泵车臂架系统优化设计

1建立混凝土泵车臂架系统有限元模型

1．1建立混凝土泵车臂架系统几何模型混凝土泵车臂架系统是混凝土泵车的重要组成部分，由多节臂架、连杆、油缸和折叠式的平面连杆机构等结构组成，可在一定范围内输送混凝土料，且具有回转、伸缩和折叠等功能。本文采用Pro/E软件对臂架各零部件进行了建模，并完成装配，臂架系统几何模型如图1所示。采用Pro/MECHANINCA的AUTOGEM模块分别对转台、变幅油缸、连杆、各节臂架进行网格划分，划分结果如图2、图3、图4和图5所示。1．2载荷种类混凝土泵车臂架系统承受的载荷包括其自身的重力和混凝土的重力与混凝土流动引起的动载。此外，还有一些附加载荷，比如风载和端部牵引力等。其中，臂架和输送管等结构的自重是混凝土泵车承受的主要载荷，它包括各节臂、变幅油缸、连杆机构、混凝土输送管、混凝土输送管支撑架、连接销钉和末端软管等结构件的总重量G．臂架的工作载荷包括:输送管和末端软管里混凝土的质量。端部牵引力:泵车作业布料时，需要工人牵引臂架末端的橡胶软管进行浇筑，端部牵引力就是工人牵引软管时引起的侧向拉力，在设计时一般取Fs=300N．风载:在臂架工作时，有时会受到侧向风的作用而产生风载。回转惯性力:臂架系统绕转台开始转动时或臂架系统在旋转过程中突然制动时，臂架会产生惯性力，我们将这种惯性力叫做回转惯性力［10］。1．3臂架系统的有限元分析本文选取臂架的最不利工况(所有臂架均展开且处于水平状态)进行分析。臂架结构由进口高强度钢WELDOX900E焊接而成，材料的性能如表1所示。1．4有限元分析结果利用Pro/MECHANINCA对臂架系统进行了分析，各节臂架的最大应力如表2所示。由表2可知，五节臂架中所受应力最大的是臂架1．根据材料属性可知，臂架的最大屈服强度为900MPa，而臂架1所受的最大应力值远远小于材料的屈服强度。综上所述，五节臂架结构都存在着很大的优化空间。由图6可知，臂架1的最大应力处位于臂架1与臂架2相连接的销孔处，且最大应力值为523．62MPa．由图7可知，臂架2的最大应力出现在臂架2与臂架3的连接销钉孔处，且最大应力值为285．32MPa．由图8可知，臂架3的最大应力出现在靠近上盖板的侧板处，大小为249．19MPa．由图9可知，臂架4的最大应力出现在臂架4前段下盖板拐弯处，大小为75．69MPa.由图10可知，臂架5的最大应力出现在臂架5与臂架4的连接销钉孔处，大小为69．54MPa．

2臂架结构优化设计

2．1臂架结构优化模型2．1．1设计变量首先，从臂架系统的所有参数中选择出20组数据作为优化设计的设计变量，设计变量的初值如表3所示。其次，使用灵敏度分析法对这20组数据进行分析计算，从而筛选出对臂架系统的总质量影响最大的几组数据出来，从而更好的对臂架系统进行优化设计，20组设计变量的灵敏度计算值如下表4所示。通过对表4数据的分析比较，我们很容易得出灵敏度值最大的10组数据，这10组数据的灵敏度计算值分析如图11所示。最后，重新为这10组设计变量进行排序，并给他们设定优化的上下限，如表5所示。2．1．2约束条件(1)根据实际结构尺寸，在不发生干涉的前提下确定各个设计变量的范围。(2)臂架折叠后各变幅油缸的长度Umin应当包含去油缸的行程(Umax-Umin)，应满足:Umin≥(Umax-Umin)(1)(3)所考虑的多个工况中，各油缸轴向力均不能大于优化前的力［4-7］。2．1．3目标函数以泵车臂架质量为优化目标，如下式所示:minm(x)=ρV(x1，x2，…，xn)(2)式中:ρ———臂架密度;xi———设计变量。2．1．4优化结果利用Pro/MECHANINCA中的优化设计，对表5数据进行优化分析。

3结论

(1)结构原始总质量是11810．53kg，通过优化臂架结构的总质量降低了10%，提高了泵车制造企业的经济效益。(2)使用Pro/E软件对臂架系统进行分析，也给研发人员提供了一种新的思路，因为大多数只是使用Pro/E作为一种建模软件。(3)基于Pro/E软件对臂架系统进行了建模、有限元分析和优化设计的一体分析，最大可能地减少了建模软件和分析软件之间数据文件的衔接，实现了数据在不同阶段传递的无缝连接，提高了分析结果的准确度。

作者：陈贯祥 李捷 郭润坤 王富民 单位：太原科技大学机械工程学院