工業(yè)再設(shè)計(jì)方案實(shí)例：混凝土泵車臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1、工業(yè)再設(shè)計(jì)實(shí)例：混凝土泵車臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)- 機(jī)械制造論文工業(yè)再設(shè)計(jì)實(shí)例：混凝土泵車臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)供稿 / 安世亞太一、引言2015年 8 月，安世亞太和蘇氏集團(tuán)結(jié)為戰(zhàn)略聯(lián)盟，正式啟動了工業(yè)品再設(shè)計(jì)戰(zhàn)略，共同打造基于工程仿真和精密鑄造工藝的工業(yè)品再設(shè)計(jì)體系。再設(shè)計(jì)是一種全新的設(shè)計(jì)思想和方法，指的是讓設(shè)計(jì)回歸市場客戶需求本源，重新審視原始設(shè)計(jì)，以最自然的方式來探索設(shè)計(jì)的本質(zhì)。再設(shè)計(jì)包括對已知產(chǎn)品的改良和從無到有的創(chuàng)造，之所以能做到再設(shè)計(jì)，往往是由于突破性的新技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)和成熟。那么，再設(shè)計(jì)體系到底有什么不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的神奇之處呢？是如何幫助和促進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的跨越式創(chuàng)新？又會給企業(yè)帶來什么樣的經(jīng)

2、濟(jì)效益？下面就讓我們通過一個真實(shí)的工程案例，來感受一下再設(shè)計(jì)的作用和效果。二、工程背景臂架式混凝土泵車如圖1 所示（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(tǒng)、布料臂架系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及底架等六大部分組成。泵車借助臂架系統(tǒng)將混凝土的水平輸送和垂直輸送結(jié)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(shè)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(yè)現(xiàn)場輸出混凝土。泵車性能優(yōu)越，效率高，機(jī)動性好，在現(xiàn)代建筑施工等諸多領(lǐng)域有著不可替代的作用。臂架系統(tǒng)是泵車中最重要的核心部件之一，泵車臂架具備折

3、疊、回轉(zhuǎn)和變幅等功能，在臂架所能到達(dá)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行布料，實(shí)現(xiàn)了布料范圍廣、澆筑速度快、澆筑質(zhì)量高、機(jī)動性好和工人工作強(qiáng)度低等目標(biāo)。三、面臨挑戰(zhàn)臂架結(jié)構(gòu)是否合理直接影響泵車的工作性能和作業(yè)穩(wěn)定性。臂架系統(tǒng)不僅需要具備相當(dāng)?shù)恼w剛度和強(qiáng)度，還必須具備出眾的工作適應(yīng)性和可靠性。因此，泵車臂架的設(shè)計(jì)和制造有嚴(yán)格的要求，對泵車臂架的研究是十分必要的。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)一般認(rèn)為臂架是一種細(xì)長的懸臂梁，非作業(yè)狀態(tài)下，其主要載荷為自重。工作狀態(tài)下，其主要載荷要加上混凝土的重量，因此為了確保臂架的機(jī)械性能，使其滿足施工需要，特別是要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度大、剛度好和重量輕的要求，臂架結(jié)構(gòu)一般為四塊鋼板搭接拼焊的箱型梁，材料多選擇高強(qiáng)

4、度合金鋼。臂架改進(jìn)前的原始模型和局部的細(xì)節(jié)如圖2、3 所示。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，由于必須滿足穩(wěn)定性和剛性等要求，同時滿足經(jīng)濟(jì)性要求，因此臂架設(shè)計(jì)一般選用鋼材料。過早疲勞是臂架最常見的失效形式，這是因?yàn)殇摰谋戎乇容^大，出于最大限度地提高材料利用率的考慮，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)會通過變截面、變材料厚度來減輕整體臂架的重量，會出現(xiàn)孔洞、溝槽和凹角等截面突變的結(jié)構(gòu)，從而不可避免地出現(xiàn)鋼材應(yīng)力集中等問題。同時傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無法擺脫舊有工藝的限制，必須采用焊接等加工方法，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)一步下降，也對結(jié)構(gòu)形式提出了新的要求，即保證在相關(guān)部位不出現(xiàn)過高的應(yīng)力集中的狀況。四、采取的解決方案再設(shè)計(jì)是如何做到這一點(diǎn)的呢？在本案

5、例中，鋼材之所以無法替換為其他材料，主要的原因是找不到同樣機(jī)械性能的材料，或者找到的材料無法加工，或需要很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)，或者在舊有工藝條件下無法加工。而再設(shè)計(jì)所依賴的蘇氏精密鑄造技術(shù)歷經(jīng)二十余年的發(fā)展，在傳統(tǒng)失蠟熔模精密鑄造工藝基礎(chǔ)上對所有工藝流程經(jīng)過100多項(xiàng)微創(chuàng)新，最大限度地杜絕了傳統(tǒng)鑄造工藝容易產(chǎn)生的質(zhì)量問題，尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量均全面超越國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了“無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造”這一目標(biāo)。臂架再設(shè)計(jì)后的模型如圖4 所示，鑄造鋁合金材料（ZL114A ）替代原有的高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼（Q690D ），同時在壁板內(nèi)壁增加了加強(qiáng)筋，采用蘇氏精鑄技術(shù)進(jìn)行一體化制造成型。改進(jìn)后，一體化設(shè)

6、計(jì)比原始設(shè)計(jì)減重54% ，泵車舉高可以從56 M 突破性地提升到80 M 。一體化成型避免了焊接，其強(qiáng)度更為可靠，有限元仿真結(jié)果也更加精確，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。同時仿真分析表明，新的臂架設(shè)計(jì)應(yīng)力水平下降，強(qiáng)度儲備提高。分析結(jié)果如圖5 所示。即使在載荷變化的情況下，考慮到末端臂板改用鋁合金材料，按同樣的減重比例，變形分析結(jié)果如圖6 所示。五、實(shí)際效益懸臂結(jié)構(gòu)采用減厚加筋結(jié)構(gòu)，由鋼結(jié)構(gòu)變?yōu)殇X合金，采用蘇氏精密鑄造技術(shù)整體成型，在不降低性能指標(biāo)的前提下，主軸重量減少54% ，泵車舉高從56M 提升到 80M。采用蘇氏一體化制造工藝，省略了焊接環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)有精確的近凈形尺寸精度與形位公差，減少了后續(xù)的機(jī)械加工甚至免加工，可實(shí)現(xiàn)使用過程中的高效率替換和維修。六、結(jié)語長期以來，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是基于已有工藝定型的。如果一件產(chǎn)品被設(shè)計(jì)出來，卻由于工藝的局限而無法被制造或量產(chǎn)，那么設(shè)計(jì)創(chuàng)新就淪為空談。制造約束產(chǎn)品創(chuàng)新在中國許多傳統(tǒng)制造行業(yè)普遍存在。安世亞太的精益研發(fā)、工程仿真技術(shù)與蘇氏精密