混凝土泵车结构设计 1 绪论 1.1 混凝土泵车的设计背景 混凝土泵车是利用压力将混凝土沿管道连续输送的机械。由泵体和输送管组成。按结构形式分为活塞式、挤压式、水压隔膜式。泵体装在汽车底盘上，再装备可伸缩或屈折的布料杆，就组成泵车。混凝土泵车是在载重汽车底盘上进行改造而成的，它是在底盘上安装有运动和动力传动装置、泵送和搅拌装置、布料装置以及一些辅助装置。混凝土泵车通过动力分动箱将发动机的动力传送给液压泵组或者后桥，液压泵推动活塞带动混凝土泵工作。然后利用泵车上的布料杆和输送管，将混凝土输送到一定的高度和距离。,极大的提高了生产效率，尤其是在高层建筑施工中，已成为必备的设备，但是使用过程中，人们逐渐的发现了拖泵的一些局限性：拖泵使用时必须在建筑物上铺设管道，准备工作量大；随着浇灌位置变化，必须人工将管道出口不断移动个，很不方便；拖泵总在固定的地点工作之道工程完成，这种工作方式使用设备利用率很低。针对拖泵的这些不足，在二十世纪七十年代，研制出了集行驶，泵送，布料功能于一体的混凝土泵车 混凝土泵车是将用于泵送混凝土的泵送机构和用于布料的臂架集成在汽车底盘上的专用车辆，工作时，利用汽车底盘柴油机发动机的动力，通过分动箱将动力传给液压泵，然后带动混凝土泵送机构和臂架系统，泵送系统将料斗内的混凝土加压送入管道内，管道附在臂架上，臂架可移动，从而将泵送机构泵出的混凝土直接送到浇注点。 与拖泵相比，泵车有以下优越性：1、臂架上附着管道，开到工作地点后，很快就能打开臂架进行工作，通常在半小时内就能准备就绪，准备时间短； 2、配备液压卷折式臂架，在工作范围内能灵活转动，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、自动化程度高，整台泵车从泵送到布料均能由一人操作，一般配备无线、机动性能好，在一个工程作业完成后能迅速转移到另一个工程继续作业，能同时负责几个工程的混凝土泵送，设备利用率高。 我国泵车最早使用于1979年，当时从日本引进泵车在上海宝钢施工，1982年湖北建设机械厂从日本“石川岛”引进臂架生产技术开始生产泵车成为国内第一家混凝土泵车生产厂。随着建筑业的发展，泵车生产厂家逐渐增多，但臂架部分开始大都是进口，现在逐步改为自制为主和进口为辅生产配套模式。1999年三一重工开始自行研制37米长混凝土泵车，成为国内最早自行研制长臂架混凝土泵车的企业。目前我国混凝土泵车生产制造企业有十余家，生产要集中在三一重工、徐工科技、辽宁海诺、上海普茨麦斯特等几个企业，其中三一重工约占国内市场的50%以上。 1.2国内外泵车研究现状及发展趋势 1.2.1臂架系统方面 泵车的作业范围受到臂架长度的制约，臂架长度越长其作业范围越大，适用范围也越广。但臂架越长，车辆行驶尺寸也越长，泵车在行驶及施工时往往受到限制。目前主要规格有：24,28,32,37,40,42,45,48,50,52,56,60,62,66,72米等。但总的来说，随着科技的发展，混凝土泵车朝着臂架更长的方向发展。 目前，我国的臂架系统已基本实现自制，并在某些方面达到原装进口臂架的性能。但我国国产的钢材尚不能应用在臂架上，任然需要全部依靠进口，在制造过程中，焊条和焊接工艺要求非常严格。臂架系统在世界范围内尚是一个需要攻克的难题，如臂架应力裂缝，臂架断裂等。臂架应力断裂一般在应力较集中的焊接部位。 目前，国外许多泵车的臂架制造都是采用不同厚度的高强度钢板拼焊焊接而成，采用这种方法制造臂架时，需要知道可能出现的最大载荷。通过仿真计算臂架结构实际受力的大小。 此外，臂架还存在振动较大的问题。涉及到设计、制造、元件和匹配问题。 1.2.2泵送系统方面 由于一些大型工程的施工需要，为满足在短时间内浇注大量混凝土的需要，泵车的泵送排量不断增大，上世纪九十年代，混凝土泵车的理论排量都在至左右，国外最大理论排量达到，泵送系统配置大直径的输送缸（直径为、、），具有吸料性能好，泵送性能好的优点，不仅减少了磨损，而且降低了运营成本。分配阀形式主要采用S管阀。在易损件耐磨性方面，采用新耐磨材料、新工艺、新技术，较好地解决了易损件磨损快、更换频繁、影响设备正常施工等问题，使其寿命大大提高。 1.2.3节能技术方面 由计算机自动判断负荷，并自动设定油耗模式，节约能源和保护设备过早磨损。而目前一般的泵车在任何工作强度下都是同一种耗油模式，造成了能源的浪费。 1.2.4自动化、智能化方面 自动化、智能化是所有设备追求的目标，对于环境恶劣、劳动强度大的混凝土泵送设备尤其重要。目前混凝土泵车自动化技术已取得了一定成就，如全自动高低压切换、泵送排量无极调节、砼活塞自动退回、发动机转速闭环控制、防堵管控制、智能臂架、防倾翻保护和故障自动诊断等。 对于泵车的堵管，本身堵管是混凝土泵送经常遇到的事，堵管若能早发现并采取正确的措施，一般都能排除，但发现太晚或没有采取正确的措施，管道就可能堵死，引起长时间的施工中断，甚至影响建筑质量。防堵管控制采用压力传感器时时监测管道，当堵塞发生时，管道内压力会发生异常，压力传感器会将这一讯号传到PLC，PLC将立即发出警示，同时自动采取疏通措施。 智能臂架方面，目前泵车臂架只能由操作者直接控制每一节臂架的动作，使臂架运动到理想的位置，而智能臂架的每一节臂都装有位置传感器，通过计算机可实现闭环控制和运动协调控制。操作时，只需要一个开关命令，控制计算机就能按规定程序控制臂架实现初始时的自动展开和用毕后的自动收拢；只需要给出泵车臂架末端出料口位置，就能实现多节臂的协调动作，使臂架能自动以最佳形态平稳移动到目标位置，简化了臂架操纵过程，提高了控制精度，也提高了施工效率。也可预先设定臂架末端出口移动路线，使泵车臂架按程序设定的方式连续布料。 泵车的防倾翻保护功能：首先混凝土泵车的支腿展开后能自动进行地面、支腿位置及整机水平等一系列监测，发现问题将会报警并锁住臂架不能展开。臂架在运行的时候，PLC仍会时刻监控整车的稳定性，发现四条支腿出现不稳定情况时，臂架会自动停止向危险的方向运动，同时发出警示，最大限度的保障安全。 对于故障诊断，由于数字控制技术、智能传感等技术的发展，最终将会出现故障自动诊断技术，混凝土泵车将会有一个良好的人机界面。计算机会对整机进行监控，出现问题时，计算机能自动识别并通过人机界面进行交流，明确显示故障的部位及类型，比如活塞磨损到一定程度，系统自动提示更换活塞；或者是转速不对、功率不足等等，系统都能自动向操作者提示。 1.3课题研究思路和主要内容 对泵车的整体结构、臂架系统、转塔系统、泵送系统及部分电气功能进行设计。 设计过程中，泵送系统的泵送能力和混凝土塌落度决定了臂架系统配管的管径，臂架系统围绕此负载和要实现的泵送距离而进行设计。臂架系统的设计结果如果合理，将依照此来进行回转支承的选型和空间结构安排。通过计算臂架惯性力、风载、回转阻力等载荷后将数据用于回转减速机的设计。最后在根据泵车的浇注范围和浇注时臂架中心的移动范围设计支腿的机构和支承跨距。 臂架系统的设计中运用虚拟设计。设计结果与传统设计进行比较。以查找泵车中存在的不足。转塔系统的受力仿真计算，求出的受力情况真实的反映了泵车的工况。设计还包括泵送系统的泵送能力和总体设计。通过S管的承压、润滑和摆缸及料斗结构的联合设计，避免了空间上的干涉，满足运动要求和强度要求。 回转减速机的设计采用了常用的二级行星齿轮减速机的结构。为力士乐的GFB系列回转减速机。对其内部齿轮进行标准更换，重新对齿轮轴强度分析，对回转支承的驱动采用了双惰轮驱动，满足了轮齿强度。对减速机制动离合器进行了设计。 对泵送系统的工作情况进行分析，设计液压回路并实现电气控制自动化。 专题为对臂架系统Pro/E中的三维实现，运动学仿真和动力学仿真。也对重要构件用ANSYS进行了结构分析。 2 混凝土泵车的总体设计 混凝土泵车的种类很多，但其基本组成部件是相同的，混凝土泵车主要由底盘、臂架系统、转塔、泵送机构、液压系统和电气系统六大系统组成，如图2.1所示。 1-底盘；2-臂架系统；3-转塔；4-液压系统；5-电气系统；6-泵送机构 图2.1 混凝土泵车总图 其中底盘由汽车底盘、分动箱和副梁等部分组成； 臂架系统由多节臂架、连杆、油缸和连接件等部分组成； 转塔由转台、回转机构、固定转塔（连接架）和支撑结构等部分组成； 泵送机构由主油缸、水箱、输送缸、砼活塞、料斗、S阀总成、摇摆机构、搅拌机构、出料口、配管等部分组成； 电气系统主要由控制柜、遥控器及电气元件等部分组成。 混凝土泵车的表示方法如图2.2所示。 图2.2 混凝土泵车表示方法 混凝土泵装在底盘的尾部，以便混凝土搅拌运输车向泵的料斗卸料。如图2.3所示：混凝土搅拌车卸料到泵车料斗后，由其泵送机构压送到输送管，经末端软管（件15）排出。各节臂架的展开和收拢靠各节臂架油缸来完成。其中臂架中的1#臂架（件7）的仰角可在范围内摆动。2#臂架（件10）和3#臂架（件12）可摆动。四节臂架依次展开，其中4#臂架（件14）的动作最为频繁，它可以摆动左右，其末端软管在工作时应尽可能靠近工作部位，同时臂架可以通过回转马达及其减速机驱动回转轴承绕固定转塔旋转。 1-泵送机构； 2-支腿； 3-配管总成； 4-固定转塔； 5-转台； 6-1#臂架油缸； 7-1#臂架； 8-臂架输送管； 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-软管 图2.3 37m泵车工作示意图 2.1泵车臂架系统设计 臂架系统用于混凝土的输送和布料。通过臂架油缸伸缩，转台转动，将混凝土经由附在臂架上的输送管，直接送达臂架末端所指位置即浇注点。以混凝土泵车臂架参考，其在一个固定点的某一平面的工作范围图如图2.4所示。 图2.4 混凝土泵车臂架工作范围 2.1.1臂架折叠方式 臂架系统主要由多节臂架、连杆、油缸、连接件铰接而成的可折叠和展开的平面四连杆机构组成，根据各节臂架间转动方向和顺序的不同，臂架有多种折叠型式，如：R型、Z型（或M型）、综合型等。各种折叠方式都有其独到之处。R型结构紧凑；Z型臂架在打开和折叠时动作迅速；综合型则兼有前两者的优点而逐渐被广泛采用。具体的结构型式如图2.5所示。 图2.5 臂架折叠型式 本设计采用的折叠方式如图2.6所示，为RZ混合型，接合了结构紧凑和折叠迅速的特点。 图2.6 综合型臂架折叠 2.1.2臂架结构特点特点 臂架可简化为一个细长的悬臂梁，其主要载荷为自重。它要求臂架强度大、刚性好、重量轻、因此，臂架的结构一般设计成四块钢板围焊而成的箱型梁，材料选用高强度细晶粒合金结构钢。为充分利用高强度钢优良的力学性能，按梁上各处应力趋于一致的原则，将梁设计成渐变梁。具体型式如图2.7所示。 图2.7 臂架的典型型式 2.1.3连杆的结构 连杆一般为直杆或弓形的二力杆，也有三角结构的连杆，如图2.8所示。 图2.8 连杆的几种典型形式 2.1.4臂架油缸结构型式 各节臂之间用液压油缸支撑，油缸为臂架运动提供动力，它有压力有推动活塞前后运动，从而驱动平面四连杆机构中的臂架绕铰接轴转动。缸体的进油口应设有液压锁，以防治液压软破裂时发生臂架坠落事故。具体结构如图2.9所示。 1—端盖， 2—阀安装板； 3—缸筒； 4—支撑环； 5—密封圈； 6—活塞； 7—活塞杆； 8—端盖； 9—压板； 10—耳环 图2.9 油缸的结构简图 臂架油缸的行程控制由PLC控制单元智能控制，综合考虑，不再为臂架油缸设置缓冲装置。 2.2泵车转塔结构 转塔主要由转台、回转机构、固定转塔（连接架）和支撑结构等几部分组成。转塔安装在汽车底盘中部，行驶时其载荷压在汽车底盘上；而泵送时，底盘轮胎离开地面，底盘和泵送机构也挂在转塔上。整个泵车（包括底盘、泵送机构、臂架系统和转塔自身）的载荷由转塔的四条支腿传给地面。臂架系统安装在转塔上，转塔为臂架提高一个稳固的底座，整个臂架可以在这个底座上旋转，每节臂架还能绕各自的轴旋。