机械原理课程设计说明书HB41型混凝土泵车布料机构

机械原理课程设计说明书 设计题目：HB-41型混凝土泵车布料机构 指导老师： 姓 名： 班 级： 学 号： 一、设计题目简介混凝土泵车是目前土建工地现场混凝土浇注中不可或缺的机械设备,其功能是将搅拌好的混凝土通过泵送和布料杆传送到需要浇注的部位,完成混凝土构件现场浇注的工序。而泵车的布料杆是泵车设计和制造的关键，布料杆结构的合理与否将直接影响整车的工作性能和作业稳定性。布料杆臂与臂之间是通过轴、连杆机构以及变幅油缸连接在一起的，料杆通过各变幅缸的伸缩运动和多个四连杆机构来实现其在作业范围内的工作。二、 设计数据与要求HB41型混泥土泵车布料杆,五节臂组成，最大布料高度40.5米，最大布料深度27.5米，最大布料半径36米，液压缸驱动。三、 设计任务1、提出可能的运动控制方案，绘制方案的机构简图，计算布料杆机构的自由度，进行方案分析评比，选出一种运动方案进行设计；2、依据国家相关标准提出油缸的布置及其运动要求3、用软件（VB、MATLAB、ADAMS或SOLIDWORKS等均可）对执行机构进行运动仿真，并画出输出机构的位移、速度、和加速度线图。4、图纸上绘出最终方案的机构运动简图（可以是计算机图）5、编写说明书，说明书应包括设计思路、计算及运动模型建立过程以及效果分析等。6、在机械基础实验室应用机构综合实验装置验证设计方案的可行性。四、提示1、每一节布料杆应有一个油缸控制，即该机构应由多个自由度2、按设计要求，主要考虑几个几个极限位置的相关数据5、 布料杆整体结构设计 1，关于布料杆臂架的折叠方式 臂架的折叠方式有多种。按卷折方式分：有卷绕式(R型)、折叠式(Z型)、RZ型、M型、ZR型及S型等。 按支点位置和支撑方式分：前支点和后支点、上支点和下支点。前后支点是指支点位于汽车的前、后端；上支点是指第一节臂架在上方，其余臂架均折叠在下方；下支点是指第一节臂架在下方，其余臂架均折叠在上方。 臂架的折叠方式的选取关系到整个布料杆结构的设计，以及各杆杆长的确定、液压缸的连接方式及作用方式等。R型、Z型、RZ型折叠示意图如下 采用R型折叠方式，在最下端两节臂连接处的杆件连接方式应留够足够的空间，以便在杆件完全收拢时，能折叠到位，且每个杆件连接点处所需要的空间都不同，这就要求每一处的液压缸的安装方式都会不同，增大了整体的设计难度。 采用Z型折叠方式，每处连接点的连接方式都相同，避免了R型的设计难度问题，但是由于布料杆是五节臂结构，完全折叠时，最上层的杆件还需要外加固定件，不然在车辆运行过程中，最产生较大的振动，对整个布料杆结构会产生一定量的损耗，缩短其使用期。 选用RZ型折叠方式时，既避免了R型方式的设计难度问题，同时也对整体布料杆有一个比较好的固定方式。 综上所诉，布料杆机构选用RZ型折叠方式。2、布料杆自由度计算 由于整个布料杆机构由五节臂组成，需要五个液压缸单独控制每节臂的运动。因此，该机构有5个主动件，所以： F=53、布料杆杆长的确定 由于选用RZ型折叠方式，布料杆杆长应满足折叠时每杆杆长的长度关系，即L1L5L2L4L3。布料管的外延长度为5m，求解公式如下 计算得出： L1=8000 H=4500 L2+L3+L4+L5=28000 得出了各杆长的基本关系之后，考虑杆的连接关系和完全折叠后的放置关系，将各杆长确定如下： L1=8000mm L2=7100mm L3=6600mm L4=7000mm L5=7300mm根据各杆长关系，画出布料杆的运动范围：6、 液压缸的选择及安装方式 1、液压缸型号选择 布料杆横截面如下： 底座处液压缸安装位置如下：当液压缸完全收缩时，与L1垂直，保证其传动角最大。设计中，布料外伸长度为5m，布料管孔径为0.15m，混凝土密度为250kg/，列出方程：解出：F=1.05KN，布料杆连接处结构件图如下： 查液压工程简明手册可知，HSG系列工程液压缸是采用双作用单活塞杆方式，且安装方式多采用耳环型，主要用于工程机械、重型机械、起重机械及矿山机械等液压系统中。符合这次机械结构设计的安装和使用要求。查HSG系列工程液压缸技术参数表，选择活塞杆直径为180mm,外缸径为320mm的液压缸1，最大推力为1286800N，最大行程3000mm。2、 液压杆连杆结构 当机构达到最大深度时，杆件1与杆件2的位置关系如图： 当机构完全伸展时，杆件1与杆件2的位置关系如图： 当杆件达到最大深度时，为了使传动角最大，让液压杆的轴线与两连杆的对称线垂直，满足在液压缸向上运动时能最省力。液压杆完全压缩时，杆长为1m，完全伸长时，杆长为m，连杆距布料杆连接点的距离L5为1m,L4为2m。求解：L3=m。八、各部件受力分析与强度校核1、布料杆受力分析 布料杆横截面如下： 截面整体面积为： 查资料可知，布料杆材料选用优质碳素结构钢，其密度大致为7.85g/cm3。 当布料杆全部处于水平位置时，布料杆1根部受力最大，因此对此时的布料杆进行受力分析：布料杆整体质量： 385750*35500*7.85/1000=1100kg当送料管中充满混泥土时，总质量为： 3.14*0.15*0.15*40.5*250=715kg、布料杆处于水平位置时，布料杆1底部与液压缸组成一个杠杆结构，则布料杆1与转盘的连接处受力竖直向下： F=（1100+715）*9.8*35.5/4=157.86KN 液压缸与布料杆1接触点的受力前面已经计算得出：F=100KN 查表可知，布料杆的压应力和拉应力均小于布料杆的许用应力值，满足设计要求。2、 布料杆连接处的受力分析与强度校核 布料杆连接处的连接方式如下： 各杆件的长度在前面的计算已经给出： 液压杆完全压缩时，杆长为1m，完全伸长时，杆长为m，连杆距布料杆连接点的距离L5为1m,L4为2m。L3=m。 一节臂与二节臂连接处以及各铰接点受力计算如下： F1=(1100+715)*9.8*(35.5-8)/35.5=17.787KN =150KN 解出： 单独取二节臂做受力分析，可计算出： 由F2和F3通过铰接点e可求解出液压缸需要提供的最小压力为： 根据液压缸行程选定的液压缸可提供的最大压力为1298KN,大于最小压力，则液压缸满足工作需要，由于选用统一的液压缸，因此，三节臂以后的液压缸也都能满足布料杆工作时的动力要求，能提供足够的支撑力，以后不再一一校核。连接处的连接杆件材料选用优质碳素结构钢45， 求解连接件截面半径： 解得连接杆件半径：R=110mm同液压缸一样，每个连接部位的连接杆件均选用相同尺寸，以便标准化，便于机械部件的维修和更换，一节臂与二节臂处的各杆件受力最大，若此处杆件的强度满足要求，则其余部位的杆件一定满足要求，同样不再重复校核，在节臂连接处，两个连接杆件杆2、杆3，以及液压缸的推力杆1，铰接与点e，具体连接方式如下图：其中，长杆件为液压缸推杆，两个短杆分别为连接杆1和连接杆2，45钢的需用切应力，铰接中心键采用圆柱形材料，计算中心键半径： F发生在最大剪力的中性界面处，是中性轴一侧的半个界面面积对中性轴的静面矩。带入相应数据，求解半径得：九、三维建模 实体建模采用的是UG建模软件，按照设计的初始数据对整体结构进行建模。建模过程中省略了车体部分，只对转台以及布料杆机构进行了建模。具体结果如下： 十、Adams运动仿真 利用机构的三个极限位置对布料杆机构进行了运动仿真，让布料杆的运动结果满足每个极限位置的要求。下面是几个极限位置的截图：11、 ANSYS受力分析 1、有限元模型 在布料杆建模时，充分考虑了后续有限元模型中单元的选择及边界条件的处理。在不影响整体计算结果的前提下，对某些地方的局部结构作适当的修改和简化。如各节臂变幅缸点处的立板和加强板位置、某些板与板之间的对接等。布料杆臂与臂之间是通过轴、连杆机构以及变幅液压缸连接在一起的，所以有限元建模时，分别把每节臂作为一个整体。根据臂的结构特点我们选择SHELL93 八节点结构壳单元为主要网格单元，这种单元在单元平面的两个方向上，变形的形状都是二次的，因此有足够的计算精度。再辅以实体元、梁单元、杆单元和刚体元来模拟输送管支架、液压缸、连杆和销轴等零部件。网格划分如图1所示，为保证最终结果的求解精度，在某些区域进行网格细分，如圆孔和加强板附近、结构过渡区域等，通过调整单元尺寸来控制网格划分的单元质量。整个布料杆共形成单元28723个，其中壳单元有27464 个。 图1 布料杆的部分有限元网格 2、约束和加载 就布料杆的受力而言，显然在布料杆水平全伸时的工况为最危险工况。所以，布料杆强度分析时仅考虑这一最危险工况。布料杆的约束包括约束一节臂与回转平台铰点中除变幅平面内转动自由度以外的其它2个自由度、变一液压缸与回转平台铰点处的2个位移自由度，同时通过节点位移偶合来实现各节臂与轴、连杆、液压缸之间的连接关系。布料杆所受载荷主要有各节臂的自重、工作载荷、牵引载荷、风载等。自重是体积力，在设定乘动载系数的重力加速度后，软件自动附给单元。工作载荷和牵引载荷则经过计算等效到输送管支架的各节点。风载是面载荷，按250Pa的值加在布料杆实体模型的侧面。3、计算结果与分析 有限元求解后，首先校核反力与施加的载荷是否平衡，以验证计算结果的正确性。求解得到的最大位移为3025mm，在布料杆最前端。各节臂前后铰点的相对位移为：基本臂133.69mm；二节臂：476.69mm；三节臂：1046.94mm；四节臂：1368.1mm；五节臂：1405.6mm。可以看出从基本臂到五节臂，铰点相对位移依次增加，这一方面是由于各节臂的刚度，更主要是由臂的转角位移引起的。在去除某些奇异点如集中载荷点、模型角点等的应力后，各节臂的最大应力值如表% 所示。图& 是布料杆的应力分布图。从计算结果可以看出，布料杆四节臂的应力最小。其余基本臂、二节臂和三节臂的高应力区大都分布于各节臂的两端，尤其是二节臂的两端应力最大。这与布料杆实际使用中常出现破坏、撕裂的区域相符，所以设计中需重点考虑各节臂前后端的结构形式和焊缝的布置方式。4、 结论 （1） HB41 型混凝土泵车布料杆所用板材是优质碳素结构钢，其屈服强度为600MPa。从应力输出结果可以看出，布料杆基本臂和四节臂的应力都不高，基本臂和四节臂的设计更多地考虑了其刚度。布料杆最大应力466MPa，所选材料满足强度要求。 （2）从应力分布图可以看出，许多高应力的区域都位于板与板对接的地方，焊缝位置往往是应力最大点，所以布料杆对焊接质量的要求就要很高。 （3）用有限元法对布料杆进行计算，可以获得常规解析法难以求解的一些局部区域的应力分布。布料杆的有限元计算结果表明，各节臂变截面处、不同板厚的板对接处和板的折弯处有应力集中，设计中应尽量减小应力集中对结构的影响。以下是一节臂的受力分析以及强度变形图：十二、设计感想 整个布料杆件的设计重点是在对杆长的确定和液压杆的安装方式的选择上，为了让布料杆能合理到位以及减少杆件的自重，利用了送料管的外延长度来达到最大深度。但是在杆件和液压缸的连接方式上，选择的连接方式存在一定的弊端，杆件之间的相对位置以及长度关系等未采用优化设计来选择最佳的方案，只是利用四杆机构原理设计了一组四连杆。由于个人水平的限制，整体的设计略显粗糙，数据的确定方面也不够严谨，希望能得到老师的指导和批评。