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混凝土泵車臂架優化設計方案

來源:二三四五機械網    作者:Jack Zeng    人氣:    發布時間:2019-03-17    

臂架式混凝土泵車(圖1,以下簡稱泵車)是一種專門用于輸送混凝土的特種工程車輛,一般由汽車底盤、混凝土泵送系統、布料臂架系統、液壓系統、回轉機構以及底架等六大部分組成。

 

混凝土泵車臂架優化設計方案


泵車借助臂架系統將混凝土的水平輸送以及垂直輸送結合在一起,其工作原理是:將混凝土泵和液壓折疊式臂架都安裝在汽車底盤上,沿著臂架架設輸送的管道,通過最末端的軟管,最終向一定距離之外或一定高度之上的施工作業現場輸出混凝土的設備。泵車性能優越,效率高,機動性好,在現代建筑施工等諸多領域中有著不可替代的作用。

臂架系統是泵車中最為重要的核心部件之一,泵車臂架具備折疊、回轉、變幅等功能,在臂架所能到達的區域內進行布料,實現了布料范圍廣、澆筑速度快、澆筑質量高、機動性好、工人工作強度低等目標。


面臨挑戰

臂架結構是否合理將直接影響泵車的工作性能和作業穩定性。臂架系統不僅需要具備相當的整體剛度和強度,還必須具備出眾的工作適應性和可靠性,因此,泵車臂架的設計和制造就需要有嚴格的要求,對泵車臂架的研究和探索是十分必要的。

傳統的機械設計中,一般認為臂架是一種細長的懸臂梁,非作業狀態下,其主要載荷為自重,工作狀態下,其主要載荷還要加上混凝土的重量,因此為了確保臂架的機械性能,使其滿足施工的需要,特別是要實現強度大、剛度好、重量輕的要求,臂架結構一般設計為四塊鋼板搭接拼焊的箱型梁,材料多選擇高強度合金鋼。

臂架改進前的原始模型和局部的細節如圖2、3所示

 

混凝土泵車臂架優化設計方案


傳統設計中,臂架多采用等強度設計,從上面的圖表看出,由于必須要滿足穩定性、剛性等要求,同時滿足經濟性要求,因此臂架設計一般選用鋼材料。

過早地出現疲勞是臂架最常見的失效形式,這是因為鋼的比重比較大,出于最大限度地提高材料利用率的考慮,傳統設計會采取變截面、變材料厚度等來減輕整體臂架的重量,也就出現了一些孔洞、溝槽、凹角等截面突變的結構,從而不可避免地出現鋼材應力集中等問題。同時傳統設計無法擺脫舊有工藝的限制,必須采用諸如焊接等加工方法,導致結構可靠性進一步下降,也對結構形式提出了新的要求,即必須保證在相關部位不出現過高的應力集中的狀況。

解決方案
再設計是如何做到這一點的呢?在本案例中,鋼材之所以無法替換為其他材料,主要的原因是要么是找不到同樣機械性能的材料,要么是找到的材料無法加工,或需要很復雜的結構才能實現,或者在舊有工藝條件下無法加工。而再設計所依賴的蘇氏精密鑄造技術歷經二十余年的發展,在傳統失蠟熔模精密鑄造工藝基礎上對所有工藝流程經過100多項微創新,最大限度地杜絕了傳統鑄造工藝容易產生的所有質量問題,尺寸精度和內部質量方面均全面超越國內外標準,實現了“無論產品結構怎樣復雜皆可制造”這一目標。

臂架再設計后的模型如圖4所示,主要是鑄造鋁合金材料(ZL114A)替代原有的高強度焊接結構鋼(Q690D),同時在壁板內壁增加了加強筋,采用蘇氏精鑄技術進行一體化制造成型。

 

混凝土泵車臂架優化設計方案


改進后,一體化設計比原始設計減重54%,且一體化成型避免了焊接,其強度更為可靠,有限元仿真結果也更加精確,能夠更準確地預測結構的力學性能。同時仿真分析表明,新的臂架設計應力水平下降,強度儲備提高。分析結果如圖5所示。

 

混凝土泵車臂架優化設計方案


即使在載荷變化的情況下,考慮到末端臂板也改用鋁合金材料,按同樣的減重比例,變形分析結果如圖6所示,而系統功能全部實現,成功實現了設計突破。

 

混凝土泵車臂架優化設計方案


客戶價值

懸臂結構采用減厚加筋結構,由鋼結構變為鋁合金,采用蘇氏精密鑄造技術整體成型,在不降低性能指標的前提下,重量相比原鋼材料主軸減少54%;

采用蘇氏一體化制造工藝,省略了焊接環節及其他各種連接模式,提高了裝備的整體可靠性,減少了污染;

整體結構有精確的近凈形尺寸精度與形位公差,減少了后續的機械加工甚至免加工,可實現使用過程中的高效率替換和維修。

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