混泥土泵車布料桿送料機構

1、設計題目：HB-41型混凝土泵車布料機構 指導老師： 何 俊 姓 名： 童 剛 班 級： 2011級鐵車一班 學 號： 20116436 一、設計題目簡介混凝土泵車是目前土建工地現(xiàn)場混凝土澆注中不可或缺的機械設備,其功能是將攪拌好的混凝土通過泵送和布料桿傳送到需要澆注的部位,完成混凝土構件現(xiàn)場澆注的工序。而泵車的布料桿是泵車設計和制造的關鍵，布料桿結構的合理與否將直接影響整車的工作性能和作業(yè)穩(wěn)定性。布料桿臂與臂之間是通過軸、連桿機構以及變幅油缸連接在一起的，料桿通過各變幅缸的伸縮運動和多個四連桿機構來實現(xiàn)其在作業(yè)范圍內的工作。二、  設計數(shù)據(jù)與要求HB41型混泥土泵車布料桿,五節(jié)臂組

2、成，米，米，最大布料半徑36米，液壓缸驅動。三、  設計任務1、提出可能的運動控制方案，繪制方案的機構簡圖，計算布料桿機構的自由度，進行方案分析評比，選出一種運動方案進行設計；2、依據(jù)國家相關標準提出油缸的布置及其運動要求3、用軟件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）對執(zhí)行機構進行運動仿真，并畫出輸出機構的位移、速度、和加速度線圖。4、 圖紙上繪出最終方案的機構運動簡圖（可以是計算機圖）5、編寫說明書，說明書應包括設計思路、計算及運動模型建立過程以及效果分析等。6、在機械基礎實驗室應用機構綜合實驗裝置驗證設計方案的可行性。四、提示1、每一節(jié)布料桿應

3、有一個油缸控制，即該機構應由多個自由度2、按設計要求，主要考慮幾個幾個極限位置的相關數(shù)據(jù)5、 布料桿整體結構設計1，關于布料桿臂架的折疊方式 臂架的折疊方式有多種。按卷折方式分：有卷繞式(R型)、折疊式(Z型)、RZ型、M型、ZR型及S型等。 按支點位置和支撐方式分：前支點和后支點、上支點和下支點。前后支點是指支點位于汽車的前、后端；上支點是指第一節(jié)臂架在上方，其余臂架均折疊在下方；下支點是指第一節(jié)臂架在下方，其余臂架均折疊在上方。 臂架的折疊方式的選取關系到整個布料桿結構的設計，以及各桿桿長的確定、液壓缸的連接方式及作用方式等。R型、Z型、RZ型折疊示意圖如下 采用R型折疊方式，在最下端兩節(jié)

4、臂連接處的桿件連接方式應留夠足夠的空間，以便在桿件完全收攏時，能折疊到位，且每個桿件連接點處所需要的空間都不同，這就要求每一處的液壓缸的安裝方式都會不同，增大了整體的設計難度。 采用Z型折疊方式，每處連接點的連接方式都相同，避免了R型的設計難度問題，但是由于布料桿是五節(jié)臂結構，完全折疊時，最上層的桿件還需要外加固定件，不然在車輛運行過程中，最產(chǎn)生較大的振動，對整個布料桿結構會產(chǎn)生一定量的損耗，縮短其使用期。 選用RZ型折疊方式時，既避免了R型方式的設計難度問題，同時也對整體布料桿有一個比較好的固定方式。 綜上所訴，布料桿機構選用RZ型折疊方式。2、布料桿自由度計算 由于整個布料桿機構由五節(jié)臂組

5、成，需要五個液壓缸單獨控制每節(jié)臂的運動。因此，該機構有5個主動件，所以： F=53、布料桿桿長的確定由于選用RZ型折疊方式，布料桿桿長應滿足折疊時每桿桿長的長度關系，即L1>L5>L2>L4>L3。布料管的外延長度為5m，求解公式如下 計算得出： L1=8000 H=4500 L2+L3+L4+L5=28000 得出了各桿長的基本關系之后，考慮桿的連接關系和完全折疊后的放置關系，將各桿長確定如下： L1=8000mm L2=7100mm L3=6600mm L4=7000mm L5=7300mm根據(jù)各桿長關系，畫出布料桿的運動范圍：6、 液壓缸的選擇及安裝方式1、液壓缸

6、型號選擇 布料桿橫截面如下： 底座處液壓缸安裝位置如下：當液壓缸完全收縮時，與L1垂直，保證其傳動角最大。設計中，布料外伸長度為5m，布料管孔徑為0.15m，混凝土密度為250kg/，列出方程：KN，布料桿連接處結構件圖如下：查液壓工程簡明手冊可知，HSG系列工程液壓缸是采用雙作用單活塞桿方式，且安裝方式多采用耳環(huán)型，主要用于工程機械、重型機械、起重機械及礦山機械等液壓系統(tǒng)中。符合這次機械結構設計的安裝和使用要求。查HSG系列工程液壓缸技術參數(shù)表，選擇活塞桿直徑為180mm,外缸徑為320mm的液壓缸1，最大推力為1286800N，最大行程3000mm。2、 液壓桿連桿結構當機構達到最大深度時

7、，桿件1與桿件2的位置關系如圖：當機構完全伸展時，桿件1與桿件2的位置關系如圖：當桿件達到最大深度時，為了使傳動角最大，讓液壓桿的軸線與兩連桿的對稱線垂直，滿足在液壓缸向上運動時能最省力。液壓桿完全壓縮時，桿長為1m，完全伸長時，桿長為m，連桿距布料桿連接點的距離L5為1m,L4為2m。求解：L3=m。八、各部件受力分析與強度校核1、布料桿受力分析 布料桿橫截面如下： 截面整體面積為： 查資料可知，布料桿材料選用優(yōu)質碳素結構鋼，其密度大致為7.85g/cm3。 當布料桿全部處于水平位置時，布料桿1根部受力最大，因此對此時的布料桿進行受力分析：布料桿整體質量： 當送料管中充滿混泥土時，總質量為：

8、 3.14*0.15*0.15*40.5*250=715kg、布料桿處于水平位置時，布料桿1底部與液壓缸組成一個杠桿結構，則布料桿1與轉盤的連接處受力豎直向下：液壓缸與布料桿1接觸點的受力前面已經(jīng)計算得出：F=100KN查表可知，布料桿的壓應力和拉應力均小于布料桿的許用應力值，滿足設計要求。2、 布料桿連接處的受力分析與強度校核 布料桿連接處的連接方式如下：各桿件的長度在前面的計算已經(jīng)給出：液壓桿完全壓縮時，桿長為1m，完全伸長時，桿長為m，連桿距布料桿連接點的距離L5為1m,L4為2m。L3=m。 一節(jié)臂與二節(jié)臂連接處以及各鉸接點受力計算如下：=150KN 解出： 單獨取二節(jié)臂做受力分析，可

9、計算出：由F2和F3通過鉸接點e可求解出液壓缸需要提供的最小壓力為：根據(jù)液壓缸行程選定的液壓缸可提供的最大壓力為1298KN,大于最小壓力，則液壓缸滿足工作需要，由于選用統(tǒng)一的液壓缸，因此，三節(jié)臂以后的液壓缸也都能滿足布料桿工作時的動力要求，能提供足夠的支撐力，以后不再一一校核。連接處的連接桿件材料選用優(yōu)質碳素結構鋼45，求解連接件截面半徑：解得連接桿件半徑：R=110mm同液壓缸一樣，每個連接部位的連接桿件均選用相同尺寸，以便標準化，便于機械部件的維修和更換，一節(jié)臂與二節(jié)臂處的各桿件受力最大，若此處桿件的強度滿足要求，則其余部位的桿件一定滿足要求，同樣不再重復校核，在節(jié)臂連接處，兩個連接桿件

10、桿2、桿3，以及液壓缸的推力桿1，鉸接與點e，具體連接方式如下圖：其中，長桿件為液壓缸推桿，兩個短桿分別為連接桿1和連接桿2，45鋼的需用切應力，鉸接中心鍵采用圓柱形材料，計算中心鍵半徑：F發(fā)生在最大剪力的中性界面處，是中性軸一側的半個界面面積對中性軸的靜面矩。帶入相應數(shù)據(jù)，求解半徑得：九、三維建模實體建模采用的是UG建模軟件，按照設計的初始數(shù)據(jù)對整體結構進行建模。建模過程中省略了車體部分，只對轉臺以及布料桿機構進行了建模。具體結果如下：十、Adams運動仿真利用機構的三個極限位置對布料桿機構進行了運動仿真，讓布料桿的運動結果滿足每個極限位置的要求。下面是幾個極限位置的截圖：11、 ANSYS

11、受力分析1、有限元模型 在布料桿建模時，充分考慮了后續(xù)有限元模型中單元的選擇及邊界條件的處理。在不影響整體計算結果的前提下，對某些地方的局部結構作適當?shù)男薷暮秃喕?。如各?jié)臂變幅缸點處的立板和加強板位置、某些板與板之間的對接等。布料桿臂與臂之間是通過軸、連桿機構以及變幅液壓缸連接在一起的，所以有限元建模時，分別把每節(jié)臂作為一個整體。根據(jù)臂的結構特點我們選擇SHELL93 八節(jié)點結構殼單元為主要網(wǎng)格單元，這種單元在單元平面的兩個方向上，變形的形狀都是二次的，因此有足夠的計算精度。再輔以實體元、梁單元、桿單元和剛體元來模擬輸送管支架、液壓缸、連桿和銷軸等零部件。網(wǎng)格劃分如圖1所示，為保證最終結果的求

12、解精度，在某些區(qū)域進行網(wǎng)格細分，如圓孔和加強板附近、結構過渡區(qū)域等，通過調整單元尺寸來控制網(wǎng)格劃分的單元質量。整個布料桿共形成單元28723個，其中殼單元有27464 個。圖1 布料桿的部分有限元網(wǎng)格 2、約束和加載就布料桿的受力而言，顯然在布料桿水平全伸時的工況為最危險工況。所以，布料桿強度分析時僅考慮這一最危險工況。布料桿的約束包括約束一節(jié)臂與回轉平臺鉸點中除變幅平面內轉動自由度以外的其它2個自由度、變一液壓缸與回轉平臺鉸點處的2個位移自由度，同時通過節(jié)點位移偶合來實現(xiàn)各節(jié)臂與軸、連桿、液壓缸之間的連接關系。布料桿所受載荷主要有各節(jié)臂的自重、工作載荷、牽引載荷、風載等。自重是體積力，在設定

13、乘動載系數(shù)的重力加速度后，軟件自動附給單元。工作載荷和牽引載荷則經(jīng)過計算等效到輸送管支架的各節(jié)點。風載是面載荷，按250Pa的值加在布料桿實體模型的側面。3、計算結果與分析有限元求解后，首先校核反力與施加的載荷是否平衡，以驗證計算結果的正確性。求解得到的最大位移為3025mm，在布料桿最前端。各節(jié)臂前后鉸點的相對位移為：基本臂；二節(jié)臂：476.69mm；三節(jié)臂：；四節(jié)臂：1368.1mm；五節(jié)臂：1405.6mm。可以看出從基本臂到五節(jié)臂，鉸點相對位移依次增加，這一方面是由于各節(jié)臂的剛度，更主要是由臂的轉角位移引起的。在去除某些奇異點如集中載荷點、模型角點等的應力后，各節(jié)臂的最大應力值如表%

14、所示。圖& 是布料桿的應力分布圖。從計算結果可以看出，布料桿四節(jié)臂的應力最小。其余基本臂、二節(jié)臂和三節(jié)臂的高應力區(qū)大都分布于各節(jié)臂的兩端，尤其是二節(jié)臂的兩端應力最大。這與布料桿實際使用中常出現(xiàn)破壞、撕裂的區(qū)域相符，所以設計中需重點考慮各節(jié)臂前后端的結構形式和焊縫的布置方式。4、 結論 （1） HB41 型混凝土泵車布料桿所用板材是優(yōu)質碳素結構鋼，其屈服強度為600MPa。從應力輸出結果可以看出，布料桿基本臂和四節(jié)臂的應力都不高，基本臂和四節(jié)臂的設計更多地考慮了其剛度。布料桿最大應力466MPa，所選材料滿足強度要求。（2）從應力分布圖可以看出，許多高應力的區(qū)域都位于板與板對接的地方，焊縫位置往往是應力最大點，所以布料桿對焊接質量的要求就要很高。（3）用有限元法對布料桿進行計算，可以獲得常規(guī)解析法難以求解的一些局部區(qū)域的應力分布。布料桿的有限元計算結果表明，各節(jié)臂變截面處、不同板厚的板對接處和板的折彎處有應力集中，設計中應盡量減小應力集中對結構的影響。