核臂架油缸的推力及各臂架的最大拉應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是否滿足要求。
3.4.1臂架五的仿真過程
在Pro/E Mechanica(M)中仿真必須注意到，臂架系統(tǒng)建模不應(yīng)該過于復(fù)雜，尤其是其中的裝配輔件不應(yīng)過多，否則會出現(xiàn)計(jì)算量過大，不能快速而準(zhǔn)確的計(jì)算出仿真結(jié)果。將主要的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行正確的裝配，其余臂架上的附屬構(gòu)件、臂架附管、附管中的混凝土等的質(zhì)量先進(jìn)行初步計(jì)算，同時計(jì)算的還有附加載荷，如風(fēng)載、人對末端軟管的拉力等。然后以等質(zhì)量鋼板的形式平均地加在各段臂架上，如圖3.10所示。管路為標(biāo)準(zhǔn)125A管，其中混凝土的體積為定值?；炷恋谋碛^密度取。
圖3.10 臂架負(fù)載的等效代替
對于臂架五的運(yùn)動過程局部分析。取油缸五型號為，其額定推力約為,取仿真的初始位置為臂架處于水平時的位置。運(yùn)動中測量位置如圖3.11所示。運(yùn)動終點(diǎn)和運(yùn)動相關(guān)結(jié)果如圖3.12所示。我們可以得出。臂架五的末端運(yùn)動速度在終點(diǎn)時上升至約為，加速度保持在，總體慣性力滿足正常的工作要求。
圖3.11 仿真參量圖
圖3.12 臂架五仿真曲線圖
3.4.2臂架二的仿真過程
仿真初始位置如圖3.13所示。
圖3.13 臂架二油缸受力仿真初始位置圖
對于臂架二的運(yùn)動過程及油缸二受力分析。取油缸五型號為，取仿真的初始位置為臂架二、三、四處于水平時的位置。運(yùn)動終點(diǎn)為臂架全部伸直時。運(yùn)動中測量位置如圖3.13所示。運(yùn)動相關(guān)結(jié)果如圖3.14所示。我們可以得出。臂架五的末端運(yùn)動速度在終點(diǎn)時上升至約為，加速度保持在，總體慣性力滿足正常的工作要求。
圖3.14 臂架二的運(yùn)動仿真圖
由各臂架的單位長度估算各臂架重量如表3.1。
表3.1 各臂架重量
臂架重量/kg
臂架一
臂架二
臂架三
臂架四
臂架五
計(jì)算過程估取值（按中部截面）
1520
688
588
439
127
Pro/E三維模型測量值
1702
835
604
426
154
其誤差率分別為：
；；
；
表3.2為各臂架油缸額定推力的詳細(xì)計(jì)算值和仿真值的統(tǒng)計(jì)，分析其誤差率，進(jìn)行數(shù)據(jù)修訂。
表3.2 各臂架油缸載荷
油缸型號/t
油缸一
油缸二
油缸三
油缸四
油缸五
詳細(xì)計(jì)算
115
108
71
31
7.6
Pro/E仿真
128
117
72
34
8.8
其誤差率分別為：
；；；
選取臂架油缸按仿真值選取。由于誤差值并沒有超出，故不用再修改臂架的鋼板厚度或者箱型結(jié)構(gòu)。
3.5連桿的受力
連桿編號與油缸編號相對應(yīng)，連桿受力表3.3。
表3.3 連桿受力
連桿受力/KN
連桿二
連桿三
連桿四
連桿五
直連桿
1170
720
340
88
彎連桿
1290
935
403
63
連桿材料的選取，四個直連桿和四個彎連桿均為高強(qiáng)抗拉鋼板焊接而成。鋼板材料為瑞典SSAB公司的WELDOX960鋼板，屈服極限
3.5.1直連桿二設(shè)計(jì)及應(yīng)力校核
連桿柱銷尺寸按以下材料性能計(jì)算：取材料為SiMn鋼，安全系數(shù)取
橫向力F作用時，
因此，柱銷尺寸定為。
連桿的銅基無油軸承如圖3.15所示。
圖3.15 銅基無油軸承
無油軸承直徑，長度，
承壓面積：
最大承載能力為：
而臂架二在臂架一鉸接點(diǎn)處的最大負(fù)荷為，小于軸承能承受的最大承壓能力。其安全系數(shù)，滿足使用要求。
由于連桿為受壓狀態(tài)，為了保證連桿不被壓潰，在連桿之間設(shè)計(jì)了兩道加強(qiáng)筋作為支撐。如圖3.16所示。
圖3.16 連桿結(jié)構(gòu)簡圖
在ANSYS中分析連桿的受力如圖3.17所示。
圖3.17 直連桿二受力云圖
3.5.2彎連桿二設(shè)計(jì)及應(yīng)力校核
圖3.18 彎連桿結(jié)構(gòu)簡圖
從圖3.18可以看出，與直連桿鉸接的孔的承壓面積較小，其尺寸由直連桿寬度和臂架二的內(nèi)側(cè)寬度共同決定。承壓面積：
最大承載能力為：
而直連桿二在直連桿一鉸接點(diǎn)處的最大負(fù)荷為，小于軸承能承受的最大承壓能力。其安全系數(shù)，滿足使用要求。
為了防止彎連桿與油缸二的活塞桿、直連桿二在臂架二運(yùn)動時發(fā)生干涉，將彎連桿二的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)為如圖所示的型式，最大限度的保證了其結(jié)構(gòu)的