試論混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用

張忠元+郭艷萍+張穎

摘 要：本文闡述了混凝土泵車(chē)的構(gòu)成及其臂架系統(tǒng)的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)其仿真及應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了討論與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：混凝土泵車(chē)；臂架系統(tǒng)；仿真；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.242

0 前言

混凝土泵車(chē)是工程用以運(yùn)輸混凝土的主要器械，臂架系統(tǒng)是泵車(chē)的主要構(gòu)成部分。臂架系統(tǒng)在受力等方面的性能，在很大程度上決定著泵車(chē)本身的性能，因此在泵車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須將臂架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)，通過(guò)仿真等方法，對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化控制，提高其應(yīng)用價(jià)值。

1 混凝土泵車(chē)及其臂架系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 混凝土泵車(chē)的構(gòu)成

不同系統(tǒng)的功能各不相同，以底盤(pán)系統(tǒng)為例，混凝土泵車(chē)的底盤(pán)設(shè)計(jì)，應(yīng)保證能夠與上車(chē)部分的尺寸配套，要保證能夠支持泵送系統(tǒng)以及臂架系統(tǒng)功能的順利實(shí)現(xiàn)。取力器是底盤(pán)系統(tǒng)的主要組成部分，一般包括兩種形式，一種為底盤(pán)發(fā)動(dòng)機(jī)自帶全功率取力器，另一種為底盤(pán)后驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸中間增加分動(dòng)箱。在本次設(shè)計(jì)中，底盤(pán)系統(tǒng)取力器以第二種為主，優(yōu)勢(shì)在于能夠有效提高油泵公路，能夠使混凝土泵車(chē)的使用性能得以增強(qiáng)[2]。

1.2 混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)

混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)功能的發(fā)揮，與變幅機(jī)構(gòu)的支持存在聯(lián)系，同時(shí)也與油缸長(zhǎng)度與臂間夾角有關(guān)。

以變幅機(jī)構(gòu)為例，臂架的展開(kāi)以及收攏，及其在混凝土澆筑時(shí)的定位，均由變幅機(jī)構(gòu)的控制來(lái)完成，該機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)推與拉兩個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)臂架動(dòng)作各方面動(dòng)作的控制。油缸的變幅機(jī)構(gòu)，具有緊湊、重量輕的特點(diǎn)，其類(lèi)型的選擇，應(yīng)以角變幅為主要參考來(lái)完成。當(dāng)角變幅在90度左右時(shí)，采用單缸三鉸點(diǎn)變幅較為合理，能夠使臂架系統(tǒng)的功能得到最大程度的發(fā)揮[3]。

2 混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用

以44M混凝土泵車(chē)為例，對(duì)其臂架系統(tǒng)的構(gòu)成情況進(jìn)行了分析，并完成了具體仿真過(guò)程。

2.1 混凝土泵車(chē)臂架結(jié)構(gòu)

44M混凝土泵車(chē)，臂架結(jié)構(gòu)以五節(jié)無(wú)極調(diào)速折疊式布料臂架為主，卷折方式以RZ型為主，構(gòu)成情況較為復(fù)雜，主要包括以下幾種：上轉(zhuǎn)臺(tái)、活塞桿、油缸、臂架、彎連桿以及直連桿等。其中，每一部分的數(shù)量均各不相同，將各部分互相連接在一起，可形成整體的臂架系統(tǒng)，而各部分功能的共同發(fā)揮，則能夠使系統(tǒng)推拉等動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)[4]。

采用ADAMS對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，首先應(yīng)確定其自由度情況，公式如下：W=3×（n-1）-2pD-pG。其中W代表自由度，n代表構(gòu)件的數(shù)量，pD代表低幅，pG代表高幅?？紤]44M混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)的特點(diǎn)，其構(gòu)件的數(shù)量一般為23個(gè)，低幅一般包括32個(gè)。將上述數(shù)值帶入計(jì)算公式可以得出，W=5，進(jìn)一步計(jì)算一節(jié)臂與上轉(zhuǎn)臺(tái)間四桿機(jī)構(gòu)的自由度，得出數(shù)值為W=1。

2.2 混凝土泵車(chē)布料臂架系統(tǒng)仿真

2.2.1 假設(shè)

（1）假設(shè)零部件為剛體，無(wú)內(nèi)部間隙。（2）假設(shè)上轉(zhuǎn)臺(tái)與地面固定，不考慮振動(dòng)問(wèn)題。（3）動(dòng)荷載為自重荷載×1.2。

2.2.2 仿真過(guò)程

仿真過(guò)程如下：（1）系統(tǒng)建模：創(chuàng)建零件，并對(duì)零件施加運(yùn)動(dòng)及荷載。（2）模型仿真：設(shè)置測(cè)量和輸出仿真，并對(duì)其加以執(zhí)行。（3）驗(yàn)證結(jié)果：將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，并添加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有關(guān)曲線(xiàn)。將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷是否一致，如不一致，則需對(duì)模型進(jìn)行細(xì)化，增加摩擦力、定義柔性體單元等，并再次對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。（4）如驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，則可重復(fù)仿真，設(shè)置可變參數(shù)點(diǎn)，并能定義設(shè)計(jì)變量。（5）優(yōu)化分析：對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感度進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。（6）定制界面：定制菜單以及對(duì)話(huà)框。

2.3 仿真結(jié)果的驗(yàn)證

采用以下方法驗(yàn)證結(jié)果：（1）將壓力傳感器接入高壓進(jìn)油腔，臂架完成與仿真時(shí)相同的動(dòng)作。（2）得出各支油缸的壓力變化曲線(xiàn)。（3）仿真受力曲線(xiàn)。（4）比較兩個(gè)曲線(xiàn)是否一致。將仿真受力轉(zhuǎn)化為壓力。

仿真后，得到油缸最大壓力為。

壓力對(duì)比情況如表1：

通過(guò)表1可以看出，仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2.4 模型參數(shù)化過(guò)程

ADAMS軟件建立的動(dòng)力化模型，隱式為主要方程式，采用Gear預(yù)估-校正算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)方程的求解。求解后，可得出動(dòng)力學(xué)模型，并了解速度以及加速度等邊界條件。將初始條件設(shè)置為變量，控制變化范圍，在不斷改變變量值的前提下，便能夠完成模型參數(shù)化的過(guò)程。

2.5 泵車(chē)的設(shè)計(jì)

在了解泵車(chē)整體情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)ADAMS軟件完成仿真建模，并對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)需確定相應(yīng)設(shè)計(jì)變量，同時(shí)建立目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建約束條件才可實(shí)現(xiàn)。從靈敏度分析、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)角度，完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)油缸的受力情況等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在鉸點(diǎn)連接位置改變的情況下，油缸壓力可有效減小，優(yōu)化值：各變量分為為-7885.3、-181.2、-8025.6、-46、-8465.5、-1099.4，在此優(yōu)化值下，壓力為-2412154。

3 討論

通過(guò)仿真的方法，能夠有效得出最佳變量控制值，進(jìn)而將油缸壓力降到最低，提高臂架系統(tǒng)的性能。

4 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)通過(guò)仿真的方法，對(duì)混凝土泵車(chē)臂架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使其應(yīng)用效果得到優(yōu)化控制。

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