HB37混凝土泵车布料杆的有限元计算与分析

内容摘要：本文通过对泵车布料杆的有限元计算与分析，给出了布料杆在最危险工况下的位移和应力分布情况，为泵车的布料杆设计和改进提供了理论依据。
关键词：泵车　布料杆　有限元
　　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。长期以来，我国的泵车布料杆都是整体从国外进口的，但随着国内泵车市场竞争的加剧和产品利润空间的缩小，近几年国内的泵车企业纷纷开始了布料杆的自制工作。如何设计并制造出既满足工作需要又重量最轻的布料杆是每个混凝土泵车生产厂家重点攻关的课题。经过几年的努力，徐州重型机械厂在泵车布料杆的设计理论和技术方面有了一定的突破，本文采用ＡＮＳＹＳ软件对我厂自行设计制造的ＨＢ３７型混凝土泵车布料杆进行了有限元分析。
　　１．ＨＢ３７型混凝土泵车简介
ＨＢ３７型混凝土泵车是一种用于混凝土连续浇筑施工的现代化建筑设备。它具有机动灵活、准备时间短、施工效率高、施工质量好和环境污染小等特点。被广泛应用于桥梁、电厂、钢厂、水处理厂等大型基础设备及高层建筑中。其主要技术参数如下：
理论泵送量（ｍ３／ｈ） １３８／１００
泵送能力（Ｍｐａ．ｍ３／ｈ） ６９５
泵送次数（次／分钟） ２７／１８
最大布料高度（ｍ） ３６６
最大布料半径（ｍ） ３２６
最大布料深度（ｍ） ２５
泵送混凝土压力（Ｍｐａ） ８７／１３
ＨＢ３７混凝土泵车安装在沃而沃ＦＭｌ２－６Ｘ４底盘上，其关键技术有：闭式回路液压系统；双变量液压泵；等强度布料杆；无线遥控电器操纵系统等等。
　　２．布料杆的结构
　　ＨＢ３７泵车布料杆采用“Ｒ”型折叠方式，共有四节。第一节长度为８８６０ｍｍ，第二节长度为７９６０ｍｍ，第三节长度为７９６０ｍｍ，第四节长度为７８５５ｍｍ。材料选用屈服强度７００Ｎ／ｍｍ２的进口高强度钢板，同时组成布料杆的还有四个变幅油缸、三组四连杆机构和输送管支架等。布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。
　　３．布料杆有限元模型的建立
　　３．１有限元模型
徐州重型机械厂所设计的产品均采用ＰＲＯ／Ｅ设计，因而布料杆有限元分析的实体建模也是在ＰＲＯ／Ｅ上完成的，相比ＡＮＳＹＳ软件的前处理功能，ＰＲＯ／Ｅ的实体建模要快速和方便得多。在布料杆建模时，我们充分考虑了后续有限元模形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。如各节臂变幅缸铰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、连杆机构以及变幅油缸连接在一起的，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、油缸、连杆和销轴等零部件。网格划分时，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。
　　３．２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五个自由度、变一油缸与回转平台铰点处的三个位移自由度，同时通过节点位移偶合来实现各节臂与轴、连杆、油缸之间的连接关系。
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。
　　４．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
可以看出从基本臂到四节臂，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为：
　　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