混凝土泵車后支腿結構優化研究

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

混凝土泵車后支腿結構優化研究

邱翠容，魏忠靈，胡雄偉，魏立峰

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

對后支腿Solidworks有限元建模及加載方法進行研究；以某泵車后支腿作為實例，進行了混凝土泵車后支腿結構的靜態及屈曲分析，找出后支腿應力分布規律、重點關注部位及減重部位；并針對不同工況進行對比分析，得出支腿結構優化的方法及減重降成本的措施，為后支腿結構設計提供參考。

混凝土泵車；后支腿；結構；研究

混凝土泵車是將泵送系統、支撐系統和臂架系統集成在改制的載重汽車底盤上，集行駛、泵送、布料功能于一體的高效混凝土輸送設備。混凝土泵車(見圖1)通過分動箱將底盤發動機的動力傳輸給泵送系統，將料斗內的混凝土加壓，然后利用泵車上臂架和輸送管，將混凝土泵送到指定位置。支撐系統一般由固定轉塔、轉臺、回轉機構和支腿四部分組成。支腿是泵車支撐系統中起支撐作用的部件，支腿設計的優劣直接影響泵車的可靠與安全,對工程機械產品的設計具有重要作用。

圖1 混凝土泵車示意圖

泵車支腿一般分為前支腿和后支腿，目前泵車的主流產品為X型前支腿和擺動型后支腿。前支腿多為等截面梁，而后支腿因與固定轉塔的接口形式、離地高度及與平臺距離的限制，多為變截面梁。變截面梁的應力、位移和穩定性計算較復雜，并且無法直觀的看到支腿上各節點的應力變化，使得后期結構優化難度加大。在結構設計初期，一般先按照等截面梁初算支腿臂的截面和板厚，后續再利用有限元分析軟件進行結構優化。

SolidWorks采用非全約束的特征建模技術, 其設計過程全相關,可以在設計的任何階段對設計進行修改,同時自動實現與之相關的更新。利用Solidworks截面執行設計分析、仿真和優化，就目前主流生產泵車后支腿結構進行研究，找出了影響后支腿結構應力分布的規律，同時對某生產車型后支腿結構進行改進優化，滿足企業生產需要。由于混凝土泵車工作時工況繁多，只取后支腿工作最惡劣工況，即臂架全部水平展開狀態，并且臂架位于該支腿上方的情況。

1 支腿截面尺寸設計計算

泵車支腿為箱型梁結構，為計算確定截面尺寸及板厚等設計數值，首先規定蓋板及底板所能承受的正應力值δg和δd，然后將所需的截面尺寸各個數值與之發生關系，聯立出等式方程。

首先，最大正應力與最大彎矩和箱體抗彎截面系數關系如下：

式中， Mmax——為最大彎矩，可根據支腿所受最大支反力算出，為已知數值。

W——箱體的抗彎截面系數，它與截面的幾何形狀有關，單位是m3。

I——截面的慣性矩，量綱為m4。

e——截面型心到相應邊的距離。

根據泵車支腿截面形狀，計算出I和e的值，并使之與所需要計算的截面各尺寸發生關系。

1.1 截面型心位置坐標計算

根據分塊積分原理，組合圖形的靜矩等于其各部分圖形的靜矩之和。截面有一垂直對稱軸，其形心必然在這一對稱軸上，因而只需確定形心在對稱軸上的位置。組合圖形形心坐標的計算公式為：

式中，Ai和yi，Zi分別表示任一組成成分的面積及其型心的坐標。n表示圖形由n個部分組成。

繪制支腿截面形狀，并設各未知尺寸如圖2，箱體蓋板與底板寬度為w，蓋板厚度為δ1，底板厚度為δ2，高度h，厚度b。

設ABCD的面積為A1，abcd的面積為A2。以底邊DC作為參考坐標軸y。

圖2 箱體截面

由公式（3），整個截面的形心C的坐標為：

1.2 由平行移軸公式, 計算截面對形心軸慣性距

矩形ABCD對yCfalse的慣性矩：

1.3 最大正應力計算

將（2），（8）代入（11）可得截面上邊的抗彎截面模數：

其中，Fmax、l為已知數據，將得到支腿截面各尺寸間的關系不等式，未知數包括底板寬度w、蓋板厚度δ1、底板厚度δ1、高度h、側板厚度b共5個。確定蓋板、底板、側板要用鋼板的厚度，通過聯立方程，即可計算出箱體寬度w與高度h的值。

2 仿真模型建立及計算過程

利用有限元分析軟件Solidworks對支腿進行應力分析、變形量、穩定性分析及優化。

2.1 模型的建立

根據整車跨距、固定轉塔及接口形式、輪胎離地高度、離去角等確定后支腿的接口形式、截面高度、支腿長度等重要參數，利用PROE軟件進行建模。

（1）模型轉換。將支腿臂Pro/E部件模型轉換為STEP格式文件。將STEP格式文件支腿臂模型導入Solidworks軟件中。在Solidworks軟件中將支腿臂部件轉換為零件。

（2）Solidworks零件模型處理。去除支腿臂模型中非承力特征，預留焊接坡口，預留焊接間隙，對支腿臂Solidworks零件模型進行合并。

（3）創建支腿有限元分析輔助零件模型。創建后支腿固定轉塔、支腿軸、下撐油缸、墊板、后支腿展開油缸簡化模型等，應確保與之裝配零件的接觸面無間隙、無干涉，并按照原零部件的實際尺寸進行簡化。

2.2 創建支腿有限元分析計算裝配模型

以固定轉塔簡化零件模型為基準件（固定），根據支腿臂、油缸墊板、固定轉塔、油缸、支腿軸的實際裝配關系裝配上述零件。

2.3 支腿靜態計算

（1）支腿靜態計算模型網格劃分及邊界條件施加。接觸面組定義：零部件全局接觸為無穿透。定義相觸面組：對于間隙為零的兩個零件的相觸面組采用自動查找相觸面組的方法進行設置；檢查裝配模型干涉情況，并進行處理。

定義材料屬性：零件材料為合金鋼，彈性模量2.1e+11；泊松比0.28；密度7700。

約束定義：后支腿分析簡化固定轉塔末端的兩個面及展開油缸末端面設為固定約束；油缸墊板四周的四個面約束設為在平面上，并在水平兩個方向上進行約束，與支撐油缸底面的磨擦系數設為0.3。

（2）外部載荷定義。

定義引力：引力方向為鉛垂方向，應定義在基準面上。定義支腿支反力：受力面積為油缸墊板的分割面，方向垂直油缸墊板底面，油缸墊板可設為水平，也可設定一定的傾斜角度，視泵車使用情況而定。載荷大小設為泵車總重的0.7倍，載荷大小最后根據轉塔有限元分析結果前、后支腿的最大支反力進行修正。

（3）支腿計算模型網格劃分。支腿靜態求解:網格劃分好以后，對模型進行靜態運算，查看支腿靜態分析結果文件，包括應力、應變、變形量。

（4）支腿屈曲計算。設置全局接觸為接合，刪除在靜態分析中設置的相觸面組；刪除在靜態分析中設置的前支腿伸縮油缸模型及后支腿展開油缸模型。其余同上。

扭曲模式數設為10，支腿屈曲計算安全系數一般要求大于2，即載荷因子為最小正數時，載荷因子數值必須大于2。

3 后支腿實例分析

3.1 根據上述優化過程，取某一車型后支腿進行有限元分析

（1）加載后模型如圖3所示。

圖3 后支腿分析模型及加載情況

（2）有限元分析結果如圖4所示：為了更好的查看支腿的有限元分析結構，將除支腿外的其它部件隱藏。

通過有限元分析結果，可以很直觀的看出支腿應力變化及應力較大區域，為后期優化指明方向。

（3）后支腿應力變化規律分析。通過圖8可以得出結論，有限元分析結果與理論計算吻合：支腿應力較大區域為離中性面較遠處的蓋板和底板，而位于中性面附近的側板區域受力較小。需要重點關注及優化的區域即為紅色應力較大的區域：底板、蓋板、上軸套、下軸套、蓋板加強板、底板加強板及焊縫收尾和截面突變的區域；重點減重區域為藍色應力較好的區域：內外側板，蓋板尾部、底板尾部等區域。

3.2 對實例后支腿進行優化

對該支腿進行結構優化，優化后模型及應力圖如圖5所示。

（1）重點應力區域改進情況對比。對優化前后的支腿臂的重點部位進行應力對比，對比情況如表1所示。

圖4 應力結果

圖5 后支腿優化結果

對優化前后變形及穩定性情況進行對比，情況如表2所示。

（2）結構優化措施。蓋板、底板優化措施：開孔位置移至加強板內，并利用塞焊方式，增加開孔部位強度；上貼板及下貼板結構改進措施：將加強板加長，增大離支腿軸距離，并將其更改為魚尾型或橢圓收尾，減少橫向焊縫； 上中板和下中板：截面過渡處增加過渡或收尾，減小應力集中；上、中、下軸套：更改為直徑更大的加強圈，增加局部剛性。

（3）結構減重措施。通過有限元分析結果得出，結構優化后支腿應力得到改善，但是支腿重量相應增加。設計者需要在應力滿足要求的同時，達到減重降成本的目的。從支腿應力分析圖可以看出，支腿減重的重點區域應為：側板、蓋板和底板尾部應力約200MPa以內的區域，即應力分析圖中藍色及藍綠色區域。將支腿優化后的模型進行減重處理：蓋板尾部減薄、側板尾部減薄、底板尾部減薄，并進行應力、變形、穩定性及減重質量分析，對比情況如表3，表4所示。

通過表3對比得出結論，不同減重措施對支腿重點區域應力影響：側板減薄應力最好，底板減薄其次，蓋板減薄對支腿應力影響最大；

表1 重點應力區域優化情況對比

表2 優化前后變形及穩定性情況對比

表3 減重措施應力對比

表4 減重對比

位移變化與應力變化規律近似：側板減薄位移最小，底板減薄其次，蓋板減薄位移最大；

穩定性影響：側板減薄穩定性最好，蓋板減薄之次，底板減薄穩定性最差。

綜上，支腿側板減重對支腿應力、變形量及穩定性影響最小，設計時優先考慮支腿側板減重；也可根據實際減重及應力要求采取三種方式任意組合的形式進行減重。

泵車工作時，支腿底板受拉，如果底板改為厚薄對接焊縫受力，開裂隱患較大，可在對接焊縫內側或外側增貼加強板。

因支腿為箱型梁，為滿足減重及應力要求，支腿截面一般設計為高度較高，但寬度較小的截面梁，以某車型后支腿為例，蓋板重量191kg，底板重量195kg，內外側板總重量783Kg，將材料板厚減小一個規格的情況下，底板或側板減重空間小且對支腿應力影響大，如設計階段減重工作任務比較艱巨，可慮將側板整體減薄，減薄后應力及穩定性對比如表5和表6所示，可看出側板整體減薄對底板及下軸套應力及支腿臂穩定性影響較大，可通過對底板進行局部加強的方法來提高應力，穩定性不足的情況可考慮在側板內側增加平行于底板垂直于側板的橫筋板。

表5 應力對比

表6 位移及穩定性對比

4 結語

利用有限元分析手段，對目前主流生產的后支腿進行應力、變形量及穩定性分析，不但可以節省理論計算、試驗測試時間，同時為支腿設計提供依據和方法，通過研究可以得到如下結論：第一，支腿應力較大區域為：底板、蓋板、上軸套、下軸套、蓋板加強板、底板加強板及焊縫收尾和截面突變的區域；第二，重點減重區域為：內外側板，蓋板尾部、底板尾部區域；第三，支腿減重時，優先考慮支腿側板減重； 也可采用側板、蓋板、底板減重組合的方式；第四，減小應力措施：盡量避免離支腿軸較近的區域開孔，如開孔需進行局部加強；加強板采用魚尾型或橢圓收尾，減少橫向焊縫；截面過渡處增加過渡或收尾； 增加局部剛性。

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TU646

：A

：1671-0711（2017）08（上）-0170-04