车载式布料机臂架系统设计

摘 要18米车载式布料机是一种由汽车底盘、混凝土输送泵、可回转和折叠伸缩的布料臂架系统等组成的高效混凝土浇筑设备。其中最重要的部件就是臂架系统，它负责将混凝土通过臂架上的输送管输送到各种复杂的建筑施工位置；它的布料性能体现在高效的工作适应性、灵活便捷的操作和机构、结构的高可靠性。 18米车载式布料机是一个专门服务于农村房屋和桥梁施工的短臂架产品，此产品的研发要求以二轴(桥)底盘上的最长18米臂架为饵标进行产品研发、分析及优化。论文以农村实际建设为依托，以设计出优质、高效18米布料臂架系统为目标，围绕材料力学分析、动力学分析及机械系统控制设计等方面中的关键技术问题进行了研究。关键词：车载式布料机；臂架系统；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 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 research、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 technical 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 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 车载式布料机介绍11.2 车载式布料机的发展概况21.3 短臂架布料机的现状与趋势41.4 课题来源及设计内容51.4.1 课题来源51.4.2 设计内容6第2章 方案论证72.1 设计目标72.2 方案的拟定72.2.1 布料机样式的确定72.2.2 布料机臂架基本参数的确定82.3 整体方案9第3章 泵车臂架系统103.1 臂架载荷分析103.2 臂架的设计原则103.3 臂架具体参数的计算103.3.1 节臂3尺寸及其铰接零件尺寸的计算113.3.2 节臂2尺寸及其铰接零件尺寸的计算213.3.3 节臂1尺寸及其铰接零件尺寸的计算313.4 回转支撑装置的选择433.4.1 载荷的确定443.4.2 回转支承装置的受力分析443.4.4 回转支承装置的强度计算463.5 回转驱动装置的选择及其传动分析473.5.1 回转阻力矩计算47第4章 液压系统的设计494.1 液压系统工作原理494.2 系统的动作要求如下504.3 PLC的选择504.3.1 PLC品牌的选择504.3.2 S7-200系列CPU的选择514.3.3 PLC的I/O资源配置524.4 控制系统硬件连线图54结 论55致 谢56参考文献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 Short boom pump91.4 Source topics and Design content101.4.1 Source topics101.4.2 Design content11Chapter 2 Demonstration program122.1 Design Goals12 2.2 Program development122.2.1Determination of fabric machine style122.2.2Pump truck boom determine the basic parameters132.3Overall program14Chapter 3 Pump 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 determination493.4.2 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 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 574.3.3 The PLC I / O resource allocation584.4 Control system hardware connection diagram59 Conclusion62 Thanks63 References64V第1章 绪论1.1 车载式布料机介绍车载式布料机,也可以称作臂架式混凝土泵车,可以将它定义为:将混凝土泵和液压折叠式臂架都安装在汽车或拖挂车底盘上,沿着臂架架设输送的管道,通过最末端的软管,最终输出混凝土的设备1。混凝土泵车的基本结构见图1-1。1、底盘部分 2、回转机构 3、液压部分4、臂架系统 5、泵送系统 6、底架 图1-1 混凝土泵车的基本结构图泵车臂架拥有折叠、回转及变幅的功能，因此实际应用中能够在臂架所能及的区域内进行布料。泵车应用于建筑施工作业之中,能够非常便捷、合理的应用于各种混凝土输送情况,特别是垂直输送的情况,既可以完成混凝土现场的输送，又可以兼顾布料作业，且能保证二者同时进行,具有非常良好的泵送性能、布料范围广泛、浇筑的速度快、浇筑质量高、保持现场工作环境的清洁、减轻作业人员工作的强度、机动性好和转移方便等诸多优点,所以得到人们的普遍青睐2。特别是在基础和低层施工以及频繁转移工地的时候,能够更好的凸显出它的优越性。只要是在臂架活动范围之内,就可以任意地改变混凝土的浇筑位置,而不需要在现场铺设临时的管道,这样就可以大大的缩短铺助时间,进一步提高工作效率。当混凝土浇筑的需求量很大或者超大体积、超厚基础混凝土的需要一次性浇筑时,泵车的优势就体现的更为明显3。目前,稍大规模的混凝土施工大都使用泵车泵送技术,特别是国家重点建设项目。泵车的使用范围已经拓展至水利、水电、地铁、桥梁、大型基础、高层建筑和民用建筑等工程。早已成为泵送混凝土施工机械的首选机型,在建筑施工过程中必不可少。泵车是由汽车底盘、混凝土输送泵和臂架系统等组成用于输送混凝土的专用车辆,一般情况下,我们可以大致将混凝土泵车看做由六大部分组成:底盘部分、泵送系统、臂架系统、操纵控制系统、液压系统、回转机构、底架4。1.2 车载式布料机的发展概况 混凝土泵的研究最早开始于德国，1907年德国就开始研究混凝土泵，并有人取得专利权。此后，与1913年美国也有人制造出混凝土泵样机并取得专利。至1930年，德国制造了立式单杠的球阀活塞泵，这种泵由曲柄和摇杆传动，工作性能较差，使用价值不大。到1932年荷兰人库依曼制造出卧式缸的库依曼型混凝土泵，成功的解决了混凝土泵的构造原理问题，大大的提高了工作的可靠性。此后混凝土泵即进入小规模的试用阶段5。第二次世界大战之后，各国陆续开始经济恢复工作，建筑工程规模日益扩大，混凝土泵的销路较好，应用日渐增多。五十年代中叶，联邦德国的托克里特（Torket)公司首先发展了用水作为工作液体的液压缸，使混凝土泵车进入一个新的发展阶段。1959年，联邦德国的施文英公司生产出第一部全液压的混凝土泵，它用油作为工作液体来驱动活塞和阀门，使用后用压力水冲洗泵和输送管。这种液压泵功率大，排量大，运输距离远，可做到无级调节，泵的活塞还可逆向动作以减少堵塞的可能性，因而使混凝土泵的设计、制造和泵送施工技术日趋完善。此后，为了提高混凝土泵的机动性，在六十年代中期又研制了混凝土泵车，并配备了可以回转和伸缩的布料杆，使混凝土泵的浇筑工作更加灵活多变。在活塞式混凝土泵不断完善的过程中，美国的查伦奇一考克兄弟(ChollengecookBors)公司于1963年又研制了一种新型的挤压式混凝土泵6。这种泵的工作原理与活塞式混凝土泵迥然不同，它是利用转动的滚轮挤压软管中的混凝土混合物而进行输送的6。混凝土泵按驱动方式分为活塞式混凝土泵和挤压式混凝土泵两种。活塞式混凝土泵是应用最早也是最有发展前途的一种混凝土泵。活塞式混凝土泵中，根据驱动力的不同，又有机械式活塞泵和液压式活塞泵之分。挤压式混凝土泵在六十年代后期盛行，但是由于这种混凝土泵的排量较小，输送距离不如活塞式大，因而应用逐渐减少7。混凝土泵根据其能否移动以及移动的方式，分为固定式、拖动式和汽车式。汽车式混凝土泵，其工作机构装在汽车底盘上沮都带有布料杆，移动方便，机动灵活，移至新的工作地点不需要进行太多准备工作即可进行浇筑，因而是目前大力发展的机种8。 泵车产品以德国施文英(Schwing)和塞勒(Scheele)公司最为著名，另外意大利、日本、美国等一些国家的泵车产量也有一定规模。近年来，泵车产品日趋完善，泵车臂架节数由最早的2-3节变为4-6节:臂架长度由十几米变为四十多米，超长臂架达到62米;混凝土的理论输送量由40m3/h 增至200m3/h 。泵送混凝土的压力也由2.5MPa变为22MPa9。在我国，泵车的设计与生产的时间不长，设计和制造水平相对较低。为了迅速缩短我国与国外先进国家设计和制造混凝土泵车的差距，国内许多厂家纷纷与国外知名公司合作生产混凝土泵车。其中有代表性的厂家有徐州工程机械厂(与德国合作)，北京城市建设工程机械厂(与意大利合作)，海城建设机械厂(与德国LSB公司合作)，湖北建设机械股份有限公司(与日本合作)等实现混凝土的商品化生产是我国建筑产业中的重大国策。商品混凝土由混凝土搅拌站的搅拌楼集中大量生产，由专用输送设备运至施工工地，再用泵送、布料等设备实现浇筑。在这一过程中馄凝土泵车扮演着重要角色，它可以一次同时完成现场混凝土的输送和布料，具有泵送性能好，布料范围大，能自由行走，机动灵活和转移方便等特点。尤其是在基础、低层施工及需要频繁转移工地时，使用混凝土泵车更能显示其优越性。另外在泵车臂架活动范围内可以任意改变浇筑位置，不需在现场临时铺设管道，节省辅助工时，提高工效。特别是在混凝土浇筑需求量大，超大体积及超厚基础混凝土的一次浇筑和质量要求高的工程中效果更加显著。如新上海国际大厦底板混凝土17000m2，用12台混凝土泵车，64h浇筑完毕；1995年10月上海建工集团总公司集中了36辆混凝土泵车用于上海世界贸易商城基础底板的一次性浇筑施工，连续26h共浇筑混凝土2.4万m，这些都表明了混凝土泵车在现代施工中所起的重要作用10。1.3 短臂架布料机的现状与趋势中国现在是世界上最大的混凝土机械生产国，也可以说是一个混凝土机械生产的强国。就混凝土泵车这一块而言：首先从数量上看，我国的产量占世界市场的绝对优势，三一、中联单个企业一年的混凝土泵车的生产量就可满足全欧洲一年的需求；其次从品种上看，臂架长度从22米到58米的各种型号均有，2006年三一重工还研制出了世界上臂架最长的66米泵车；从技术水平上看，虽然局部的如液压元件，结构件疲劳计算技术还落后于欧洲公司，但整车设计水平已经领先，作为销售的主流三桥和四桥底盘泵车，国内的臂架长度都能做得更长，在海外市场更具竞争力。从市场销售上看，虽然在产品的稳定性和工艺方面还不如国外，但在性价比、售后服务等方面，具有明显的竞争优势，且产品设计更加符合国内或者销售地国家的实际施工情况11。 短臂架泵车是指臂架长度在30米以下的，采用二桥或三桥底盘的泵车。在国外，短臂架泵车依然在市场上保持相当大的份额。以德国施维英为例，我们可以看到其臂架型谱在短臂架上有KVM244H、KVM26-4、KVM28 X等型号可选。而意大利的塞玛(SERMAC)的最新资料上也有3222、4226、5232、4R32等中短型号供选择，甚至还有2218、3224、4228这样的泵车和搅拌输送车整合的产品。反观近年我国的臂架式混凝土泵车的市场中，中短臂架泵车所占份额却非常低。究其原因，首先是国内商品混凝土供货商在向建筑商销售商品混凝土时基本是同时提供泵车泵送服务的。混凝土的结算每吨单价是与泵车臂长紧密结合的，臂架越长越贵。这就使得本来属于短臂架泵车的市场被三十多米的中长臂架泵车所侵占；其次泵车生产厂商更愿意用有限的投入去生产和销售更高附加值的长臂架泵车以赚取更大的利润。但是我们应该清楚的看到，短臂架泵车的发展窘境在近年中国混凝土机械市场是比较特殊的，随着混凝土泵车市场的进一步成熟，短臂架泵车必将迎来一个高速发展期。原因如下：(一)、混凝土泵车市场利润巨大，吸引许多其他行业的投资和厂商进入。但较高的技术和资金门槛，使得短臂架泵车自然成为进入此行业的突破口；(二)、随着商品混凝土市场的进一步成熟，用户群及其的设备功能开始细分。更多如别墅、涵洞、地沟等适合短臂架泵车的建筑施工方希望商品混凝土供货商用成本更低的短臂架泵车施工。而短臂架泵车的灵活机动、集成车载泵等多功能的特点也大大拓展了自己的市场；(三)、2005年”十一五”规划确定了铁路建设为主要目标：新建铁路1万公里，2010年，全国铁路营业里程将达到8.5万公里。其中桥梁箱梁、桥墩，无碴轨道的道床浇筑都是短臂架泵车的强项12。这一巨大的市场立即吸引了众多各类设备提供商的眼球。1.4 课题来源及设计内容1.4.1 课题来源随着经济的发展，大量的农民工在城里获得不少财富。基于中国都有落叶归根的传统思想，很多通过劳动经商致富的农民都回到农村建房。尤其在南方普遍的农民都拥有一套乡间小别墅，中国拥有庞大的农村人口。因此农村的住房建设量是非常大的，如果能把泵车技术引进农村建设中将回带来巨大的经济效益。但是农村的羊肠小道对于布料机的进出影响很大而导致农村建设水平和速度一直处于二十世纪末的水平。针对这种情况，应根据农村具体实际去设计适合农村建设的混凝土泵车。1.4.2 设计内容 计算节臂长度分别为5.5-5.5-4的臂架的具体截面尺寸及臂架与臂架铰接处的所用的销钉直径。根据具体的受力情况选择合适行程及缸径的液压缸。 根据计算结果在Pro/E中画出立体图并装配出来，最后在Pro/E中模拟仿真运动。 选择相应的控制器设计出相应的液压控制系然后在PLC编写控制程序及画出相应的控制电路图。 第2章 方案论证2.1 设计目标 为适应农村建设的需要，本次设计的目标是设计一款短臂架、适合穿行乡村羊肠小道的小型高效的混凝土布料机。 2.2 方案的拟定2.2.1 布料机样式的确定 1 手动式布料机 手动式布料机完全由人工操作，具体机构简单、机动灵活、操作方便、价格低廉，适合于混凝土平面浇注施工，目前市场较大，整机可绕回转支座回转，臂架分为两段，后臂可绕前臂回转，两处回转组合可实现臂长范围内的连续布料。两外，伸缩支腿可调节高度和长度，立架可拆卸，以满足不同的施工要求。 2 塔式布料机 塔式布料机布料半径大，布料臂2-5节，一般采用液压式，也有少量机械式，根据施工现场的不同，可选用固定式、内爬式、行走式。塔式布料机以管柱内爬式为主。 3 船用布料机 工作环境湿度大，海风含盐分，腐蚀性大，电气系统容易出故障。要求在七级海风、船舶倾斜度3度、船体震动的条件下正常工作。船体倾斜和摆动使整机产生附近载荷，影响布料机的动态特性。船用布料机广泛应用与港口、桥梁的建设，特别在跨海大桥的建设中发挥了巨大作用。 4 车载式布料机 车载式布料机是将布料杆安装在载重汽车底盘上的混凝土布料设备，由低架、布料杆、液压缸连杆机构、等组成。 布料杆是由采用低合金高强度薄钢板组焊接的矩形断面钢结构臂架组成。布料杆一般是由4节臂架铰接构成，各节臂架长度不一，视组合构造需要而定。整个布料杆采用液压缸进行架设，可以垂直竖立，也可以水平伸出。臂架与臂架之间通过铰接相连。前一节臂架可围绕后一节臂架前段的铰点进行转动，借助液压缸连接杆机头实现伸展和折叠。第一、二折叠角为180度，第三、四折叠角为240-250度，整个不料杆可以转动370度。因此，布料杆的活动面大，有效范围大，深受施工单位欢迎。 由于本次设计的目标是农村建设因此布料机需要经常转换施工地点，而且在农村也缺少适合吊装布料杆系统的起重机因此在样式上选择车载式布料机也就是泵车。2.2.2 布料机臂架基本参数的确定 臂架系统的基本参数主要有：节臂数、垂直布料高度（m）、水平布料半径（m）、折叠方式。因本产品主要是针对农村地区建设而设计的混凝土布料系统，所以臂架的节数、每节臂架的长度、旋转角度角度、都要要根据广农村地区的具体路况及其楼房建设高度去设定。从而使该布料系统能适应大部分的乡村建设。具笔者考察，农村地区的路面宽度主要在3米，转弯半径在5米。主要通行的车辆一般长度都在6米内；楼房层数一般为3层，每层高3.8米。总高一般在12左右。综合上述，为适应农村建设的需求，该产品的臂架系统的基本参数设置主要如表2-1，2-2，2-3所示。表2-1 臂架系统基本参数 节臂数垂直布料高度（m）水平布料半径（m） 折叠方式 3 20.3 18 M表2-2 臂架系统基本参数 长度（m） 摆角()节臂15.55 162节臂25.55 180 节臂34.18+3（三米可拆装） 180表2-3 臂架系统主要参数最大理论输出量（m/h）20泵送液压系统额定压力（MPa）20允许最大骨料粒(mm)碎石40臂架管内径（mm）125最大布料高度（m）20.2最大布料半径（m）18.3最大布料深度（m）16.3末端软管长度（m）3液压系统压力（MPa)16臂架回转角度（）3602.3 整体方案根据臂架系统的基本参数最后确定整体方案，方案简图如图2-1所示如图2-1第3章 布料机臂架系统3.1 臂架载荷分析及设计原则泵车臂架所承受的交变载荷为脉动循环载荷，其主要来源于泵送系统，分两个方面，一是主油缸推送混凝土时通过输送管而传递给臂架的，它的方向根据输送配管的走向改变而改变，使臂架受力变得臂架复杂难以计算；其二是来自S阀换向摆动油缸的横向冲击；另外，回转系统频繁的启动和制动过程对比较产生的惯性力，也是臂架一个主要的动载荷来源；还有臂架系统自重（包括作业期间输送管内的混凝土的重量）应力，也是一个十分重要的力源，至于发动机及传动轴高速旋转所产生的振动也会对臂架抖动产生微弱影响，相对泵送系统、回转系统、臂架系统自重的影响来说可以忽略不计。因此，在进行臂架系统设计时，主要针对泵送系统、回转系统动载荷和臂架系统自重可能对臂架结构产生的不利影响来对臂架系统的具体机构尺寸使其的强度、刚度、稳定性得到保证。 关于臂架系统的开发和探究历来都是工程师们关心的核心问题之一。一方面我们希望臂架系统拥有满足需求的整体强度、刚度,同时对于工作环境能够有非常强的适应能力兼备较高的可靠性,另一方面动态特性也要比较合理,机动性较强。为了满足臂架结构的稳定性、强度、刚度等各方面要求,但是泵车臂架的结构样式很多,为了能够得到、选用一个较好的臂架,我们应当遵循下列原则:(1)拥有满足要求的稳定性、强度和刚度;(2)重量尽可能小,尽可能轻便;(3)在条件、技术允许情况下,臂架的伸展高度尽可能大,获得更大的布料范围;(4)水平长度长,净水平长度尽可能长;(5)大的下探深度;(6)臂架打开的高度较低;(7)布料方式较为灵活;(8)结构样式紧凑;(9)定位精准,误差较小;(10)臂架外形尽可能美观,满足视觉要求等3。3.3 臂架具体参数的计算本次设计的臂架为由合金钢板焊接而成的箱型断面结构，但是鉴于臂架的具体尺寸都是未知的，而臂架的水平受力大小主要取决于臂架垂直方向的受力。故本次设计计算中先忽略臂架所受的水平弯矩和扭矩，只考虑臂架每一处所受的弯矩。先算出主要用于承受垂直方向弯矩的那一部分截面的尺寸也就是截面的高度y，臂架的截面如图2-1，再针对臂架所受的扭矩、水平方向弯矩计算臂架整个截面的具体尺寸。图3-1 臂架截面3.3.1 节臂3尺寸及其铰接零件尺寸的计算 1 臂架截面高度y的计算第三节臂架垂臂架承受的垂直方向的载荷主要有：臂架自重、臂架管道及其混凝土的重力。它们的位置及其节臂3计算简图如图3-2： 式中G1节臂3的臂架管及其管内混凝土的重量， G2软管及其管内混凝土和人工牵引力等效作用力，L13臂架管及其管内混凝土重心相对节臂3铰接点的距离 L23臂架管支撑点到B3铰接处的距离 L33软管及其管内混凝土等效重心到节臂3铰接处的距离 Kd动载荷系数，一般取 节臂3上的载荷分布简图如图3-2： 图3-2 节臂3的受力分析及具体尺寸位置简图因为臂架系统除了支撑臂架管外，主要支撑的还有自身的重量。如果设计的是普通的等截面尺寸的臂架，这样不仅会大大增加臂架的自身重量浪费材料而且还会增加臂架的不稳定性及其降低工作效率。这些在都不利于该机械的推广和减低它自身的竞争力。因此本节设计的重点是利用微积分去算出在截面宽度一定时对应的高度恰好为多少时可使整个臂架每一处能承受的最大弯矩都一样。这样就能充分发挥每一处材料的作用。鉴于臂架主要承受的载荷是垂直方向上的弯矩、而根据具体的推算在材料横截面积一定时，高度越大其承受的垂直方向的弯矩越大。根据臂架设计经验，本次设计中采用的是厚度为0.016m的Q550低合金高强度钢板。在以节臂3与节臂2铰接处为笛卡尔坐标系原点时，XYZ轴的分布如图3-1所示。根据材料力学分析在考虑臂架自身重量时，臂架承受的弯矩有两部分组成：1臂架自身重力产生的弯矩MB、2臂架管及其管内混凝土重力产生的弯矩MA。根据力学分析可得 （3-1） (3-2) （3-3） （3-4） (3-5)式中Q550钢板的密度， hQ550钢板的厚度， Kd动载荷系数， Q550的许用应力sQ550的屈服强度，bQ550的抗拉强度，其中 联立式子（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）并带入相应的数据可得出式子 （3-6） 该方程在Pro/E中求曲线的编程较复杂，本次设计采取取样的方式：x轴每隔0.8(m)取一个点，y(m)只取正值。将x点值代入式（3-6）求得一系列相应的y值，如下表（3-4）：表3-4 y随x在式（3-6）中变化表x00.81.62.43.24y0.11230.0990.0850.0680.0480y=0是因为x=4的位置处不承受弯矩，但这个位置还承受垂直向下大小为5727N的力 故此处应计算满足剪切力的最小的y值。根据受力分析可得以下式子： (3-7) (3-8)由式(3-7)、(2-8)求得 2 节臂横截面宽度的计算在Pro/E中画出拟合出该曲线如图2-3图3-3 节臂3截面高度变化曲线图 通过Pro/E分析出该臂架的水平方向的迎风面积s1为0.336m 其型心距离坐标系原点距离为L43为1.72m、臂架管的迎风面积s2为1.34m （1）节臂3的风载荷的计算 风力大小的计算由文献13，23-24表3-5、Pg23表3-6、表3-7知 节臂3风载荷式中 c风载体型系数值， Kh高度修正系数， q标准风压值，（N/m） s节臂和臂架管的迎风面积， Ffb3节臂3本身的风载荷，N Ffg3节臂3的臂架管的风载荷，N 风载荷产生的水平弯矩的计算式中Mf3由风力引起节臂3铰接处的水平弯矩 （2）节臂3制动载荷的计算 在本次设计中节臂3端点的切向速度为30m/min,切向加速度a3为0.2m/s13。节臂3制动力的计算臂架部分因制动产生的惯性力水平弯矩的计算 （3）截面宽度z的计算 （3-9) （3-10） (3-11)连立式子（3-9）、（3-10）、（3-11）并带入数据可求得节臂3在水平方向承受的最大弯矩处的节臂宽度z为0.058m根据上述计算结果在Pro/E中建立节臂3的三维模型如图3-4： 图3-4 节臂3的三维模型图3 臂架铰接处各部件的选择及其计算 （1）液压缸的选择臂2与臂3的铰接简图如图3-5所示：图3-5 臂2与臂3的铰接简图根据上文的分析知在臂架处于图3-6的状态是臂架3产生的弯矩是最大的，而此状态铰接处的弯矩M为25616.137Nm 根据文献14,155表4-37HSG系列工程液压缸的结构、型号说明和技术规格查得选用HSG63/45AEEZ1行程为800mm的工程液压缸。选择该液的主要数据依据如下：式中 F液压缸的最大推力由上算出L为0.5134m ，L长短合理可以增加臂架的稳定性。因此选择HSG63/45AEEZ1液压缸。 （2） 节臂2、3铰接处销钉直径及其杆1、2截面尺寸的计算 为了保证臂架驱动液压缸的安全，销钉及其连杆的计算力矩及其力的来源全部采用臂架自身因各种因素产生的力和弯矩来计算。这样可以使在液压缸受到破坏前销钉或支撑杆先出现问题。销钉直径d1、d2的计算： 用于支撑节臂3的杆2的力偶L4可通Pro/E过找出臂架承受最大弯矩时杆2与臂架的连接简图去测量出来，杆2与臂架的连接简图如图3-6所示图3-6 杆2与臂架的连接简图经测量得L4为0.1m销钉采用45#钢，它的抗拉强度、屈服强度计算销钉的直径： 由剪切强度条件得： 根据力的相互作用原理可知，在节臂2与节臂3连接处的销钉在材料相同时它的直径d2=d1。节臂3杆2截面的尺寸的计算 根据分析杆2的长度为0.54m形状如图3-7；其立体图见图3-8图3-7 杆2形状图由许用压应力强度条件：得 根据材料力学分析可知要校核压杆的稳定性，通过分析可用下式计算该支撑杆的直径。 （3-12） （3-13） （3-14） （3-15）式中 Fcr压杆的临界力 nst安全因数， E45#弹性模量， I惯性矩 压杆长度系数， 联立（3-12）、（3-13）、（3-14）、（3-15）式子并带入数据可得综合上述计算取根据计算结果可画出杆2的具体图形如图3-8所示：图3-8 支撑杆2的具体图形销钉直径d3、d4、d5的计算 节臂3铰接处连接杆1的销钉的受最大拉力时的受力简图如图3-9所示：图3-9 节臂3铰接处连接杆1的销钉的受最大拉力时的受力简图销钉采用45#钢，它的抗拉强度、屈服强度计算销钉的直径 由剪切强度条件得 根据力的相互作用原理可知，在杆1与杆2连接处的销钉承受的剪切力大小相等方向相反，又由图3-9知F明显小于F1，因此有d5=d4=d3= 0.027m。杆1截面尺寸的计算 杆1受到最大拉力时，它的最小截面形状如图3-10；其立体图见图3-11。图中材料为45#，.根据受力分析可得下列式子：杆1受的最大拉力 通过上述式子可求得：，取又因为杆1承受的压力远小于拉力故不用做考虑，综上可画出杆1的立体图如图3-11：图3-11 杆1立体图3.3.2 节臂2尺寸及其铰接零件尺寸的计算 1 臂架截面高度y的计算第2节 节架垂臂架承受的垂直方向的载荷主要有：节臂2自重、节臂3、臂架管及其臂架管内混凝土的重力。图3-12中 式中 G12节臂2的臂架管及其管内混凝土的重量G1节臂3的臂架管及其管内混凝土的重量，G2软管及其管内混凝土和人工牵引力等效作用力，G3节臂3的重量 G4节臂2与节臂3铰接处液压缸和支撑杆的重量，L12节臂2的臂架管及其管内混凝土重心相对节臂2与节臂1铰接处的距离 L22节臂2的臂架管支撑点到节臂2与节臂1铰接处的距离 Kd动载荷系数，其中节臂2上的载荷分布简图如图3-12：图3-12 节臂2上的载荷分布简图 与节臂3相同节臂架2采用的也是厚度为0.016m的Q550低合金高强度钢板。在以节臂1与节臂2铰接处为笛卡尔坐标原点时，XYZ轴的分布如图3.1所示。根据材料力学分析在考虑臂架自身重量时，臂架承受的弯有两部分组成：1臂架自身重力产生的弯矩MB、2节臂2及其臂架管及其管内混凝土重力对节臂2的弯矩与整个节臂3节臂2弯矩之和MA。根据受力分析得在X坐标轴处坐标为X的右侧 （3-15） （3-16） （3-17） （3-18） (3-19)式中 Q550钢板的密度， hQ550钢板的厚度， Kd动载荷系数， Q550的许用应力， sQ550的屈服强度， bQ550的抗拉强度， Mb3节臂3与节臂2铰接的处的弯矩，其中 联立式子（3-15）、（3-16）、（3-17）、（3-18）、（3-19）并带入相应的数据可得出式子： （3-20） 该方程在Pro/E中求曲线的编程较复杂，本次设计采取取样的方式：x轴每隔0.8(m)取一个点，y(m)只取正值。y随x依式（3-20）变化得表（3-5）：表3-5 y随x依式（3-20）变化表x00.81.62.43.244.85.55y0.2050.1930.180.1670.1540.1410.1270.112在Pro/E中画出拟合出该曲线如图3-13 图3-13 节臂2截面高度变化曲线图 2 节臂横截面宽度的计算 根据节臂3的计算先假定节臂2的宽度为0.11m通过Pro/E分析当节臂2的宽度为0.08m时臂架的质量为294kg、水平方向的迎风面积s3为0.936m 其型心距离坐标原点距离为L42为2.621m、臂架管的迎风面积s4为0.744m 其型心坐标具坐标原点的距离为L12为2.775m，质量为317.2kg （1）节臂2的风载荷的计算风力大小的计算 根据文献13,23表3-5、Pg23表3-6、表3-7知 节臂2风载荷： 式中c风载体型系数值，Kh高度修正系数， q标准风压值，（N/m） Ffb2节臂2本身的风载荷，NFfg2节臂2的臂架管的风载荷，N风力产生的水平弯矩的计算式中 L42节臂2型心与节臂2铰接处的距离 Mf2由风力引起节臂2铰接处的水平弯矩 （2）节臂2制动载荷的计算 分析可知臂架一字展开水平浇注时的制动力是最大的，这种状态下节臂3端点的切向速度为30m/min，切向加速度为。制动力的计算 臂架部分因制动产生的惯性力 式中 Fzb2节臂2臂架部分因制动产生的惯性力 ab2节臂2质心的加速度 m节臂2的质量其中 臂架管因制动产生的惯性力式中 Fzg2臂架管因制动产生的惯性力 ag2节臂2的臂架管的质心加速度 m节臂2的臂架管的质量其中 制动力产的水平弯矩Mz2的计算 （3） 截面宽度z的计算： （3-21) （3-22） (3-23)联立式子（3-21）、（3-22）、（3-23）并代入数据可求得节臂2在水平方向承受的最大弯矩处的节臂宽度：。根据上述计算结果在Pro/E中建立节臂2的三维模型如图3-14： 图3-14 节臂2的三维模型图3 臂架铰接处各部件的选择及其计算 （1） 液压缸的选择 节臂1与节臂2的铰接简图如图3-15所示：图3-15 臂1与臂2的铰接简图根据上文的分析知在臂架处于图3-15的状态是臂架3产生的弯矩是最大的，而此状态铰接处的弯矩M为85385.3Nm 根据文献14,144表4-37HSG系列工程液压缸的结构、型号说明和技术规格查得选用HSG125/90AEEZ1行程为800mm的工程液压缸。选择该液的主要数据依据如下：式中 F液压缸的最大推力由上算出，L长度合适，可以增加臂架的稳定性。因此选择HSG125/90AEEZ1液压缸 （1） 节臂2铰接处销钉直径d及其杆1、2截面尺寸的计算销钉直径d1、d2的计算 用于支撑臂架2的杆2的力偶长度L4可通过Pro/E软件测出来如图3-16： 图3-16 臂架2支撑杆简图通过Pro/E可分析出式中Fs销钉1承受的剪切力销钉采用45#钢，它的抗拉强度、屈服强度计算销钉1的直径d1：由剪切强度条件：得： 根据力的相互作用原理可知，在节臂1与节臂2铰接处销钉2承的剪切力与销钉1承受剪切力大小相等方向相反。因此有杆2截面的尺寸的计算： 根据分析节臂2支撑杆杆2的长度为0.60m形状如图3-17，其立体图如图3-18所示 图3-17 节臂2支撑杆杆2简图图中 、sd1未知、由许用压应力强度条件：得 ：由压杆的稳定可知： （3-24） （3-25） （3-26）式中Fcr压杆的临界力 nst 安全因数，E45#弹性模量， I惯性矩 压杆长度系数， 联立（3-24）、（3-25）、（3-26）式子并带入数据可得：综上可知取sd1的大值，根据计算结果可画出杆2的具体图形如图3-18所示图3-18 支撑杆2立体图 销钉3、4、5直径d3、d4、d5的计算 节臂2铰接处连接杆1销钉的受最大拉力时的受力简图如图3-19所示图3-19 节臂2铰接处连接杆1销钉的受最大拉力时的受力简图采用45#钢，它的抗拉强度s600MPa、屈服强度b355MPa=(0.5s+0.3b)/n=（0.56000.3355）/1.35=265Mpa=s/3=/3355=245MPa计算销钉3的直径d3 由剪切强度条件：AsFs/得： 根据力的相互作用可知，销钉3与销钉4承受大小相等方向相反的剪切力。又根据销钉的受力简图2.4.8可知F小于F1，故取d5=d4=d3=0.047m杆1截面尺寸的计算 杆1受到最大拉力时，它的截面形状如图3-20：图3-20 杆1受到最大拉力时的截面形状图图中材料为45#，H=0.016m.根据受力分析可得下列式子A1=0.0162sd1=265MPa式中杆1受的最大拉力，F1=864750.7N通过上述式子可求得 Sd10.10m，取0.1m因为杆1主要承受拉应力因此它的压应力和压杆稳定性就不行计算和校核。根据计算结果可画出杆1如图3-21图3-21 杆1立体图3.3.3 节臂1尺寸及其铰接零件尺寸的计算 1 臂架截面高度y的计算 第1节臂架垂臂架承受的垂直方向的载荷主要有：臂架1自重、臂架2、臂架3、臂架管及其臂架管内混凝土的重力。图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节臂1的臂架管及其管内混凝土的重量 G1节臂2及节臂3的臂架管及其管内混凝土的重量 G2节臂3的软管及其管内混凝土和人工牵引力等效作用力 G3节臂3的重量 G4节臂2与节臂3铰接处液压缸和支撑杆的重量 G5节臂2的重量 G6节臂1与节臂2铰接处驱动液压缸及其支撑杆的重量 L11节臂1的臂架管及其管内混凝土重心相对节臂1与基座铰接处的距离 L21节臂1的臂架管支撑点到节臂1与基座铰接处的距离 Kd动载荷系数，一般取Kd=1.2其中 G12=（3+2+0.55+0.55m）52kg/m9.8N/kg=3180.56N G1=(7+0.275+5.55+0.275m）52kg/m9.8N/kg=6675.8N G3=109kg9.8N/kg=1068.2N G2=709.6N G4=392N G5=3087N G6=1019N L12=L21/2=2.775m L21=5.55m节臂1上的载荷分布简图如图3-22：图3-22 节臂2上的载荷分布简图 与节臂3、2相同节臂1采用的也是h=0.016m厚的Q550低合金高强度钢板。在以基座与节臂1铰接处为笛卡尔坐标原点时，XYZ轴的分布如图3-1所示。根据材料力学分析在考虑臂架自身重量时，臂架承受的弯有两部分组成：1臂架自身重力产生的弯矩MB、2节臂2、节臂3、臂架管及其管内混凝土重力对臂架产生的弯矩MA。通过受力分析得MA=F（L-x)+Mb3+Mb2=17450.2（5.55-x)+25616.14+85385.3 =207849.9-17450.2x （3-27）MB=3014.4y(15.40125-5.55x+x/2） （3-28） Mx=MA+MB （3-29） Iy=Mxy （3-30） Iy=2hy/12 (3-31)式中Q550钢板的密度，=7850kg/m hQ550钢板的厚度，h=0.016m Kd动载荷系数， Kd=1.2 Q550的许用应力 sQ550的屈服强度，s=530MPa bQ550的抗拉强度，b=670MPa Mb3节臂3与节臂2铰接处的弯矩，Mb3=25616.14NmMb2节臂2与节臂1铰接处的弯矩，Mb2=85385.3Nm其中 =(0.5s+0.35b)/n联立式子（3-27）、（3-28）、（3-29）、（3-30）、(3-31)并带入相应的数据可得出式子：2027840y=207849.9-17450.2x+3014.4y(15.40125-5.55x+x/2) （2-32） 该方程在Pro/E中求曲线的编程较复杂，本次设计采取取样的方式：x轴每隔0.8(m)取一个点，y(m)只取正值。y随x依式（3-32）变化得表（2-6）：表3-6 y随x依式（2-32）变化表x00.81.62.43.244.85.55y0.3320.3170.3040.2900.2760.2620.2480.234 2 节臂横截面宽度的计算 根据节臂2及其节臂3计算先假定节臂1的宽度为0.15m在Pro/E中画出拟合出该曲线如图3-23：图3-23 节臂1截面高度变