某混凝土泵砼活塞支撐機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 靜，吳士平，喬志華

（徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221001）

活塞是機(jī)械行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的零部件之一。工作過程中，活塞外表面與缸筒內(nèi)表面形成精密偶件。如果活塞自身加工誤差或裝配誤差導(dǎo)致活塞與缸筒軸線不同軸，造成活塞工作過程中受力不均發(fā)生偏磨，導(dǎo)致活塞異常早期磨損，甚至引發(fā)安全事故。

如圖1所示為砼活塞總成結(jié)構(gòu)，砼活塞總成結(jié)構(gòu)由壓盤①、砼活塞（砼密封體）②、支承環(huán)③、連接法蘭④、螺釘⑤及活塞支柱⑥組成，其外側(cè)為砼輸送缸。

圖1 砼活塞總成結(jié)構(gòu)

砼活塞是混凝土機(jī)械泵送系統(tǒng)的關(guān)鍵密封元件。如圖2所示，砼活塞③裝配在水槽②內(nèi)部，連接主油缸①，工作過程中砼活塞依靠自身變形與砼輸送缸⑤形成摩擦副，砼輸送缸⑤穿過水槽②，由絲杠④將各部件裝配成整體。為防止混凝土泄漏，砼活塞③與砼輸送缸⑤之間有較大過盈量，導(dǎo)致工作過程中摩擦力較大，摩擦高溫會(huì)導(dǎo)致砼活塞材料性能下降而導(dǎo)致密封失效。由于砼活塞與混凝土接觸工況比較惡劣，且工作過程壓力較大，砼活塞需經(jīng)常更換，所以砼活塞為易損件。

圖2 砼活塞裝配位置

如圖2所示，砼活塞裝配在水槽內(nèi)部，水槽空間較小，不易拆裝，而砼活塞重量較重，更換困難且耗時(shí)耗力。本文結(jié)合砼活塞的使用工況，對(duì)砼活塞支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降低維修勞動(dòng)強(qiáng)度及維護(hù)費(fèi)用的目標(biāo)。

1 砼活塞總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 優(yōu)化原則

（1）減少支撐機(jī)構(gòu)零部件數(shù)量。由圖1可知，砼活塞由多個(gè)零部件組裝而成，零部件越多，中間環(huán)節(jié)越多，則對(duì)各零部件的表面粗糙度、同軸度、平行度及尺寸公差控制越嚴(yán)格，無形中增加了生產(chǎn)難度，提高了生產(chǎn)成本；若減少零部件數(shù)量，不但降低了生產(chǎn)成本，而且降低了后期維護(hù)的難度和維護(hù)成本。

（2）輕量化設(shè)計(jì)。降低部件重量，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)剛度。砼活塞支撐結(jié)構(gòu)為混凝土泵送過程中主要受力部件，其剛度影響砼活塞的使用壽命。如圖1、圖2所示，由于結(jié)構(gòu)和重量限制，砼活塞支撐機(jī)構(gòu)不可能做的太重，借助拓?fù)鋬?yōu)化理念（在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化），提高砼活塞支撐機(jī)構(gòu)的剛度，進(jìn)一步提升砼活塞使用壽命。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖3所示，砼活塞總成包含3個(gè)機(jī)加工件，①、④及⑥，形成兩對(duì)配合面，分別為A處徑向配合、B處端面配合。

圖3 更改前砼活塞結(jié)構(gòu)示意圖

A處位置為同軸度配合，此處配合為H8/f7，為間隙配合，最大間隙達(dá)到0.16mm，裝配完成后，連接法蘭與支撐體之間必定有間隙，此處存在同軸度誤差。

B處位置為端面平行度配合，端面對(duì)軸的垂直度要求為0.02，兩個(gè)件的配合從理論上增加了不同軸的風(fēng)險(xiǎn)。

為避免機(jī)加工過程產(chǎn)生的制造誤差，進(jìn)一步規(guī)避裝配過程導(dǎo)致的裝配誤差，如圖4所示，將連接法蘭及活塞支柱優(yōu)化組成一個(gè)整體，形成方案一如圖5所示結(jié)構(gòu)，減少A、B位置的配合連接，減少配合面，同時(shí)也降低加工難度。

圖4 更改示意圖

圖5 更改后結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算校核

2.1 受力分析

如圖2所示，砼輸送缸缸壁位于料斗與水槽之間，通過絲杠連接固定，砼活塞與泵送主油缸缸桿通過法蘭固定連接，通過泵送主油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混凝土連續(xù)泵送。

如圖6所示，箭頭方向?yàn)轫呕钊\(yùn)動(dòng)方向，混凝土的壓力均勻作用到與混凝土接觸的砼活塞面。支承環(huán)與砼活塞直接與缸壁接觸，且支承環(huán)與砼活塞的材料分別為尼龍和聚氨酯，砼活塞支撐機(jī)構(gòu)不與輸送缸直接接觸，因此本文單獨(dú)將支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，支撐機(jī)構(gòu)受力如圖7所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)及受力示意圖

圖7 支撐機(jī)構(gòu)受力示意圖

2.2 改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比

如圖8所示為改進(jìn)前支撐機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)位移云圖及應(yīng)力云圖，最大位移為0.53mm，在剛度變化大的區(qū)域應(yīng)力較大，屬于應(yīng)力集中。此結(jié)構(gòu)為產(chǎn)品批量使用結(jié)構(gòu)，使用過程中反饋無質(zhì)量問題，因此活塞支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)及剛度提升。

圖8 改進(jìn)前結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力云圖

如圖9所示為改進(jìn)后結(jié)構(gòu)（后面稱為方案一）位移云圖及應(yīng)力云圖。由于方案一從重量上比原結(jié)構(gòu)增加了1.2kg，最大位移為0.39mm，剛度提升26%；應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力值降低30%，計(jì)算得知新結(jié)構(gòu)從剛度及應(yīng)力兩方面都有較大提高。

圖9 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力云圖

2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖5所示的方案一，剛度及應(yīng)力都有較大提升，但是重量增加了1.2kg，沒有達(dá)到優(yōu)化的目的。

圖10 改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

如圖10b所示為支撐機(jī)構(gòu)優(yōu)化的方案（稱為方案二），由方案一原兩個(gè)件優(yōu)化成一個(gè)件的基礎(chǔ)上，在滿足裝配要求的前提下，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的理念，對(duì)支撐機(jī)構(gòu)的材料重新優(yōu)化分布。如圖10所示，增加法蘭根部的材料重量，減少法蘭邊緣處的材料，使得材料分布更合理，材料的利用率更高，更改后支撐結(jié)構(gòu)重量比原結(jié)構(gòu)降低3.3kg。

2.4 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)計(jì)算

如圖11所示為更改后的計(jì)算結(jié)果，最大位移為0.49mm，應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力集中值基本無變化，和原結(jié)構(gòu)對(duì)比，滿足工況使用要求。

圖11 方案二位移及應(yīng)力云圖

2.5 改進(jìn)前后結(jié)果分析

如圖12所示為改進(jìn)前后支撐機(jī)構(gòu)的位移云圖，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

3 結(jié)束語

（1）分析砼活塞支撐機(jī)構(gòu)，對(duì)支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低了加工制造難度，避免了裝配環(huán)節(jié)產(chǎn)生的裝配誤差，降低了生產(chǎn)及后期維護(hù)成本，拆裝時(shí)間節(jié)省20%。

（2）利用拓?fù)鋬?yōu)化理念，借助有限元靜力分析，將活塞支撐機(jī)構(gòu)重量降低17%，同時(shí)剛度提升7.5%，將應(yīng)力集中值降低28%，為砼活塞支撐機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供可行的方案。

圖12 更改前后位移云圖

表1 改進(jìn)前后的對(duì)比數(shù)據(jù)