試論混凝土泵車臂架系統的仿真與應用

張忠元+郭艷萍+張穎

摘 要：本文闡述了混凝土泵車的構成及其臂架系統的特點，重點對其仿真及應用問題進行了分析，并對分析結果進行了討論與總結。

關鍵詞：混凝土泵車；臂架系統；仿真；應用

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

0 前言

混凝土泵車是工程用以運輸混凝土的主要器械，臂架系統是泵車的主要構成部分。臂架系統在受力等方面的性能，在很大程度上決定著泵車本身的性能，因此在泵車設計過程中，必須將臂架系統的設計作為重點，通過仿真等方法，對其性能進行優化控制，提高其應用價值。

1 混凝土泵車及其臂架系統的構成

1.1 混凝土泵車的構成

不同系統的功能各不相同，以底盤系統為例，混凝土泵車的底盤設計，應保證能夠與上車部分的尺寸配套，要保證能夠支持泵送系統以及臂架系統功能的順利實現。取力器是底盤系統的主要組成部分，一般包括兩種形式，一種為底盤發動機自帶全功率取力器，另一種為底盤后驅動傳動軸中間增加分動箱。在本次設計中，底盤系統取力器以第二種為主，優勢在于能夠有效提高油泵公路，能夠使混凝土泵車的使用性能得以增強[2]。

1.2 混凝土泵車臂架系統

混凝土泵車臂架系統功能的發揮，與變幅機構的支持存在聯系，同時也與油缸長度與臂間夾角有關。

以變幅機構為例，臂架的展開以及收攏，及其在混凝土澆筑時的定位，均由變幅機構的控制來完成，該機構能夠通過推與拉兩個動作，實現對臂架動作各方面動作的控制。油缸的變幅機構，具有緊湊、重量輕的特點，其類型的選擇，應以角變幅為主要參考來完成。當角變幅在90度左右時，采用單缸三鉸點變幅較為合理，能夠使臂架系統的功能得到最大程度的發揮[3]。

2 混凝土泵車臂架系統的仿真與應用

以44M混凝土泵車為例，對其臂架系統的構成情況進行了分析，并完成了具體仿真過程。

2.1 混凝土泵車臂架結構

44M混凝土泵車，臂架結構以五節無極調速折疊式布料臂架為主，卷折方式以RZ型為主，構成情況較為復雜，主要包括以下幾種：上轉臺、活塞桿、油缸、臂架、彎連桿以及直連桿等。其中，每一部分的數量均各不相同，將各部分互相連接在一起，可形成整體的臂架系統，而各部分功能的共同發揮，則能夠使系統推拉等動作得以實現[4]。

采用ADAMS對臂架結構進行了動力學仿真，首先應確定其自由度情況，公式如下：W=3×（n-1）-2pD-pG。其中W代表自由度，n代表構件的數量，pD代表低幅，pG代表高幅。考慮44M混凝土泵車臂架系統的特點，其構件的數量一般為23個，低幅一般包括32個。將上述數值帶入計算公式可以得出，W=5，進一步計算一節臂與上轉臺間四桿機構的自由度，得出數值為W=1。

2.2 混凝土泵車布料臂架系統仿真

2.2.1 假設

（1）假設零部件為剛體，無內部間隙。（2）假設上轉臺與地面固定，不考慮振動問題。（3）動荷載為自重荷載×1.2。

2.2.2 仿真過程

仿真過程如下：（1）系統建模：創建零件，并對零件施加運動及荷載。（2）模型仿真：設置測量和輸出仿真，并對其加以執行。（3）驗證結果：將實驗數據輸入到系統當中，并添加實驗數據有關曲線。將其與實驗結果進行對比，判斷是否一致，如不一致，則需對模型進行細化，增加摩擦力、定義柔性體單元等，并再次對結果進行驗證。（4）如驗證結果與實驗結果一致，則可重復仿真，設置可變參數點，并能定義設計變量。（5）優化分析：對設計變量的敏感度進行分析，對設計試驗進行優化。（6）定制界面：定制菜單以及對話框。

2.3 仿真結果的驗證

采用以下方法驗證結果：（1）將壓力傳感器接入高壓進油腔，臂架完成與仿真時相同的動作。（2）得出各支油缸的壓力變化曲線。（3）仿真受力曲線。（4）比較兩個曲線是否一致。將仿真受力轉化為壓力。

仿真后，得到油缸最大壓力為。

壓力對比情況如表1：

通過表1可以看出，仿真與實驗數據對比無統計學差異。

2.4 模型參數化過程

ADAMS軟件建立的動力化模型，隱式為主要方程式，采用Gear預估-校正算法，能夠實現對方程的求解。求解后，可得出動力學模型，并了解速度以及加速度等邊界條件。將初始條件設置為變量，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化的過程。

2.5 泵車的設計

在了解泵車整體情況的基礎上，通過ADAMS軟件完成仿真建模，并對模型進行了優化設計。優化設計需確定相應設計變量，同時建立目標函數，構建約束條件才可實現。從靈敏度分析、機構優化設計兩個角度，完成了優化設計過程，對油缸的受力情況等進行了分析，發現在鉸點連接位置改變的情況下，油缸壓力可有效減小，優化值：各變量分為為-7885.3、-181.2、-8025.6、-46、-8465.5、-1099.4，在此優化值下，壓力為-2412154。

3 討論

通過仿真的方法，能夠有效得出最佳變量控制值，進而將油缸壓力降到最低，提高臂架系統的性能。

4 結論

綜上所述，應通過仿真的方法，對混凝土泵車臂架系統進行設計，以使其應用效果得到優化控制。

參考文獻：

[1]李濤，劉白雁，張如偉，李康.混凝土泵車臂架系統建模與仿真分析[J].武漢科技大學學報，2012（02）：129-132.

[2]金明勇，張如偉，陳新元，李濤.基于AMESim的混凝土泵車臂架系統建模與仿真[J].建筑機械，2011（07）：86-88+91.

[3]郭大猛，歐關懷，李允公，劉闊.基于模糊梯度投影法的混凝土泵車臂架運動仿真[J].系統仿真學報，2011（06）：1264-1267.

[4]楊平，王瑞，紹雨虹，呂彭民.基于剛柔耦合模型的混凝土泵車臂架系統動力學仿真[J].吉林工程技術師范學院學報，2011（12）：76-78.