基于Pro／E的混凝土泵車虛擬樣機建模及載荷分析

陳貫祥，李 捷，宋志強，郭潤坤

（太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

虛擬樣機技術(shù)是基于計算機技術(shù)的一個新的數(shù)字化設計方法。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)在產(chǎn)品設計中的運用比例也在不斷提高。

混凝土泵車也稱臂架式混凝土泵車，是將混凝土泵和液壓折疊式臂架都安裝在汽車或拖掛車底盤上，并沿臂架鋪設輸送管道，最終通過末端軟管輸出混凝土的工程機械。它是集機械、液壓傳動以及電子技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，其設計和研究涉及多學科交叉領域。泵車的臂架系統(tǒng)是在一定范圍內(nèi)輸送混凝土料的可回轉(zhuǎn)、伸縮、折疊的臂架和輸送管道，它由多節(jié)金屬結(jié)構(gòu)單元、混凝土輸送管及液壓油缸等組成，通過伸縮油缸動作改變混凝土出口的高度和幅度來達到布料澆注的目的。本文通過虛擬樣機技術(shù)，利用Pro／E三維軟件建立混凝土泵車的仿真模型，為研究不同工作狀態(tài)下混凝土泵車的振動特征創(chuàng)造條件。

1 混凝土泵車的三維實體建模

混凝土泵車的種類很多，但是其基本組成是相同的，主要由底盤、臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔、泵送機構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等幾部分組成。混凝土泵車模型的建立主要包括基本零部件的建模和最后的裝配，根據(jù)混凝土泵車的結(jié)構(gòu)特點和功能要求，采用自頂向下和自底向上相結(jié)合的設計方法。

首先對零部件進行分析建模，然后裝配，根據(jù)實際運動情況確定各個零部件之間的裝配關(guān)系，使其按照實際情況進行運動。裝配時，系統(tǒng)會彈出“元件放置”對話框，此對話框會有“放置”“移動”“連接”等命令。傳統(tǒng)的裝配元件方法是給元件加入各種固定約束，將元件的自由度減少到0，因而使元件的位置被完全固定，不能運動，這樣的裝配方法不能使我們得到所需要的運動分析；先進的虛擬樣機技術(shù)是在“連接”命令中給元件加入各種組合約束，如銷釘、圓柱、剛體等連接方式，因為自由度沒有完全消除（剛體、焊接、常規(guī)除外），因此這些元件彼此之間可以自由移動或旋轉(zhuǎn)，這樣裝配的元件可最大化地仿真實際運動情況，有利于運動分析的實現(xiàn)［1］。

本文以目前市場上的主流產(chǎn)品48混凝土泵車作為研究對象，使用Pro／E三維軟件，建立了一個混凝土泵車的三維實體模型，如圖1所示。并在該模型的基礎上實現(xiàn)參數(shù)化處理，從而生成參數(shù)可變的、適用于同種類型其他規(guī)格的參數(shù)化模型。

圖1 混凝土泵車的三維實體模型

2 臂架系統(tǒng)承受的載荷分析

混凝土泵車布料桿的工作位置不同其所受的載荷也是不同的，這些載荷可分為基本載荷和附加載荷，如圖2所示。

圖2 泵車臂架系統(tǒng)承受的載荷

2.1 基本載荷

（1）自重。自重是指臂架、油缸、閥以及混凝土輸送管等全部部件的總重力。分析計算時可根據(jù)經(jīng)驗公式或參考同類型臂架的重力估算。

（2）工作載荷。工作載荷是指沿臂架兩側(cè)布置的輸送管中混凝土的重力，可以認為是沿臂架長度均勻分布的載荷q均以及臂架端部橡膠軟管內(nèi)的混凝土重力Q（可以認為其是集中載荷），如圖3所示。

圖3 工作載荷

（3）慣性力。當臂架的回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動時，旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的慣性力Fj（N）為：

其中：mn為旋轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量，kg；Rn為旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心的距離，m；n為旋轉(zhuǎn)速度，r／min；t為回轉(zhuǎn)機構(gòu)的制動時間，s。

（4）動載荷。泵車作業(yè)時混凝土在輸送管中的流動呈脈動狀態(tài)，另外，汽車發(fā)動機、混凝土分配閥、臂架油缸等機構(gòu)的工作也會使臂架產(chǎn)生動載荷。由輸送管中混凝土的不連續(xù)流動引起的振動載荷等于輸送管中混凝土的質(zhì)量與沖擊系數(shù)K的乘積，K取為1.3。由于其他原因引起的動載荷為其自身質(zhì)量與動載荷系數(shù)Kd的乘積，Kd取為1.2。

2.2 附加載荷

2.2.1 側(cè)向載荷

臂架端部橡膠軟管在布料作業(yè)時經(jīng)常受到側(cè)向拉力，所以，設計中應考慮臂架端部作用有一個側(cè)向力Fs，F(xiàn)s一般取為300 N。

2.2.2 風載荷

臂架工作時，還要考慮風載荷。取風載荷的風滯壓力q＝2.45 MPa（標準氣壓），于是風載荷FF為：

其中：C為風載體型系數(shù)，它表示風壓在結(jié)構(gòu)上的分布情況，取值見表1；A為臂架上各部分輪廓在垂直于風向的平面上的投影面積。當2個或2個以上部件并列時，其迎風面按最大的計算，其余可不考慮。表1中，q為標準風壓，等于2.45 MPa，d為臂架上各部分輪廓在垂直于風向的平面上的迎風面積的最大直徑。

2.3 載荷組合

基于上述分析，混凝土泵車工作在不同條件下時臂架實際受載可有多種載荷組合，表2列出了各類載荷組合。

表1 風載體型系數(shù)表

表2 載荷組合

表2中，第一類計算載荷是指混凝土泵車在正常工作條件下臂架承受的自重力、工作載荷、動載荷、慣性力，是用來計算傳動零件和金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞（耐久性）、磨損和發(fā)熱，所以，又稱壽命計算載荷；第二類計算載荷指泵車在工作中可能出現(xiàn)的最大載荷，它由第一類載荷（不考慮慣性力）和附加載荷組成，主要用于對傳動零部件、金屬結(jié)構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性進行計算，故又稱為強度計算載荷［2，3］。

3 結(jié)束語

（1）利用Pro／E的模塊和參數(shù)化設計，完成了混凝土泵車的建模與裝配，得到了泵車的三維實體模型。

（2）利用Pro／E仿真方法，建立混凝土泵車整機的虛擬樣機模型，增加了模型的仿真精度，比較直觀地再現(xiàn)了混凝土泵車的工作原理，為研究不同工況下臂架振動特征創(chuàng)造了條件。

（3）分析并確定各工況下布料桿所受的載荷組合情況，并確定了其計算方法。

［1］ 秦成.基于Pro／E／Adams／Matlab挖掘機虛擬樣機研究［J］.機床與液壓，2008，36（9）：133－134.

［2］ 李曉豁，何洋，林其岳，等.基于Pro／E／Adams的縱軸式掘進機虛擬樣機建模［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2009（12）：38－39.

［3］ 馬文星.特種車輛［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006.