五臂混凝土泵车臂架变幅机构的仿真研究.pdf

第 5期 2 0 1 1 年 5月 机 械 设 计 与制 造 Ma c hi ne r y De s i g n&Ma n u f a c t ur e 1 0l 文章编 号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 1 0 1 0 3 五臂混凝土泵车臂架变幅机构的仿真研究 凌智勇 傅鹏飞 刘洪庆 李广鑫 ( 江苏大学 机械工程学院 ， 镇江 2 1 2 0 1 3 )( 扬州中集通华有限公司， 扬州 2 2 5 0 0 9 ) Si mu l a t i v e r e s e a r c h o n t h e a mp l i t u d e c h a n g i n g me c h a n i s m f o r a r m s u p p o r t o f c o n c r e t e p u mp v e h i c l e L I NG Z h i - y o n g I , F U P e n g - f e i ， L I U Ho n g - q i n g 2 ， L I Gu a n g - x i n ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ) ( Z Y a n g z h o u C I MC T H T S p e c i a l V e h i c l e s C o r p o r a t i o n L i m i t e d ， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 9 ， C h i n a ) 一 - ， 【 摘要】 通过 A D A M S V I E W软件模块建立某4 8 m混凝土泵车臂架变幅机构的三维仿真模型， 在 ； AD AMS VI E W模块 中， 以混凝土泵车 5节臂架全部水平工况为基础 ， 分别对第 1 、 第 2 、 第 3 、 第 4 、 第 5节臂 架进行由 初始位置到最大 位置间的 运动仿真分析， 得到了 在1 0 种工况下各节变幅油 缸受力曲 线， 并确定 ! 了各节臂架变幅油缸最危险工况时的最大受力。 依据仿真出的各节臂架变幅油缸最大 推力和拉力， 分别计 ； 算出变幅油缸无杆腔和有杆腔的最大工作压力， 为选择合理的臂架变幅油缸型号和臂架变幅机构优化设 计提供 了理论依据。 i 关键词： 混凝土泵车； 臂架变幅机构； A D A M S NI E W； 最大受力 ； 【 Ab s t r a c t 】 T h e 3 D s i m u l a t i o n m o d e l f o r t h e a m p l i t u d e c h a n g i n g me c h ani s mf o r m s u p p o r t o fc e r t a i n? c o n c r e t e p u m p v e h i c le is e s t a b l is h e d b y m e a n s o f A D A M S V I E W s o f t w a r e m o d u le ， i n w h i c h s i m u l at i v e： mo v e m e n t for e a c h k n u c k l e a r mf r a me i s ana l y z e d f r o m t h e i r o r i gin a l p o s i t i o n t o t h e m p o s i t i o n b a s i n g o n； t h e l e v e l s t atu s of t h e 5 k n u c k l e s a r mf r a m e s ， t h u s t h e c y l i n d e r f o r c e c u r v e for e ach a m p l i t u d e c h angin g? m e c h ani s m u n d e r 1 0 m o r e s t at u s is o b ta i n e d傩w e l l as th e m n f o r c e ofe a c h u n d e r t h e mos t d a n g e r o u s s 一i t u s is d e te r m i n e d A c c o r d i n g t o t h e m o N i m u m t h r u s t a n d t e n s i o n of t h e c y l i n d e r ， t h e m a x im u m p r e s s u r e of s e p a r at e r o d and r o d l e s s c a v it y i s c c z e P p r o v id e s t h e o r y r ef e r e n c e s f o r s e l e c t i n g t y p e s of c y l i n 一； i d e r and o p t i m a l d e s ig n in g 0 厂 t h e c h angi n g m e c h anis m ofo y m s u p p o r t ： ； Ke y w o r d s ： C o n c r e t e p u mp v e h i c l e ； T h e c h a n g i n g me c h a n i s m o f a r m s u p p o r t ； A D AMS VI EW ； ?Ma x i mu m l o a d c a r r y in g c a p a c i t y ； 中图分类号 ： T H1 6 ， T U 6 4 6 文献标识码 ： A 1 引言 混凝土泵车是集输送成品混凝土和浇筑工序于一体的建筑 机械， 可以连续均匀地泵送混凝土至某一高度的专用车型 ， 是现 代建筑业中不可缺少的工程机械， 使用混凝土泵车能够极大地缩 短建筑工期和劳动消耗， 迅速、 及时地完成施工任务。 昆 凝土臂 架展开和收缩以及浇筑过程中的臂架定位， 都依靠变幅机构的运 作来实现其功能， 所以泵车臂架油缸变幅机构对泵车臂架系统的 整体性能而言起着至关重要的作用。在传统的设计过程中， 设计 者大多选取特殊点位置对臂架变幅油缸进行受力分析， 这样会导 致设计中漏掉很多受力较大的工况， 导致油缸在实际工作过程中 出现负载过大的情况 。文献H 对某混凝土泵车臂架变幅机构进 行了仿真分析 ， 混凝土泵车臂架形式分别为 3 8 m和4 4 m。对混凝 土泵车臂架而言， 臂长每增加 1 m高度， 对变幅机构和油缸的设 计将会更加严格。 而且臂架长度不同， 变幅机构也会不一样， 因此 对长臂架进行变幅机构的仿真分析是有必要的。 以目前市场上主流 4 8 m混凝土泵车 5 节臂架变幅机构作为 研究对象， 使用 A D A M S V I E W软件模块建立三维仿真模型， 对臂 来稿 日 期： 2 0 1 0 0 7 3 0 架油缸变幅机构进行最大推力和拉力分析， 为合理选择油缸提供 理论依据， 为提高混凝土泵车臂架整体性能提供指导。 2混凝土泵车臂架变幅机构仿真模型的 建立 2 1利用 A D AMS NI E W 模块创建仿真模型 根据某4 8 m混凝 主 R 参数， 如表1 所示。 在A D A M S V I E W模块中建立臂架变幅机构仿真模型， 如图 1 所示。臂架的卷 折形式为 R Z型， 共五节， 采用弯板式连接和连杆式连接共用的形 式目 ， 其中 1 #和2 #臂架采用连杆式连接， 3 #和4 #臂架、 4 #和5 #臂 架采用弯板式连接装置。 2 2约束及运动副的定义 A D A M S VI E W模块中自带了约束库对建立的臂架仿真模 型施加约束。就 4 8 m混凝土泵车臂架而言， 主要涉及的运动副有 转动副， 移动副和固定副。 泵车中心转塔是固定在汽车底盘上的， 可以看做与大地固定 ， 中心转塔处添加固定副； 臂架变幅液压缸 ( 共有 6个变幅油缸， 1 #臂架两侧对称地使用两个变幅油缸， 其 余油缸对应相应臂架) 使用移动副； 其余转动处添加转动副。 1 0 2 凌智勇等： 五臂混凝土泵车臂架变幅机构的仿真研究 第5 期 图 1 臂架仿真模型 Fi g 1 Si mu l a t i v e mo d e l o f a l3 n s u p p o 表 1臂架主要技术参数 T a b 1 Ma i n t e c h n i c a l p t r a me t e r o f a r m s u p p ort 项 目 参数 第 1 节臂架 ) 第2 节臂架 ) 第 3 节臂架 ) 第4 节臂架 ) 第 5 节臂架 ) 最大垂直高度 ( m m) 最大水平距离， ( m m ) 帚 士 擦 睁 ， r 、 2 3臂架自由度计算 在用 A D A M S进行动力学分析前 ， 必须先确定所分析系统的 自由度。系统自由度计算公式： W= 3 x ( n 一 1 ) - 2 ( 1 ) 式中： 一系统总的自由度； n 机构构件总数 ； 构中低副 个数； 机构中高副个数。 4 8 m泵车臂架系统中共有 2 4 个活动构件和 3 2 个平面低副 以及 0 个高副组成。故系统总的自由度为： W= 3 x ( n 一 1 ) - 2 P J 一 = 3 x ( 2 4 - 1 ) - 2 x 3 2 = 5 任意两节臂架之间的六杆机构 自由度为： W= 3 x ( n 一 1 ) 一 2 尸 = 3 x ( 6 - 1 ) - 2 x 7 = 1 1 #臂架与转台之间的六杆机构 自由度为： W= 3 x ( n - 1 ) - 2 P o = 3 x ( 4 - 1 ) - 2 x 4 = 1 2 4 施加载荷 对于臂架变幅机构部分的仿真， 主要考虑动态载荷和工作载 荷， 臂架运动过程中 受到的载荷侧向力和风载荷暂不考虑。其中动 态载荷是指臂架所有的固 定部分和活动部分构件在运动过程中所 受到的重力， 该动态载荷在计算时乘以系数 1 2 ； 工作载荷是指被输 送混凝土的最大重力， 工作载荷在计算时乘以系数 1 3 。 3 混凝土泵车臂架变幅机构仿真 3 1 油缸最大受力仿真分析 表 2臂架各油缸的行程 T a b 2 T h e mo t i o n d i s t a n c e o f s e p a r a t e c y l i n d e r 项 目 油缸 l ( 双 ) 油缸 2 油缸 3 油缸 4 油缸 5 行程 ( ram) 1 2 7 6 1 5 2 0 1 2 9 6 1 2 5 3 1 0 9 0 根据 昆 凝土泵车臂架的实际工作情况， 以混凝土泵车 5 节臂 架水平工况为基础， 分别对第 1 、 第 2 、 第 3 、 第4 、 第 5 节臂架进行由 初始位置到最大位置间的运动仿真分析， 油缸的行程如表 2 所示。 3 _ 2油缸多工况下的受力分析 现以连接臂架 1 和臂架 2的变幅油缸 2 为例研究臂架位置和 油缸的受力清况， 如图2 所示。由于油缸 2 仅用于驱动臂架 1 和臂 架 2 之间的六杆机构运动， 实现两节臂的相对卷折， 除臂架 1 的位 置对油缸 2 受力有影响外， 其他各节臂架位置对油缸工作时的受力 均无影响， 因此可以引人油缸 1 行程设计变量， 参考表 2 油缸行程 确定取值范围， 通过油缸 1 行程设计变量的不断变化来多次改变臂 架 1 的工作位置，由于油缸 2 在收回时臂架受到工作位置的限制， 因此分别对油缸 2 进行推力和拉力受力分析( 推力时， 3 # 、 4 拌 、 5 #臂 架油缸全程打开； 拉力时， 3 # 、 4 # 、 5 # 臂架油缸全程收回) ， 得到油缸 2在 1 0种工况下的受力曲线， 如图3 、 图 4 所示。 4 图2油缸变幅机构简图 F i g 2 Th e s i mp l e a mp l i t u d e c h a n g i n g me c h a n i s m o f a l m s u p p o fl 1 油缸 2 连杆 1 3 连杆 2 4 臂架 2 5 臂架 1 l = 1 1 I l凳 苎 1 = ： r i 三 基 。、 ： 、 1 = ： j l 、 之 - 、 、 、 1= ： ，I 、 ， ， l 、 、 I 、 一 ， ， 、 l 、 、 _ 、 。 l l ! ； c T i me ( fl e e ) 图 3油缸 2多工况推力曲线图 Fi g 3 Th e t h r u s t c u r v e o f c y l i n d e r 2 u n d e r v a o u s c o n d i t i o n s 2 5 E 0 2 0 E 1 5 E 1 O E r三5 O E j 三- - rr i1- 2 1 = ：- - ,i；：T蛊iTa l c， 玑 拄 l 盘 麟 1 碰 ， I = - ： ： = = = 胤 0 O T i me ( s e c ) 图 4油缸 2多工况拉力 曲线图 F i g 4 T h e t e n s i o n c u r v e o f c y l i n d e r 2 u n d e r v a rio u s c o n d i t i o n s 1 一 l 5 1 美毪 f ! 鼍 兰 、 S 一 ， ， f ， - ， ， ， 、 、 ， 、 T i me ( s e u ) 图 5油缸 3 多工况推力曲线图 F i g 5 Th e t h r us t c u r v e o f c y l i n d e r 3 u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s 1 5 1 0 f k 鳓 L = ： 蕊 蕊 三 = 媳| 、 、 二 ： ， ， j 、 、 O O T i me ( s e c ) 图6油缸 3 多工况拉力曲线图 F i g 6 Th e t e ns i o n e u ie o f c y l i n d e r 3 u n d e r v a r i o n s c o n d i t i o n s 蚴 啪 一 一 一 No 5 Ma lv 2 0 1 1 机械 设 计 与 制造 l 0 3 在进行油缸 3的最大受力仿真分析时， 油缸 2全程打开 ， 将 1 #臂架和 臂架看做是一个整体， 同理可得油缸 3多工况受力 曲线图， 如图 5 、 图 6 所示。 由于油缸 4 能够在不受位置局限的情况下进行一次完整的 伸出和收回过程， 仿真油缸4时， 将将 l # 、 2 # 、 3 # 臂架看做是一个 整体， 同理油缸 4在 1 O种工况下的受力曲线 ， 如图7所示。 一 2 -三1 0 T i me ( S e C ) 图 7油缸 4多工况受力 曲线图 F j Th e L o a d c a r r y i n g c a p a c i t y c u r v e o f c y l i n d e r 4 u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o ns 同理油缸 4 ， 油缸 5 在 1 0 种工况下的受力曲线， 如图 8 所示。 5 4 专 3 口 1 掘 j l 儿 n - TL S 脞 i ： ， 臣 胛 慢 l 、 。 蕊 捌 I 鼠 、 J 硒 f 目嬲 ： a 狮 l 剐 O T i me ( s e c ) 图 8油缸 5多工况受力曲线 图 F i g 8 T h e L 0 a d c a r r y in g c a p a c i t y c u r v e ( f c y l i n d e r 5 u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s 另外， 1 #油缸最大受力发生在5节臂架不发生相对卷折 ， 从 水平工况到垂直工况的举升运动过程中，仿真得到最大受力曲 线， 如图 9所示。 0 T i me ( N e c ) 图 9油缸 1 受力曲线 图 Fi g 9 Th e Lo a d c a r r y i n g c a p a c i t y c u r v e o f c y l i n d e r 1 如图 3 图 9 所示， 可得到各油缸在不同工况下的最大受力。 在 5节臂架中， 1 #臂架由于有对称的两个油缸 ， 所以作用于油缸 的载荷并非最大， 1 #臂架液压缸最大推力发生在 5节臂架全部 处于水平状态 ， 2 #油缸在全部液压缸中所受推力和拉力最大， 2 # 、 3 # 、 4 # 臂架油缸最大拉力发生在各 自臂架最终收回状态， 而 且油缸最大拉力都大于最大推力， 5 #液压缸最大推力和拉力工 况没有明显特征， 如表 3 所示。 4 液压缸的最大工作压力 混凝土泵车臂架在展开时， 1 # 、 2 # 、 3 # 、 4 # 油缸依靠无杆腔进 油推动活塞杆 ， 驱动变幅机构， 5 #油缸是有杆腔进油， 臂架成展 开姿势； 混凝土泵车臂架在收回时， 1 # 、 2 # 、 3 # 、 嘶 油缸分别依靠 有杆腔进油拉动活塞杆收回臂架， 5 # 油缸是无杆腔进油使臂架 收回。因此在选择油缸时， 必须同时满足无杆腔和有杆腔最大工 作压力需求。当油缸分别为无杆腔和有杆腔工作时， 其最大工作 压力计算式分别为： 赫 舡 等 寺 斩 舡 等 赢 式中： 一 为液压缸活塞直径， mm； d 一为液压缸活塞杆直径， mm。 表 3各油缸不同工况最大受力情况 Ta b 3 T h e ma x i mu m l o a d i n g c a p a c i t y o f s e p ar a t e c y l i n d e r u n d e r d i ff e r e n t c o n d i t i o n s 根据已知油缸活塞直径和活塞杆直径，无杆腔和有杆腔的 最大压力， 如表 4所示。 表 4油缸最大工作压力 T a b 4 Th e ma x i mu m wo r k i n g p r e s s u r e o f c y l in d e r 油 缸最 大 推 力 ，N 最 大 拉 力 ，N直 径 ，m m l ； ； ； l ； 5 ； 嚣 5 结论 利用 A D A MS V I E W软件模块对混凝土泵车臂架液压缸变 幅机构进行多工况模拟仿真。以臂架水平工况为基础 ， 分析了臂 架 2 # 、 3 # 、 4 # 、 5 #液压缸在 1 0 种工况下的受力 ，仿真出最大推力 和拉力工况。1 #液压缸最大受力发生在 5 节臂架全部处在水平 工况时。根据各臂架油缸的最大推力和拉力， 计算出各臂架油缸 无杆腔和有杆腔的最大工作压力。 由于臂架油缸最大工作压力偏 大， 为了改善臂架液压缸的受力状况、 减小液压系统的工作压力， 所以对臂架变幅机构还有待于进行进一步的优化设计。 参考文献 1 黄长礼， 刘古岷混凝土机械 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 1 2 陈宜通混凝土机械 M 北京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 2 3 颜皓混凝土泵车发展概况和选型 J 建筑机械， 1 9 9 9 ， 7 ( 3 ) ： 2 1 2 5 4 吴瀚晖混凝土泵车臂架系统的仿真与应用 D 湘潭大学学报， 2 0 0 6 ： 4l 4 2 5 勾治践， 潘小平基于 A D A M S V I E W的混凝土泵车臂架变幅机构的仿 真及优化设计 J 机械设计， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 4 O - 4 2 6 张光字， 张国忠混凝土泵车臂架布料机构及其运动学仿真 J 中国工 程机械学报 ， 2 0 0 3 ( 1 0 ) ： 8 7 8 9 7 国家发展和改革委员会Q O T 7 1 8 2 0 0 4 ： 混凝土泵车I s 北京： 中国 计划出版社， 2 0 0 5