混凝土泵車臂架專利技術(shù)發(fā)展研究

莊瑞華

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 混凝土泵車臂架專利技術(shù)概述

混凝土泵車是建筑施工過程中必不可少的施工機(jī)械。它將混凝土輸送泵和折疊式臂架集成在汽車底盤上，利用臂架架設(shè)混凝土輸送管道，向澆筑位置輸送混凝土，兼具輸送和布料功能。由于混凝土泵車臂架具有折疊、回轉(zhuǎn)及變幅的功能，因此，只要是在臂架活動范圍之內(nèi)的澆筑點，通過簡單改變臂架形態(tài)即可實現(xiàn)澆筑，無需在現(xiàn)場鋪設(shè)臨時管道，大大簡化了施工工序，節(jié)約了施工成本。在需要頻繁轉(zhuǎn)移施工工地或者大體積混凝土一次性澆筑等施工工況中，更能凸顯混凝土泵車的優(yōu)越性。[1]

臂架是混凝土泵車的主要部件，由臂節(jié)、液壓缸、臂節(jié)連桿和混凝土輸料管等部件組成。各臂節(jié)之間采用銷軸連接，輸料管與節(jié)臂之間采用支撐連桿連接，各臂節(jié)之間的相互轉(zhuǎn)動由液壓油缸推動，并且每個臂節(jié)都具有一定角度的活動范圍，臂架的運(yùn)動可由液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2 混凝土泵車臂架專利技術(shù)發(fā)展

混凝土泵車臂架專利主要涉及臂架結(jié)構(gòu)和臂架控制兩方面。[2]在臂架結(jié)構(gòu)方面，主要包括對臂架形式、臂架末端和臂節(jié)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)；而在臂架控制方面，主要包括對臂架展收、振動抑制和參數(shù)測量的改進(jìn)。

2.1 臂架形式

隨著建筑物高度的增加，對臂架最大布料范圍的要求也相應(yīng)增加，如何在汽車底盤上有限的空間內(nèi)折疊更多的臂架成為這一主題下專利技術(shù)主要解決的技術(shù)問題。

CN102409857A 中將臂架的第一臂節(jié)設(shè)置為拐彎臂節(jié)，即第一臂節(jié)從轉(zhuǎn)臺至第二臂節(jié)連接處依次為第一直線段、水平彎曲段和第二直線段，這樣，在臂架處于折疊狀態(tài)時，第一節(jié)臂節(jié)的第一直線段占據(jù)車輛底盤的一列空間，而其他各臂節(jié)分布在第一直線段的一側(cè)，或者通過對其它臂節(jié)做相應(yīng)的拐彎處理，可以使其它各臂節(jié)分布在第一直線段的兩側(cè)。這樣，各臂節(jié)不再是簡單的上下堆疊，而是充分利用第一臂節(jié)兩側(cè)的空間，緊密地布置在車輛底盤的橫向空間中。當(dāng)然，臂節(jié)的拐彎處理也使得臂架的受力更加復(fù)雜，增加了臂架設(shè)計的難度。

CN102359278A 中將臂架的多節(jié)臂節(jié)分為兩個縱向面布置，與拐彎臂節(jié)不同的是，各臂節(jié)在整個長度范圍內(nèi)實現(xiàn)兩個縱向面之間的過渡。而在折疊方式上，則將第一到第五臂節(jié)朝第一方向折疊，而第六臂節(jié)以相反方向折疊到第五臂節(jié)上。這種設(shè)置同樣有效利用車輛的橫向空間，但相比于拐彎臂節(jié)，由于軸線過渡更加平順，設(shè)計難度大大降低。

CN102561703A 則突破性地將轉(zhuǎn)臺設(shè)置在車輛的中部，同時，將第一臂節(jié)倒置并向車輛尾部或駕駛室方向延伸，這樣，第二至末節(jié)臂節(jié)在長度方向上能夠貫穿整個車輛的車體，從而提高單節(jié)臂節(jié)的極限長度。同時，由于臂架采用向上堆疊的方式，因此，相比傳統(tǒng)的R 形、Z 形或者RZ 形折疊，臂節(jié)數(shù)量的增加將不再因為第一臂節(jié)下方布置空間狹小而受限，能夠?qū)崿F(xiàn)超長臂架的布置。

CN102535853A 提出了一種實現(xiàn)臂架布料范圍跨越式增長的方法，在原有混凝土泵車的基礎(chǔ)上增加了一輛臂架轉(zhuǎn)運(yùn)車。臂架轉(zhuǎn)運(yùn)車無需具備泵送功能，其運(yùn)輸?shù)谋奂軝C(jī)構(gòu)首節(jié)臂節(jié)可與混凝土泵車的末節(jié)臂節(jié)可拆卸連接，這樣，在布料施工時，混凝土泵車和臂架轉(zhuǎn)運(yùn)車分別進(jìn)入工地后進(jìn)行臂架組裝，布料完成后，兩者可在拆卸分離后各自離開工地。通過將臂架分置于兩個汽車底盤上，不僅降低了車輛的制造成本，而且避免了超寬超高車輛在城市內(nèi)行駛不便的問題。

CN103243918A 提出了將伸縮式臂架和折疊式臂架進(jìn)行組合使用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點。具體來說，將前兩節(jié)臂節(jié)設(shè)置為伸縮式臂架，第三節(jié)之后的臂節(jié)設(shè)置為折疊式臂架，折疊式臂架可以放置在伸縮式臂架的后方或者兩側(cè)。由于前兩節(jié)臂節(jié)采用伸縮式設(shè)計，因此占用空間較小，且伸縮式臂架中臂節(jié)的數(shù)量可視實際情況調(diào)整，所占空間幾乎不變，具有較大的靈活性。同時，在臂架展收時，伸縮式臂架和折疊式臂架之間不容易發(fā)生干涉，兩者能夠同時進(jìn)行，從而有效縮短臂架展收所需的時間。

2.2 臂架末端

混凝土泵車臂架末端的輸送管靠近出口處設(shè)置有末端軟管，施工人員可通過末端軟管來調(diào)節(jié)混凝土澆筑的方向。

在很多施工工況下，由于施工場地的限制，泵車操作員可能無法及時獲知末端軟管處施工人員的施工意圖，從而導(dǎo)致施工效率低下，甚至威脅到末端軟管處施工人員的人身安全。CN103195249A 提供了一種末端軟管，通過在末端軟管上安裝操控手柄，將末端的操作權(quán)直接轉(zhuǎn)移給施工人員，施工人員無需通過泵車操作員間接發(fā)出操作指令，可以直接按照自己的施工意圖控制末端軟管的運(yùn)動方向，從而提高末端軟管的運(yùn)動精度，更保證了施工人員的施工安全。

其次，在實際澆筑過程中，常常會出現(xiàn)臂架末端移動受限的情況，此時，通常需要施工人員人工搬動末端軟管才能達(dá)到實際所需的布料范圍，這不僅增加了施工人員的工作強(qiáng)度，而且給施工人員帶來了安全隱患。CN103015731A 提出在末節(jié)臂節(jié)上沿長度方向設(shè)置可調(diào)節(jié)的卡套和連接在卡套與末節(jié)臂節(jié)之間的伸縮機(jī)構(gòu)，通過將末端軟管穿設(shè)在卡套內(nèi)，使得施工人員在進(jìn)行布料時可以通過調(diào)節(jié)伸縮機(jī)構(gòu)的長度進(jìn)一步調(diào)節(jié)末端軟管的位置，不僅增加了臂架系統(tǒng)的布料面積，而且操作簡單、安全、可靠。

另外，常規(guī)的末端軟管結(jié)構(gòu)不設(shè)動力裝置，在臂架收攏過程中，或者在臂架折疊狀態(tài)洗車時，都需要甩動末端軟管，以使末端軟管放到軟管支撐上，而甩動末端軟管所產(chǎn)生的沖擊力將增加臂架的失穩(wěn)風(fēng)險。CN102720363A 提出在末端臂節(jié)上固定設(shè)置輸送直管，在輸送直管的末端和末端軟管之間增加依次連接的固定彎管和末端彎管，并且，固定彎管和末端彎管可相對轉(zhuǎn)動，這樣，只需在末端臂節(jié)與末端彎管之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置就可驅(qū)動末端彎管及末端軟管相對于固定彎管轉(zhuǎn)動。不同于甩動末端軟管，驅(qū)動裝置能夠使得末端軟管的收回更加平穩(wěn)，從而有效降低甩動末端軟管所產(chǎn)生的沖擊力。

2.3 臂節(jié)結(jié)構(gòu)

臂節(jié)是構(gòu)成臂架的單元，臂節(jié)的強(qiáng)度、重量對臂架的最大布料范圍起決定性作用。[3]

CN102587669A 認(rèn)為，臂節(jié)通常采用箱型截面，而通過數(shù)值分析可以看出，組成箱型臂節(jié)的鋼板中，有部分面積應(yīng)力較小甚至為零，并未起到實際的支撐作用，這不但造成了材料的浪費(fèi)，而且增加了臂架的重量。因此，只要利用有效的數(shù)值分析方法進(jìn)行精確計算，就能在保證臂架承載力基本不變的前提下，在臂節(jié)上開設(shè)減重孔，減少那些沒有充分發(fā)揮鋼板承載能力的面積，從而減輕臂架本身的重量。

CN102535857A 提出了一種用于臂節(jié)的箱形梁，由于實際使用時臂節(jié)通常符合懸臂梁的受力特性，僅上側(cè)承受拉力，其它側(cè)面受壓，所以，可以只在箱形梁的受拉側(cè)采用諸如碳纖維的復(fù)合材料板，由復(fù)合材料板受拉，充分發(fā)揮復(fù)合材料板受拉強(qiáng)度高、鋼材受壓強(qiáng)度高的特點，提高箱形梁的整體強(qiáng)度，同時，由于復(fù)合材料板重量遠(yuǎn)低于鋼材，能夠最大程度地減輕箱形梁的重量。

CN102587668A 提出了一種用于臂節(jié)的抗拉梁，在梁本體的受拉面上沿梁本體周向設(shè)置至少一根帶有預(yù)應(yīng)力拉索，由預(yù)應(yīng)力拉索分擔(dān)梁本體所受的拉力，減小了梁本體所需承受的彎矩，從而降低了梁本體對板材厚度的要求，既節(jié)省了板材，又降低了臂架的重量。

2.4 臂架展收

臂架是由多節(jié)臂節(jié)組成的多自由度體系，因此，同一臺臂架，其末端到達(dá)某一澆筑點的姿態(tài)、路徑都是不唯一的。

CN103309352A 提出了一種以傾角為控制目標(biāo)的臂架展收方法，根據(jù)臂架末端的當(dāng)前坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)，確定兩者之間的坐標(biāo)變化量，根據(jù)該坐標(biāo)變化量，基于每節(jié)臂節(jié)的當(dāng)前傾角、預(yù)設(shè)的傾角改變次序、各傾角每次改變的最大允許值，綜合計算各臂節(jié)需要被調(diào)整的傾角變化量，并最終根據(jù)計算所得的傾角變化量調(diào)整相應(yīng)臂節(jié)。

CN103321427A 提出了一種以夾角為控制目標(biāo)的臂架展收方法，由于實際施工過程中，臂架的展開姿態(tài)通?？梢杂蓭追N典型姿態(tài)演變而得，因此，可以事先將臂架常用的幾種典型姿態(tài)存儲下來，那么，當(dāng)臂架需要展開到某一種典型姿態(tài)時，只需要調(diào)用對應(yīng)數(shù)據(jù)即可，或者，當(dāng)臂架需要展開到某一種姿態(tài)時，先選擇與之最接近的典型姿態(tài)，以該典型姿態(tài)展開，然后由該典型姿態(tài)調(diào)整至實際所需的姿態(tài)。

CN103728987A 針對作業(yè)范圍受限（例如在隧道、巷道中以及室內(nèi)等）時臂架的展收進(jìn)行了優(yōu)化，具體是，首先計算受限條件下臂架的最大伸展長度和回轉(zhuǎn)角度范圍，并將其設(shè)置為約束條件，從而可使臂架在允許作業(yè)的范圍內(nèi)工作，保證臂架和施工人員的施工安全。

2.5 振動抑制

混凝土的輸送不連續(xù)使得臂架末端軟管處產(chǎn)生非常大的諧振，會導(dǎo)致臂架末端定位不準(zhǔn)，影響澆筑質(zhì)量。同時，這種振動長期存在時可能誘發(fā)臂架疲勞開裂，增加臂架脆性斷裂的可能性，存在較大安全隱患。

為了抑制臂架振動，專利技術(shù)中通常采用主動控制。主動控制就是在結(jié)構(gòu)上附加能夠檢測振動的傳感器和能夠主動產(chǎn)生振動的制動器，基于傳感器檢測的數(shù)據(jù)控制制動器使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，與結(jié)構(gòu)的原有振動疊加，從而抑制振動。由于臂架系統(tǒng)中液壓油缸可以作為制動器，因此，在臂架振動的主動控制中，主要對振動的檢測和液壓油缸的控制進(jìn)行設(shè)計。

比如CN102071809A 中，在臂架上加裝臂架末端振動監(jiān)測單元，以末端臂節(jié)的振動幅度作為振動控制的對象，通過減振控制單元進(jìn)行計算分析后，向臂架油缸的電磁比例閥輸出控制電流，反復(fù)調(diào)節(jié)臂架油缸的活塞位置，找到最有效的某節(jié)臂油缸中有桿腔和無桿腔的容積，使臂架油缸產(chǎn)生與臂架的末節(jié)臂相反的脈動振動。[4]CN102322497A 則是通過采集分析末節(jié)臂架末端振動的振幅、相位及周期，控制至少一節(jié)臂架上的臂架油缸進(jìn)行動作，使得末節(jié)臂架的末端產(chǎn)生一個反向運(yùn)動分量。CN103015730A 則提出了以表征臂架末端漂移程度的信號作為振動控制的對象，即根據(jù)表征臂架末端漂移程度的信號來計算臂架減振控制器的漂移控制信號，然后向臂架減振制動器輸出，從而使得臂架減振作動機(jī)構(gòu)按照補(bǔ)償漂移的方向作動。

2.6 參數(shù)測量

無論是臂架展收還是振動抑制，都是建立在參數(shù)測量基礎(chǔ)上的，有了先進(jìn)、精確的參數(shù)測量方法才能使臂架的控制更為精準(zhǔn)。[5-7]

比如，對于臂架振動特性的測量，CN102506727A提出了一種臂架振動位移的測量方法，在臂架上設(shè)置可觀測的標(biāo)識，然后通過攝像機(jī)記錄該標(biāo)識在不同時刻的圖像，并以這些圖像所反映出來的位置變化計算臂架的振動位移，是一種無接觸的高效測量方法。CN103105278A 則通過設(shè)置激振控制單元主動對臂架進(jìn)行振動激勵，并獲取臂架在相應(yīng)激振信號作用下的振動信號，由于是主動施加激勵，可根據(jù)實際需求選擇測試時間、場合、工況等因素，對臂架不同工況下振動特性的獲取更加精準(zhǔn)。

對于油缸長度的測量，CN102435158A 提出了一種測量臂架油缸長度的方法，以相鄰臂節(jié)之間的夾角為已知值，根據(jù)相鄰臂節(jié)之間的幾何關(guān)系，計算臂架油缸的長度，這樣，僅通過旋轉(zhuǎn)編碼器或傾角傳感器，便可實現(xiàn)臂架油缸長度的測量，其中的旋轉(zhuǎn)編碼器或傾角傳感器相比于拉線傳感器具有安裝便捷、不易損壞且可靠性好的優(yōu)點。

3 結(jié)語

本文對臂架形式、臂架末端、臂節(jié)結(jié)構(gòu)、臂架展收、振動抑制、參數(shù)測量六個方面專利技術(shù)的詳細(xì)分析，不難看出，上述六個方面共同決定著混凝土泵車臂架的工作范圍和施工過程中的穩(wěn)定性、安全性，將直接影響混凝土的澆筑質(zhì)量，屬于臂架的核心技術(shù)。后續(xù)的研究者應(yīng)當(dāng)充分重視上述六個方面的專利技術(shù)，確定合理的研究方向，在避免侵犯他人的專利權(quán)的同時做好專利布局，為研究的開展提供更好的支持。