車載式布料機臂架系統(tǒng)設計說明

1、摘 要18米車載式布料機是一種由汽車底盤、混凝土輸送泵、可回轉和折疊伸縮的布料臂架系統(tǒng)等組成的高效混凝土澆筑設備。其中最重要的部件就是臂架系統(tǒng)，它負責將混凝土通過臂架上的輸送管輸送到各種復雜的建筑施工位置；它的布料性能體現(xiàn)在高效的工作適應性、靈活便捷的操作和機構、結構的高可靠性。 18米車載式布料機是一個專門服務于農(nóng)村房屋和橋梁施工的短臂架產(chǎn)品，此產(chǎn)品的研發(fā)要求以二軸(橋)底盤上的最長18米臂架為餌標進行產(chǎn)品研發(fā)、分析與優(yōu)化。論文以農(nóng)村實際建設為依托，以設計出優(yōu)質、高效18米布料臂架系統(tǒng)為目標，圍繞材料力學分析、動力學分析與機械系統(tǒng)控制設計等方面中的關鍵技術問題進行了研究。關鍵詞：車載式布料機

2、；臂架系統(tǒng)；短臂架 AbstractConcrete pump is the efficient concrete pouring equipment that consist of chassis、concrete pump、rotatable and collapsible telescopic cloth boom system. The most important part of the concrete pump is the boom system which transported concrete to the location of a variety of complex

3、 construction through the boom on the concrete pipes. In addition, the performance fabrics of the boom system works efficient、safe and adaptable,flexible and convenient to operate. 18m pump is the product that specialized service in the construction of rural houses and bridges short jib. The researc

4、h、analysis and optimization of the 18m pump is with two axes (bridge) on the chassis of the longest 18 meters boom as standard bait. Around the mechanics of materials analysis, dynamic analysis and structural optimization design and mechanical control system design and other aspects of the key techn

5、ical issues, the research rely on the actual construction of rural, aim to design a high quality, efficient 18 m boom pump system.Keywords: Vehicle-mounted spreader; Boom system;Short boom目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 車載式布料機介紹11.2 車載式布料機的發(fā)展概況21.3 短臂架布料機的現(xiàn)狀與趨勢41.4 課題來源與設計容51.4.1 課題來源51.4.2 設計容6第2章 方案論證

6、72.1設計目標72.2 方案的擬定72.2.1 布料機樣式的確定72.2.2 布料機臂架基本參數(shù)的確定82.3 整體方案9第3章 泵車臂架系統(tǒng)103.1 臂架載荷分析103.2 臂架的設計原則103.3 臂架具體參數(shù)的計算103.3.1 節(jié)臂3尺寸與其鉸接零件尺寸的計算113.3.2 節(jié)臂2尺寸與其鉸接零件尺寸的計算213.3.3 節(jié)臂1尺寸與其鉸接零件尺寸的計算313.4 回轉支撐裝置的選擇433.4.1 載荷的確定443.4.2 回轉支承裝置的受力分析443.4.4 回轉支承裝置的強度計算463.5 回轉驅動裝置的選擇與其傳動分析473.5.1 回轉阻力矩計算47第4章 液壓系統(tǒng)的設計4

7、94.1 液壓系統(tǒng)工作原理494.2 系統(tǒng)的動作要求如下504.3 PLC的選擇504.3.1 PLC品牌的選擇504.3.2 S7-200系列CPU的選擇514.3.3 PLC的I/O資源配置524.4 控制系統(tǒng)硬件連線圖54結 論55致 56參考文獻57CONTENTS摘 要2Abstract3Chapter 1 Introduction61.1 Fabric machine Introductionn61.2 Vehicle overview of the development is the fabric machine71.3 status and trends of the Sho

8、rt boom pump91.4 Source topics and Design content101.4.1 Source topics101.4.2 Design content11Chapter 2 Demonstration program122.1Design Goals122.2 Program development122.2.1Determination of fabric machine style122.2.2Pump truck boom determine the basic parameters132.3Overall program14Chapter 3 Pump

9、 truck boom system153.1 Boom load analysis153.2 design principles of the boom153.3 Calculation of specific parameters of the boom163.3.1 Its hinged arm three dimensions part size calculation173.3.2 Size and hinged arm 2 part size calculation273.4 selection of the rotary support device493.4.1 load de

10、termination493.4.2 Stress Analysis of slewing device503.4.4 calculations of the Slewing unit strength523.5 selection and Transmission Analysis of the Rotary drive device 533.5.1 calculation of the Rotary drag torque53Chapter 4 Hydraulic System Design554.1 theory of Hydraulic System554.2 requirements

11、 of Operation of the system564.3 Selection of the PLC564.3.1 Selection of the PLC brand564.3.2 Selection of the S7-200 series CPU 574.3.3The PLC I / O resource allocation584.4 Control system hardware connection diagram59 Conclusion62Thanks63References6457 / 64第1章 緒論1.1 車載式布料機介紹車載式布料機,也可以稱作臂架式混凝土泵車,可

12、以將它定義為:將混凝土泵和液壓折疊式臂架都安裝在汽車或拖掛車底盤上,沿著臂架架設輸送的管道,通過最末端的軟管,最終輸出混凝土的設備1?；炷帘密嚨幕窘Y構見圖1-1。1、底盤部分 2、回轉機構 3、液壓部分4、臂架系統(tǒng) 5、泵送系統(tǒng) 6、底架 圖1-1 混凝土泵車的基本結構圖泵車臂架擁有折疊、回轉與變幅的功能，因此實際應用中能夠在臂架所能與的區(qū)域進行布料。泵車應用于建筑施工作業(yè)之中,能夠非常便捷、合理的應用于各種混凝土輸送情況,特別是垂直輸送的情況,既可以完成混凝土現(xiàn)場的輸送，又可以兼顧布料作業(yè)，且能保證二者同時進行,具有非常良好的泵送性能、布料圍廣泛、澆筑的速度快、澆筑質量高、保持現(xiàn)場工作環(huán)

13、境的清潔、減輕作業(yè)人員工作的強度、機動性好和轉移方便等諸多優(yōu)點,所以得到人們的普遍青睞2。特別是在基礎和低層施工以與頻繁轉移工地的時候,能夠更好的凸顯出它的優(yōu)越性。只要是在臂架活動圍之,就可以任意地改變混凝土的澆筑位置,而不需要在現(xiàn)場鋪設臨時的管道,這樣就可以大大的縮短鋪助時間,進一步提高工作效率。當混凝土澆筑的需求量很大或者超大體積、超厚基礎混凝土的需要一次性澆筑時,泵車的優(yōu)勢就體現(xiàn)的更為明顯3。目前,稍大規(guī)模的混凝土施工大都使用泵車泵送技術,特別是國家重點建設項目。泵車的使用圍已經(jīng)拓展至水利、水電、地鐵、橋梁、大型基礎、高層建筑和民用建筑等工程。早已成為泵送混凝土施工機械的首選機型,在建筑

14、施工過程中必不可少。泵車是由汽車底盤、混凝土輸送泵和臂架系統(tǒng)等組成用于輸送混凝土的專用車輛,一般情況下,我們可以大致將混凝土泵車看做由六大部分組成:底盤部分、泵送系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、回轉機構、底架4。1.2 車載式布料機的發(fā)展概況混凝土泵的研究最早開始于德國，1907年德國就開始研究混凝土泵，并有人取得專利權。此后，與1913年美國也有人制造出混凝土泵樣機并取得專利。至1930年，德國制造了立式單杠的球閥活塞泵，這種泵由曲柄和搖桿傳動，工作性能較差，使用價值不大。到1932年荷蘭人庫依曼制造出臥式缸的庫依曼型混凝土泵，成功的解決了混凝土泵的構造原理問題，大大的提高了工作的可

15、靠性。此后混凝土泵即進入小規(guī)模的試用階段5。第二次世界大戰(zhàn)之后，各國陸續(xù)開始經(jīng)濟恢復工作，建筑工程規(guī)模日益擴大，混凝土泵的銷路較好，應用日漸增多。五十年代中葉，聯(lián)邦德國的托克里特（Torket)公司首先發(fā)展了用水作為工作液體的液壓缸，使混凝土泵車進入一個新的發(fā)展階段。1959年，聯(lián)邦德國的施文英公司生產(chǎn)出第一部全液壓的混凝土泵，它用油作為工作液體來驅動活塞和閥門，使用后用壓力水沖洗泵和輸送管。這種液壓泵功率大，排量大，運輸距離遠，可做到無級調節(jié)，泵的活塞還可逆向動作以減少堵塞的可能性，因而使混凝土泵的設計、制造和泵送施工技術日趨完善。此后，為了提高混凝土泵的機動性，在六十年代中期又研制了混凝土

16、泵車，并配備了可以回轉和伸縮的布料桿，使混凝土泵的澆筑工作更加靈活多變。在活塞式混凝土泵不斷完善的過程中，美國的查倫奇一考克兄弟(ChollengecookBors)公司于1963年又研制了一種新型的擠壓式混凝土泵6。這種泵的工作原理與活塞式混凝土泵迥然不同，它是利用轉動的滾輪擠壓軟管中的混凝土混合物而進行輸送的6?；炷帘冒打寗臃绞椒譃榛钊交炷帘煤蛿D壓式混凝土泵兩種?；钊交炷帘檬菓米钤缫彩亲钣邪l(fā)展前途的一種混凝土泵?；钊交炷帘弥?，根據(jù)驅動力的不同，又有機械式活塞泵和液壓式活塞泵之分。擠壓式混凝土泵在六十年代后期盛行，但是由于這種混凝土泵的排量較小，輸送距離不如活塞式大，因而應用

17、逐漸減少7?；炷帘酶鶕?jù)其能否移動以與移動的方式，分為固定式、拖動式和汽車式。汽車式混凝土泵，其工作機構裝在汽車底盤上沮都帶有布料桿，移動方便，機動靈活，移至新的工作地點不需要進行太多準備工作即可進行澆筑，因而是目前大力發(fā)展的機種8。 泵車產(chǎn)品以德國施文英(Schwing)和塞勒(Scheele)公司最為著名，另外意大利、日本、美國等一些國家的泵車產(chǎn)量也有一定規(guī)模。近年來，泵車產(chǎn)品日趨完善，泵車臂架節(jié)數(shù)由最早的2-3節(jié)變?yōu)?-6節(jié):臂架長度由十幾米變?yōu)樗氖嗝祝L臂架達到62米;混凝土的理論輸送量由40m3/h 增至200m3/h 。泵送混凝土的壓力也由2.5MPa變?yōu)?2MPa9。在我國，

18、泵車的設計與生產(chǎn)的時間不長，設計和制造水平相對較低。為了迅速縮短我國與國外先進國家設計和制造混凝土泵車的差距，國許多廠家紛紛與國外知名公司合作生產(chǎn)混凝土泵車。其中有代表性的廠家有工程機械廠(與德國合作)，城市建設工程機械廠(與意大利合作)，海城建設機械廠(與德國LSB公司合作)，建設機械股份(與日本合作)等實現(xiàn)混凝土的商品化生產(chǎn)是我國建筑產(chǎn)業(yè)中的重大國策。商品混凝土由混凝土攪拌站的攪拌樓集量生產(chǎn)，由專用輸送設備運至施工工地，再用泵送、布料等設備實現(xiàn)澆筑。在這一過程中餛凝土泵車扮演著重要角色，它可以一次同時完成現(xiàn)場混凝土的輸送和布料，具有泵送性能好，布料圍大，能自由行走，機動靈活和轉移方便等特點

19、。尤其是在基礎、低層施工與需要頻繁轉移工地時，使用混凝土泵車更能顯示其優(yōu)越性。另外在泵車臂架活動圍可以任意改變澆筑位置，不需在現(xiàn)場臨時鋪設管道，節(jié)省輔助工時，提高工效。特別是在混凝土澆筑需求量大，超大體積與超厚基礎混凝土的一次澆筑和質量要求高的工程中效果更加顯著。如新國際大廈底板混凝土17000m2，用12臺混凝土泵車，64h澆筑完畢；1995年10月建工集團總公司集中了36輛混凝土泵車用于世界貿(mào)易商城基礎底板的一次性澆筑施工，連續(xù)26h共澆筑混凝土2.4萬m，這些都表明了混凝土泵車在現(xiàn)代施工中所起的重要作用10。1.3 短臂架布料機的現(xiàn)狀與趨勢中國現(xiàn)在是世界上最大的混凝土機械生產(chǎn)國，也可以說

20、是一個混凝土機械生產(chǎn)的強國。就混凝土泵車這一塊而言：首先從數(shù)量上看，我國的產(chǎn)量占世界市場的絕對優(yōu)勢，三一、中聯(lián)單個企業(yè)一年的混凝土泵車的生產(chǎn)量就可滿足全歐洲一年的需求；其次從品種上看，臂架長度從22米到58米的各種型號均有，2006年三一重工還研制出了世界上臂架最長的66米泵車；從技術水平上看，雖然局部的如液壓元件，結構件疲勞計算技術還落后于歐洲公司，但整車設計水平已經(jīng)領先，作為銷售的主流三橋和四橋底盤泵車，國的臂架長度都能做得更長，在海外市場更具競爭力。從市場銷售上看，雖然在產(chǎn)品的穩(wěn)定性和工藝方面還不如國外，但在性價比、售后服務等方面，具有明顯的競爭優(yōu)勢，且產(chǎn)品設計更加符合國或者銷售地國家的

21、實際施工情況11。 短臂架泵車是指臂架長度在30米以下的，采用二橋或三橋底盤的泵車。在國外，短臂架泵車依然在市場上保持相當大的份額。以德國施維英為例，我們可以看到其臂架型譜在短臂架上有KVM244H、KVM26-4、KVM28 X等型號可選。而意大利的塞瑪(SERMAC)的最新資料上也有3222、4226、5232、4R32等中短型號供選擇，甚至還有2218、3224、4228這樣的泵車和攪拌輸送車整合的產(chǎn)品。反觀近年我國的臂架式混凝土泵車的市場中，中短臂架泵車所占份額卻非常低。究其原因，首先是國商品混凝土供貨商在向建筑商銷售商品混凝土時基本是同時提供泵車泵送服務的?；炷恋慕Y算每噸單價是與泵

22、車臂長緊密結合的，臂架越長越貴。這就使得本來屬于短臂架泵車的市場被三十多米的中長臂架泵車所侵占；其次泵車生產(chǎn)廠商更愿意用有限的投入去生產(chǎn)和銷售更高附加值的長臂架泵車以賺取更大的利潤。但是我們應該清楚的看到，短臂架泵車的發(fā)展窘境在近年中國混凝土機械市場是比較特殊的，隨著混凝土泵車市場的進一步成熟，短臂架泵車必將迎來一個高速發(fā)展期。原因如下：(一)、混凝土泵車市場利潤巨大，吸引許多其他行業(yè)的投資和廠商進入。但較高的技術和資金門檻，使得短臂架泵車自然成為進入此行業(yè)的突破口；(二)、隨著商品混凝土市場的進一步成熟，用戶群與其的設備功能開始細分。更多如別墅、涵洞、地溝等適合短臂架泵車的建筑施工方希望商品

23、混凝土供貨商用成本更低的短臂架泵車施工。而短臂架泵車的靈活機動、集成車載泵等多功能的特點也大大拓展了自己的市場；(三)、2005年”十一五”規(guī)劃確定了鐵路建設為主要目標：新建鐵路1萬公里，2010年，全國鐵路營業(yè)里程將達到8.5萬公里。其中橋梁箱梁、橋墩，無碴軌道的道床澆筑都是短臂架泵車的強項12。這一巨大的市場立即吸引了眾多各類設備提供商的眼球。1.4 課題來源與設計容1.4.1 課題來源隨著經(jīng)濟的發(fā)展，大量的農(nóng)民工在城里獲得不少財富?；谥袊加新淙~歸根的傳統(tǒng)思想，很多通過勞動經(jīng)商致富的農(nóng)民都回到農(nóng)村建房。尤其在南方普遍的農(nóng)民都擁有一套鄉(xiāng)間小別墅，中國擁有龐大的農(nóng)村人口。因此農(nóng)村的住房建設

24、量是非常大的，如果能把泵車技術引進農(nóng)村建設中將回帶來巨大的經(jīng)濟效益。但是農(nóng)村的羊腸小道對于布料機的進出影響很大而導致農(nóng)村建設水平和速度一直處于二十世紀末的水平。針對這種情況，應根據(jù)農(nóng)村具體實際去設計適合農(nóng)村建設的混凝土泵車。1.4.2 設計容計算節(jié)臂長度分別為5.5-5.5-4的臂架的具體截面尺寸與臂架與臂架鉸接處的所用的銷釘直徑。根據(jù)具體的受力情況選擇合適行程與缸徑的液壓缸。 根據(jù)計算結果在Pro/E中畫出立體圖并裝配出來，最后在Pro/E中模擬仿真運動。 選擇相應的控制器設計出相應的液壓控制系然后在PLC編寫控制程序與畫出相應的控制電路圖。第2章 方案論證2.1設計目標 為適應農(nóng)村建設的需

25、要，本次設計的目標是設計一款短臂架、適合穿行鄉(xiāng)村羊腸小道的小型高效的混凝土布料機。2.2 方案的擬定2.2.1布料機樣式的確定 1 手動式布料機 手動式布料機完全由人工操作，具體機構簡單、機動靈活、操作方便、價格低廉，適合于混凝土平面澆注施工，目前市場較大，整機可繞回轉支座回轉，臂架分為兩段，后臂可繞前臂回轉，兩處回轉組合可實現(xiàn)臂長圍的連續(xù)布料。兩外，伸縮支腿可調節(jié)高度和長度，立架可拆卸，以滿足不同的施工要求。 2 塔式布料機 塔式布料機布料半徑大，布料臂2-5節(jié)，一般采用液壓式，也有少量機械式，根據(jù)施工現(xiàn)場的不同，可選用固定式、爬式、行走式。塔式布料機以管柱爬式為主。 3 船用布料機 工作環(huán)

26、境濕度大，海風含鹽分，腐蝕性大，電氣系統(tǒng)容易出故障。要求在七級海風、船舶傾斜度3度、船體震動的條件下正常工作。船體傾斜和擺動使整機產(chǎn)生附近載荷，影響布料機的動態(tài)特性。船用布料機廣泛應用與港口、橋梁的建設，特別在跨海大橋的建設中發(fā)揮了巨大作用。 4 車載式布料機 車載式布料機是將布料桿安裝在載重汽車底盤上的混凝土布料設備，由低架、布料桿、液壓缸連桿機構、等組成。 布料桿是由采用低合金高強度薄鋼板組焊接的矩形斷面鋼結構臂架組成。布料桿一般是由4節(jié)臂架鉸接構成，各節(jié)臂架長度不一，視組合構造需要而定。整個布料桿采用液壓缸進行架設，可以垂直豎立，也可以水平伸出。臂架與臂架之間通過鉸接相連。前一節(jié)臂架可圍

27、繞后一節(jié)臂架前段的鉸點進行轉動，借助液壓缸連接桿機頭實現(xiàn)伸展和折疊。第一、二折疊角為180度，第三、四折疊角為240-250度，整個不料桿可以轉動370度。因此，布料桿的活動面大，有效圍大，深受施工單位歡迎。由于本次設計的目標是農(nóng)村建設因此布料機需要經(jīng)常轉換施工地點，而且在農(nóng)村也缺少適合吊裝布料桿系統(tǒng)的起重機因此在樣式上選擇車載式布料機也就是泵車。2.2.2 布料機臂架基本參數(shù)的確定 臂架系統(tǒng)的基本參數(shù)主要有：節(jié)臂數(shù)、垂直布料高度（m）、水平布料半徑（m）、折疊方式。因本產(chǎn)品主要是針對農(nóng)村地區(qū)建設而設計的混凝土布料系統(tǒng)，所以臂架的節(jié)數(shù)、每節(jié)臂架的長度、旋轉角度角度、都要要根據(jù)廣農(nóng)村地區(qū)的具體路

28、況與其樓房建設高度去設定。從而使該布料系統(tǒng)能適應大部分的鄉(xiāng)村建設。具筆者考察，農(nóng)村地區(qū)的路面寬度主要在3米，轉彎半徑在5米。主要通行的車輛一般長度都在6米；樓房層數(shù)一般為3層，每層高3.8米?？偢咭话阍?2左右。綜合上述，為適應農(nóng)村建設的需求，該產(chǎn)品的臂架系統(tǒng)的基本參數(shù)設置主要如表2-1，2-2，2-3所示。表2-1 臂架系統(tǒng)基本參數(shù) 節(jié)臂數(shù)垂直布料高度（m）水平布料半徑（m） 折疊方式 3 20.3 18 M表2-2 臂架系統(tǒng)基本參數(shù) 長度（m） 擺角()節(jié)臂15.55 162節(jié)臂25.55 180 節(jié)臂34.18+3（三米可拆裝） 180表2-3 臂架系統(tǒng)主要參數(shù)最論輸出量（m/h）20泵

29、送液壓系統(tǒng)額定壓力（MPa）20允許最大骨料粒(mm)碎石40臂架管徑（mm）125最大布料高度（m）20.2最大布料半徑（m）18.3最大布料深度（m）16.3末端軟管長度（m）3液壓系統(tǒng)壓力（MPa)16臂架回轉角度（）3602.3整體方案根據(jù)臂架系統(tǒng)的基本參數(shù)最后確定整體方案，方案簡圖如圖2-1所示如圖2-1第3章 布料機臂架系統(tǒng)3.1 臂架載荷分析與設計原則泵車臂架所承受的交變載荷為脈動循環(huán)載荷，其主要來源于泵送系統(tǒng)，分兩個方面，一是主油缸推送混凝土時通過輸送管而傳遞給臂架的，它的方向根據(jù)輸送配管的走向改變而改變，使臂架受力變得臂架復雜難以計算；其二是來自S閥換向擺動油缸的橫向沖擊；另

30、外，回轉系統(tǒng)頻繁的啟動和制動過程對比較產(chǎn)生的慣性力，也是臂架一個主要的動載荷來源；還有臂架系統(tǒng)自重（包括作業(yè)期間輸送管的混凝土的重量）應力，也是一個十分重要的力源，至于發(fā)動機與傳動軸高速旋轉所產(chǎn)生的振動也會對臂架抖動產(chǎn)生微弱影響，相對泵送系統(tǒng)、回轉系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)自重的影響來說可以忽略不計。因此，在進行臂架系統(tǒng)設計時，主要針對泵送系統(tǒng)、回轉系統(tǒng)動載荷和臂架系統(tǒng)自重可能對臂架結構產(chǎn)生的不利影響來對臂架系統(tǒng)的具體機構尺寸使其的強度、剛度、穩(wěn)定性得到保證。 關于臂架系統(tǒng)的開發(fā)和探究歷來都是工程師們關心的核心問題之一。一方面我們希望臂架系統(tǒng)擁有滿足需求的整體強度、剛度,同時對于工作環(huán)境能夠有非常強的適應

31、能力兼?zhèn)漭^高的可靠性,另一方面動態(tài)特性也要比較合理,機動性較強。為了滿足臂架結構的穩(wěn)定性、強度、剛度等各方面要求,但是泵車臂架的結構樣式很多,為了能夠得到、選用一個較好的臂架,我們應當遵循下列原則:(1)擁有滿足要求的穩(wěn)定性、強度和剛度;(2)重量盡可能小,盡可能輕便;(3)在條件、技術允許情況下,臂架的伸展高度盡可能大,獲得更大的布料圍;(4)水平長度長,凈水平長度盡可能長;(5)大的下探深度;(6)臂架打開的高度較低;(7)布料方式較為靈活;(8)結構樣式緊湊;(9)定位精準,誤差較小;(10)臂架外形盡可能美觀,滿足視覺要求等3。3.3 臂架具體參數(shù)的計算本次設計的臂架為由合金鋼板焊接而

32、成的箱型斷面結構，但是鑒于臂架的具體尺寸都是未知的，而臂架的水平受力大小主要取決于臂架垂直方向的受力。故本次設計計算中先忽略臂架所受的水平彎矩和扭矩，只考慮臂架每一處所受的彎矩。先算出主要用于承受垂直方向彎矩的那一部分截面的尺寸也就是截面的高度y，臂架的截面如圖2-1，再針對臂架所受的扭矩、水平方向彎矩計算臂架整個截面的具體尺寸。圖3-1 臂架截面3.3.1 節(jié)臂3尺寸與其鉸接零件尺寸的計算1 臂架截面高度y的計算第三節(jié)臂架垂臂架承受的垂直方向的載荷主要有：臂架自重、臂架管道與其混凝土的重力。它們的位置與其節(jié)臂3計算簡圖如圖3-2： 式中G1節(jié)臂3的臂架管與其管混凝土的重量， G2軟管與其管混

33、凝土和人工牽引力等效作用力，L13臂架管與其管混凝土重心相對節(jié)臂3鉸接點的距離L23臂架管支撐點到B3鉸接處的距離 L33軟管與其管混凝土等效重心到節(jié)臂3鉸接處的距離 Kd動載荷系數(shù)，一般取 節(jié)臂3上的載荷分布簡圖如圖3-2：圖3-2 節(jié)臂3的受力分析與具體尺寸位置簡圖因為臂架系統(tǒng)除了支撐臂架管外，主要支撐的還有自身的重量。如果設計的是普通的等截面尺寸的臂架，這樣不僅會大大增加臂架的自身重量浪費材料而且還會增加臂架的不穩(wěn)定性與其降低工作效率。這些在都不利于該機械的推廣和減低它自身的競爭力。因此本節(jié)設計的重點是利用微積分去算出在截面寬度一定時對應的高度恰好為多少時可使整個臂架每一處能承受的最大彎

34、矩都一樣。這樣就能充分發(fā)揮每一處材料的作用。鑒于臂架主要承受的載荷是垂直方向上的彎矩、而根據(jù)具體的推算在材料橫截面積一定時，高度越大其承受的垂直方向的彎矩越大。根據(jù)臂架設計經(jīng)驗，本次設計中采用的是厚度為0.016m的Q550低合金高強度鋼板。在以節(jié)臂3與節(jié)臂2鉸接處為笛卡爾坐標系原點時，XYZ軸的分布如圖3-1所示。根據(jù)材料力學分析在考慮臂架自身重量時，臂架承受的彎矩有兩部分組成：1臂架自身重力產(chǎn)生的彎矩MB、2臂架管與其管混凝土重力產(chǎn)生的彎矩MA。根據(jù)力學分析可得 （3-1） (3-2) （3-3） （3-4） (3-5)式中Q550鋼板的密度，hQ550鋼板的厚度，Kd動載荷系數(shù)， Q55

35、0的許用應力sQ550的屈服強度，bQ550的抗拉強度，其中 聯(lián)立式子（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）并帶入相應的數(shù)據(jù)可得出式子 （3-6） 該方程在Pro/E中求曲線的編程較復雜，本次設計采取取樣的方式：x軸每隔0.8(m)取一個點，y(m)只取正值。將x點值代入式（3-6）求得一系列相應的y值，如下表（3-4）：表3-4 y隨x在式（3-6）中變化表x00.81.62.43.24y0.11230.0990.0850.0680.0480y=0是因為x=4的位置處不承受彎矩，但這個位置還承受垂直向下大小為5727N的力 故此處應計算滿足剪切力的最小的y值。根據(jù)受力分析

36、可得以下式子： (3-7)(3-8)由式(3-7)、(2-8)求得 2 節(jié)臂橫截面寬度的計算在Pro/E中畫出擬合出該曲線如圖2-3圖3-3 節(jié)臂3截面高度變化曲線圖 通過Pro/E分析出該臂架的水平方向的迎風面積s1為0.336m 其型心距離坐標系原點距離為L43為1.72m、臂架管的迎風面積s2為1.34m （1）節(jié)臂3的風載荷的計算 風力大小的計算由文獻13，23-24表3-5、Pg23表3-6、表3-7知 節(jié)臂3風載荷式中 c風載體型系數(shù)值， Kh高度修正系數(shù)， q標準風壓值，（N/m） s節(jié)臂和臂架管的迎風面積， Ffb3節(jié)臂3本身的風載荷，N Ffg3節(jié)臂3的臂架管的風載荷，N 風

37、載荷產(chǎn)生的水平彎矩的計算式中Mf3由風力引起節(jié)臂3鉸接處的水平彎矩 （2）節(jié)臂3制動載荷的計算 在本次設計中節(jié)臂3端點的切向速度為30m/min,切向加速度a3為0.2m/s13。節(jié)臂3制動力的計算臂架部分因制動產(chǎn)生的慣性力水平彎矩的計算 （3）截面寬度z的計算 （3-9) （3-10） (3-11)連立式子（3-9）、（3-10）、（3-11）并帶入數(shù)據(jù)可求得節(jié)臂3在水平方向承受的最大彎矩處的節(jié)臂寬度z為0.058m根據(jù)上述計算結果在Pro/E中建立節(jié)臂3的三維模型如圖3-4：圖3-4節(jié)臂3的三維模型圖3 臂架鉸接處各部件的選擇與其計算 （1）液壓缸的選擇臂2與臂3的鉸接簡圖如圖3-5所示：

38、圖3-5 臂2與臂3的鉸接簡圖根據(jù)上文的分析知在臂架處于圖3-6的狀態(tài)是臂架3產(chǎn)生的彎矩是最大的，而此狀態(tài)鉸接處的彎矩M為25616.137Nm 根據(jù)文獻14,155表4-37HSG系列工程液壓缸的結構、型號說明和技術規(guī)格查得選用HSG63/45AEEZ1行程為800mm的工程液壓缸。選擇該液的主要數(shù)據(jù)依據(jù)如下：式中 F液壓缸的最大推力由上算出L為0.5134m ，L長短合理可以增加臂架的穩(wěn)定性。因此選擇HSG63/45AEEZ1液壓缸。 （2） 節(jié)臂2、3鉸接處銷釘直徑與其桿1、2截面尺寸的計算 為了保證臂架驅動液壓缸的安全，銷釘與其連桿的計算力矩與其力的來源全部采用臂架自身因各種因素產(chǎn)生的

39、力和彎矩來計算。這樣可以使在液壓缸受到破壞前銷釘或支撐桿先出現(xiàn)問題。銷釘直徑d1、d2的計算： 用于支撐節(jié)臂3的桿2的力偶L4可通Pro/E過找出臂架承受最大彎矩時桿2與臂架的連接簡圖去測量出來，桿2與臂架的連接簡圖如圖3-6所示圖3-6 桿2與臂架的連接簡圖經(jīng)測量得L4為0.1m銷釘采用45#鋼，它的抗拉強度、屈服強度計算銷釘?shù)闹睆剑?由剪切強度條件得：根據(jù)力的相互作用原理可知，在節(jié)臂2與節(jié)臂3連接處的銷釘在材料一樣時它的直徑d2=d1。節(jié)臂3桿2截面的尺寸的計算 根據(jù)分析桿2的長度為0.54m形狀如圖3-7；其立體圖見圖3-8圖3-7 桿2形狀圖由許用壓應力強度條件：得 根據(jù)材料力學分析可

40、知要校核壓桿的穩(wěn)定性，通過分析可用下式計算該支撐桿的直徑。 （3-12） （3-13）（3-14）（3-15）式中 Fcr壓桿的臨界力 nst安全因數(shù)， E45#彈性模量， I慣性矩 壓桿長度系數(shù)，聯(lián)立（3-12）、（3-13）、（3-14）、（3-15）式子并帶入數(shù)據(jù)可得綜合上述計算取根據(jù)計算結果可畫出桿2的具體圖形如圖3-8所示：圖3-8 支撐桿2的具體圖形銷釘直徑d3、d4、d5的計算 節(jié)臂3鉸接處連接桿1的銷釘?shù)氖茏畲罄r的受力簡圖如圖3-9所示：圖3-9 節(jié)臂3鉸接處連接桿1的銷釘?shù)氖茏畲罄r的受力簡圖銷釘采用45#鋼，它的抗拉強度、屈服強度計算銷釘?shù)闹睆?由剪切強度條件得根據(jù)力

41、的相互作用原理可知，在桿1與桿2連接處的銷釘承受的剪切力大小相等方向相反，又由圖3-9知F明顯小于F1，因此有d5=d4=d3= 0.027m。桿1截面尺寸的計算 桿1受到最大拉力時，它的最小截面形狀如圖3-10；其立體圖見圖3-11。圖中材料為45#，.根據(jù)受力分析可得下列式子：桿1受的最大拉力通過上述式子可求得：，取又因為桿1承受的壓力遠小于拉力故不用做考慮，綜上可畫出桿1的立體圖如圖3-11：圖3-11 桿1立體圖3.3.2 節(jié)臂2尺寸與其鉸接零件尺寸的計算1 臂架截面高度y的計算第2節(jié) 節(jié)架垂臂架承受的垂直方向的載荷主要有：節(jié)臂2自重、節(jié)臂3、臂架管與其臂架管混凝土的重力。圖3-12中

42、 式中 G12節(jié)臂2的臂架管與其管混凝土的重量G1節(jié)臂3的臂架管與其管混凝土的重量，G2軟管與其管混凝土和人工牽引力等效作用力，G3節(jié)臂3的重量 G4節(jié)臂2與節(jié)臂3鉸接處液壓缸和支撐桿的重量，L12節(jié)臂2的臂架管與其管混凝土重心相對節(jié)臂2與節(jié)臂1鉸接處的距離 L22節(jié)臂2的臂架管支撐點到節(jié)臂2與節(jié)臂1鉸接處的距離 Kd動載荷系數(shù)，其中節(jié)臂2上的載荷分布簡圖如圖3-12：圖3-12 節(jié)臂2上的載荷分布簡圖 與節(jié)臂3一樣節(jié)臂架2采用的也是厚度為0.016m的Q550低合金高強度鋼板。在以節(jié)臂1與節(jié)臂2鉸接處為笛卡爾坐標原點時，XYZ軸的分布如圖3.1所示。根據(jù)材料力學分析在考慮臂架自身重量時，臂架

43、承受的彎有兩部分組成：1臂架自身重力產(chǎn)生的彎矩MB、2節(jié)臂2與其臂架管與其管混凝土重力對節(jié)臂2的彎矩與整個節(jié)臂3節(jié)臂2彎矩之和MA。根據(jù)受力分析得在X坐標軸處坐標為X的右側（3-15）（3-16） （3-17） （3-18） (3-19)式中 Q550鋼板的密度， hQ550鋼板的厚度， Kd動載荷系數(shù)， Q550的許用應力， sQ550的屈服強度， bQ550的抗拉強度， Mb3節(jié)臂3與節(jié)臂2鉸接的處的彎矩，其中 聯(lián)立式子（3-15）、（3-16）、（3-17）、（3-18）、（3-19）并帶入相應的數(shù)據(jù)可得出式子：（3-20） 該方程在Pro/E中求曲線的編程較復雜，本次設計采取取樣的方式

44、：x軸每隔0.8(m)取一個點，y(m)只取正值。y隨x依式（3-20）變化得表（3-5）：表3-5 y隨x依式（3-20）變化表x00.81.62.43.244.85.55y0.2050.1930.180.1670.1540.1410.1270.112在Pro/E中畫出擬合出該曲線如圖3-13圖3-13 節(jié)臂2截面高度變化曲線圖 2 節(jié)臂橫截面寬度的計算 根據(jù)節(jié)臂3的計算先假定節(jié)臂2的寬度為0.11m通過Pro/E分析當節(jié)臂2的寬度為0.08m時臂架的質量為294kg、水平方向的迎風面積s3為0.936m 其型心距離坐標原點距離為L42為2.621m、臂架管的迎風面積s4為0.744m 其型

45、心坐標具坐標原點的距離為L12為2.775m，質量為317.2kg （1）節(jié)臂2的風載荷的計算風力大小的計算 根據(jù)文獻13,23表3-5、Pg23表3-6、表3-7知 節(jié)臂2風載荷：式中c風載體型系數(shù)值，Kh高度修正系數(shù)， q標準風壓值，（N/m） Ffb2節(jié)臂2本身的風載荷，NFfg2節(jié)臂2的臂架管的風載荷，N風力產(chǎn)生的水平彎矩的計算式中 L42節(jié)臂2型心與節(jié)臂2鉸接處的距離 Mf2由風力引起節(jié)臂2鉸接處的水平彎矩 （2）節(jié)臂2制動載荷的計算 分析可知臂架一字展開水平澆注時的制動力是最大的，這種狀態(tài)下節(jié)臂3端點的切向速度為30m/min，切向加速度為。制動力的計算 臂架部分因制動產(chǎn)生的慣性力

46、 式中 Fzb2節(jié)臂2臂架部分因制動產(chǎn)生的慣性力 ab2節(jié)臂2質心的加速度m節(jié)臂2的質量其中 臂架管因制動產(chǎn)生的慣性力式中 Fzg2臂架管因制動產(chǎn)生的慣性力 ag2節(jié)臂2的臂架管的質心加速度 m節(jié)臂2的臂架管的質量其中 制動力產(chǎn)的水平彎矩Mz2的計算 （3） 截面寬度z的計算： （3-21)（3-22） (3-23)聯(lián)立式子（3-21）、（3-22）、（3-23）并代入數(shù)據(jù)可求得節(jié)臂2在水平方向承受的最大彎矩處的節(jié)臂寬度：。根據(jù)上述計算結果在Pro/E中建立節(jié)臂2的三維模型如圖3-14：圖3-14 節(jié)臂2的三維模型圖3 臂架鉸接處各部件的選擇與其計算 （1） 液壓缸的選擇 節(jié)臂1與節(jié)臂2的鉸接

47、簡圖如圖3-15所示：圖3-15 臂1與臂2的鉸接簡圖根據(jù)上文的分析知在臂架處于圖3-15的狀態(tài)是臂架3產(chǎn)生的彎矩是最大的，而此狀態(tài)鉸接處的彎矩M為85385.3Nm 根據(jù)文獻14,144表4-37HSG系列工程液壓缸的結構、型號說明和技術規(guī)格查得選用HSG125/90AEEZ1行程為800mm的工程液壓缸。選擇該液的主要數(shù)據(jù)依據(jù)如下：式中 F液壓缸的最大推力由上算出，L長度合適，可以增加臂架的穩(wěn)定性。因此選擇HSG125/90AEEZ1液壓缸 （1） 節(jié)臂2鉸接處銷釘直徑d與其桿1、2截面尺寸的計算銷釘直徑d1、d2的計算 用于支撐臂架2的桿2的力偶長度L4可通過Pro/E軟件測出來如圖3-

48、16：圖3-16 臂架2支撐桿簡圖通過Pro/E可分析出式中Fs銷釘1承受的剪切力銷釘采用45#鋼，它的抗拉強度、屈服強度計算銷釘1的直徑d1：由剪切強度條件：得： 根據(jù)力的相互作用原理可知，在節(jié)臂1與節(jié)臂2鉸接處銷釘2承的剪切力與銷釘1承受剪切力大小相等方向相反。因此有桿2截面的尺寸的計算： 根據(jù)分析節(jié)臂2支撐桿桿2的長度為0.60m形狀如圖3-17，其立體圖如圖3-18所示 圖3-17 節(jié)臂2支撐桿桿2簡圖圖中 、sd1未知、由許用壓應力強度條件：得 ：由壓桿的穩(wěn)定可知： （3-24） （3-25） （3-26）式中Fcr壓桿的臨界力 nst 安全因數(shù)，E45#彈性模量，I慣性矩 壓桿長度

49、系數(shù)，聯(lián)立（3-24）、（3-25）、（3-26）式子并帶入數(shù)據(jù)可得：綜上可知取sd1的大值，根據(jù)計算結果可畫出桿2的具體圖形如圖3-18所示圖3-18 支撐桿2立體圖銷釘3、4、5直徑d3、d4、d5的計算 節(jié)臂2鉸接處連接桿1銷釘?shù)氖茏畲罄r的受力簡圖如圖3-19所示圖3-19 節(jié)臂2鉸接處連接桿1銷釘?shù)氖茏畲罄r的受力簡圖采用45#鋼，它的抗拉強度s600MPa、屈服強度b355MPa=(0.5s+0.3b)/n=（0.56000.3355）/1.35=265Mpa=s/3=/3355=245MPa計算銷釘3的直徑d3 由剪切強度條件：AsFs/得：根據(jù)力的相互作用可知，銷釘3與銷釘

50、4承受大小相等方向相反的剪切力。又根據(jù)銷釘?shù)氖芰唸D2.4.8可知F小于F1，故取d5=d4=d3=0.047m桿1截面尺寸的計算 桿1受到最大拉力時，它的截面形狀如圖3-20：圖3-20 桿1受到最大拉力時的截面形狀圖圖中材料為45#，H=0.016m.根據(jù)受力分析可得下列式子A1=0.0162sd1=265MPa式中桿1受的最大拉力，F(xiàn)1=864750.7N通過上述式子可求得 Sd10.10m，取0.1m因為桿1主要承受拉應力因此它的壓應力和壓桿穩(wěn)定性就不行計算和校核。根據(jù)計算結果可畫出桿1如圖3-21圖3-21 桿1立體圖3.3.3 節(jié)臂1尺寸與其鉸接零件尺寸的計算 1 臂架截面高度y的

51、計算 第1節(jié)臂架垂臂架承受的垂直方向的載荷主要有：臂架1自重、臂架2、臂架3、臂架管與其臂架管混凝土的重力。圖2-22中： F=F1+F2=17450.2N F1=G12L12/L22Kd=1908.3N F2=（G1+G2+G3+G4+G5+G6）Kd=15541.9N式中 G12節(jié)臂1的臂架管與其管混凝土的重量G1節(jié)臂2與節(jié)臂3的臂架管與其管混凝土的重量G2節(jié)臂3的軟管與其管混凝土和人工牽引力等效作用力 G3節(jié)臂3的重量 G4節(jié)臂2與節(jié)臂3鉸接處液壓缸和支撐桿的重量G5節(jié)臂2的重量G6節(jié)臂1與節(jié)臂2鉸接處驅動液壓缸與其支撐桿的重量 L11節(jié)臂1的臂架管與其管混凝土重心相對節(jié)臂1與基座鉸接處的距離L21節(jié)臂1的臂架管支撐點到節(jié)臂1與基座鉸接處的距離Kd動載荷系數(shù)，一般取Kd=1.2其中 G12=（3+2+0.55+0.55m）52k