混凝土泵车的总体结构与参数计算土木工程.docx
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混凝土泵车的总体结构与参数计算土木工程
混凝土泵车结构与整车参数设计
摘要
混凝土泵车是一种灵活性好，效率高，便于移动的浇筑工程机械，可以把混凝土从搅拌车里面吸走，然后送至指定的浇筑地点。
在这个过程中，混凝土泵车的泵送机构会利用压力将混凝土送至指定位置，它的输送管路可以水平或垂直移动，工作连续性很高O
本次毕业设计内容为混凝土泵车的结构与整体参数设汁，主要包括臂系统（布料装置）和泵送系统。
混凝土泵车的臂架系统相当于人的两只手臂，要具有跟拓的强度和刚度。
泵送系统则需要有很强的泵送能力，并且连续工作时的稳定性要好。
本文的主要内容首先过混凝土泵车进行了介绍，包括其种类，国内外研究现状。
随后对混凝土泵车总体结构进行了设讣，主要针对泵车臂架系统（布料杆）、泵送机构
（管路，活塞杆，液压缸）进行了设计，并进行了相关设计校核计算，最后结构均满足设计要求。
关键词：
混凝土泵车；总体设计；臂架
DesignofStructureandParametersof
ConcretePumpTruck
ABSTRACT
Concretepumptruckisakindofconstructionmachinerywithgoodflexibility,highefficiencyandeasytomove・Itcansuckconcretefrommixertruckandsendittothedesignatedpouringplace.Inthisprocess,thepumpingmechanismofconcretepumptruckwillusethepressuretosendconcretetothedesignatedposition,itspipelinecanmovehorizontallyorvertically,andtheworkcontinuityisveryhigh.
Thisgraduationprojectisaboutthestructureandoverallparameterdesignofconcretepumptruck,mainlyincludingarmsystem（distributiondevice）andpumpingsystem.Theboomsystemofconcretepumptruckisequivalenttothetwoarmsofhumanbeings,anditshouldhaveheelstrengthandstiffness・Pumpingsystemneedsstrongpumpingcapacityandgoodstabilityincontinuousoperation・
Themaincontentofthispaperfirstintroducestheconcretepumptruck,includingitstypes,researchstatusathomeandabroad・Thentheoverallstnjctureoftheconcretepumptruckisdesigned,mainlyaimingattheboomsystem（distributorrod）,pumpingmechanism（pipeline,pistonrod,hydrauliccylinder）ofthepumptruck,andtherelateddesigncheckingcalculationiscarriedout.Finally,thestructuremeetsthedesignrequirements.
Keywords：
ConcretePumpTruck;GeneralDesign;Boo
摘要1
ABSTRACT2
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1混凝土泵车简介1
1」混凝土泵车的结构与分类1
1.2国内外研究现状2
1.3本文主要研究内容3
2混凝土泵车总体结构设计4
2.1总体结构设计4
2.2泵车底盘4
2.3泵送装置5
231主要缸体6
2.3.2洗涤室7
2.3.3料斗7
2.3.4分配阀8
2.3.5搅拌机构10
2.3.6配管11
2.4布料装置12
3混凝土泵车泵送装置设计14
3.1管路长度及泵送阻力计算14
3.2泵送压力计算15
3.3活塞杆设计16
3.4限位油缸的设计16
4布料装置设计17
4」布料装置的种类17
4.2布料杆的节数与折叠方式18
4.3布料范围20
4.4臂架箱型结构分析20
4.5臂架系统结构设计21
4.5.1第五臂架设计22
4.5.2第四臂架设计24
4.5.3第三骨架设计26
4.5.4第二骨架设计29
4.5.5第一骨架设计30
5回转支承设计33
5」回转支承的结构33
5.2回转支承选型33
5.3外载荷的确定34
6全文总结37
参考文献38
致谢40
混凝丄泵车结构与整车参数设计
混凝土泵车结构与整车参数设计
1混凝土泵车简介
随着我国社会主义事业的蓬勃发展和近年来一带一路战略的展开，我国已经成为了世界上名副其实的基建大国。
开山，修路，架桥等各种复杂的工程在国内已经不算难事。
提到基建，就不得不用到混凝土，近儿年来，我国的混凝土市场需求量也在日益增加。
将混凝土运送到一定高度、一定距离的某个位置就需要用到混凝土泵车了。
混凝土泵车是一种灵活性好，效率高，便于移动的浇筑工程机械，用处十分广泛。
因此，对混凝土泵车的研究就十分必要。
1.1混凝土泵车的结构与分类
在所有的工程机械中，混凝土泵车非常的特殊，它作为一种特殊的工具，可以把混凝土从搅拌车里面吸走，然后送至指定的浇筑地点。
这个过程为：
混凝土泵车将混凝土从搅拌车里面吸入磴缸中，然后利用内部液压活塞的往复运动将混凝土推送出去,这个推送的路径山安装在臂架上的输送管路决定。
我国LI前混凝土泵车的施工越来越普遍，大大的减轻了劳动工人们的施工强度，也加快了每一处建筑工地的建设进度。
混凝土泵车总体来说是以普通的专用汽车底盘为承载基础。
在专用汽车的底盘基础上乂集成了自身的儿大系统。
主要包括上车总成、下车总成、液压系统、电气系统以及泵送系统。
其中的上车总成中，乂包含了一系列的子系统，主要有转台、节臂、连杆机构、变幅油缸、布料杆及销轴等部件。
与此同时，下车总成也山底盘、底座、副车架、回转机构这四大子系统构成。
各个部分的协调运转才能实现泵车的泵送，布料等功能。
混凝土宝泵车的种类十分繁多，划分的方式也非常多，可以按照臂架长度分类，泵送流量分类，泵送方式分类，臂架的折叠方式分类以及分配阀门的种类分类。
常见的活塞式混凝土泵和挤压式混凝土泵就是按照泵送方式进行分类的。
混凝土泵车的发展初期主要采用活塞式。
还有一种挤压式混凝土泵，这种泵的排量没有前儿中泵大，
并且输送距离也没有活塞式的远，因为应用比较少。
衡量混凝土泵车的性能参数有很多，主要可以分为三大类：
泵送系统参数，臂架系统参数以及底盘及整车参数。
具体主要包括：
混凝土输送的相关参数，如流量，最大泵送高度，距离，泵送范围等；整车的轴距、轮距、最高行驶速度、最小转弯半径、前悬、后悬、整车质量、整车外形尺寸等。
仁2国内外研究现状
国内关于混凝土泵车的分析的文献有王永伟的《IPF.85B型混凝土泵车的动力分析》，文中主要釆用了CAE仿真技术与实验相结合的方法对混凝土泵车进行了模态分析GJ岳明明在其研究中利用理论方式对混凝土泵车进行了动态分析并得出了相应的理论计算公式I却。
东北大学的冯升华对在研究中进行了混凝土泵车的动态仿真分析以及对某些特殊部件的有限元分析I刑。
关云轩在其研究中对混凝土泵车进行了稳定性计算和参数化图形绘制1却。
2004年，富娜利用计算机仿真技术完成了以下儿点重要工作：
完后了混凝土泵车布料机构的的仿真与运动包络图，最后完成了混凝土泵车的性能曲线仿真。
2008年，程起利用计算机技术，在Windows平台上，采用VisualBasic语言编写了相关程序，对混凝土泵车进行了CAD系统的开发，对系统进行了仿真，最后可以根据仿真结果进行先关参数优化设计。
国外对混凝土泵车的研究起步很早。
在二十世纪初，德国等欧洲国家以及美国都成功提交了混凝土泵的相关专利技术。
德国在世界上最早开始生产混凝土泵车，在1985年前后，德国施德达发展了16米到52米共十三种混凝土泵车而且将这些产品规范系列化。
在第二次世界大战之后，美国的混凝土泵车行业才开始迅猛发展，这也得益于政府对于相关技术的开始重视，在此期间，美国也诞生了大量的混凝土泵制造企业，从而成立了美国混凝土协会并且制定了相关法规与标准。
但是日本就有点例外，日本国土狭窄，平原地区也不多，受地形的限制，道路以及场地建筑密集限制，日本的泵车都是较小的车型，走得是小而精路线。
我国对混凝土泵车的研究开始于二十世纪八十年代初期，主要技术从日本开始引进。
到如今，整个混凝土泵车行业也经过了三十余年的发展，企业的技术水平，研发生产制作能力都有了大幅进步。
U前我国境内能够生产混凝土泵车的企业主要集中在了十儿家，这十儿家企业的产量就已经占据了国内所有产量的百分之九十以上。
由于我国的基础建设在进入二十一世纪以后才大规模发展，所以在2000年以后，混凝土泵车的产销量都进入了一个爆发期。
从不到一百量发展到了儿白辆，增长了十余倍。
但是在另一方面，虽然产量如此巨大，很多大总成零部件仍然是需要从国外进口，自主硏发生产制造能力缺乏。
大多数厂家都没能实现国产化。
今后随着技术的发展，泵车上的关键零部件将会逐渐进行国产化生产。
仁3本文主要研究内容
本次设计的主要目的就是根据参考资料，选择一种常见的混凝土泵车，进行总体结构、混凝土泵送装置、布料装置等部分的的结构设计，最后汁算和校核相关参数和性能。
2混凝土泵车总体结构设计
2.1总体结构设计
在如今这样一个重视知识产权保护的互联网信息时代，企业的各个专利技术也显得越来越重要。
在混凝土行业也是这样，各大企业在积累的一定的基础后，也开始投入大量的时间和精力进行国产化的开发，研究出有自主知识产权的产品。
但是混凝土泵车本身的设计非常复杂，它需要对各个工作装置进行选型设计，还需要对相互关联的各个装置之间进行技术参数的匹配。
首先，混凝土泵车的总体结构如图2.21所示。
整车动力总成、汽车底盘系统与上装组成了混凝土泵车的主要结构。
动力总成就是基础车的发动机与变速器系统。
汽车底盘系统包括转向，传动，制动等系统。
上装总成就是布料机构，泵送系统等。
2.2泵车底盘
混凝土泵车的底盘都是基于普通的货车底盘改装而来。
类似于非承载式车身的车架结构，所有的工作附件都要安装在车架上（底盘）。
所有的工作装置都要具有运动空间和装卸空间，底盘的强度还要足够高，以便承受相应负载，所以底盘的选用十分重要。
首先该底盘要满足各个工作装置的安装布置，其次要满足整个动力系统的功率需
混凝丄泵车结构与整车参数设计
求，最后是要具有相应的强度。
本次设计中选用东风商用车作为基础车型底盘，其主要参数如下:
表1.1东风汽车底盘参数
排放标准
国五
发湖几
发动机％率朋速
199kw/243kw/2100rpm
混凝土泵车的驱动系统通常釆用图2.2所示的取力传动装置。
发动机是唯一动力来源。
混凝土泵车的油泵、液压系统等都是靠发动机传递给变速箱再传递给分动箱的动力。
1-发动机和变速箱2-搅拌系统油泵3-主油泵4-万向节
5-分动箱6-拉杆7-万向节8-臂架油泵9-后桥
图2.2取力传动装置
2.3泵送装置
泵送装置就是混凝土泵车中为混凝土的吸注提供动力的机构。
它的动力来源仍然
是汽车发动机，通过一系列的传动机构，将动力送至泵送系统。
从而实现混凝土的浇
筑工作。
整个泵送系统的组成部分主要有主油缸、混凝土缸、洗涤室、拉杆和栓活塞。
2.3.1主要缸体
主油缸：
为了提高耐腐蚀性能，在活塞杆的表面还需要进行镀铭处理，因为它经常会与油和水接触，所以耐腐蚀性很重要。
混凝土缸：
输送缸的耐腐蚀能力也很重要，基于此，输送缸通常用无缝钢管制成,送缸内壁与混凝土、水长期接触并且内墜也要进行镀铭处理，或者釆用别的更佳的方式输送缸内壁的抗化学性能。
絵活塞：
活塞密封体要具有很强的耐磨损能力，所以活塞密封体通常会用耐磨的聚氨酯制成。
如图2.3所示。
图2.3磴活塞
限位油缸：
限位油缸起到的作用是，在特殊的情况下，将压力油从油缸中卸载,
从而让活塞退出，此时就可以对絵活塞进行维护检查或者更换。
12345
l
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/°
Q1
<1/Zzz/
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1一限位油缸油I12—限位油缸3—限位活塞4_主油缸油口5—主油缸
图2・4限位油缸结构图
混凝上泵车结构与整车参数设计
2.3.2洗涤室
洗涤室：
按照其字面意思理解，这就是一个用来含有水的容器。
它的水位可以实时观测的到，易于掌控。
并且，主油缸与输送缸之间是要靠靠水箱进行连接的。
水箱里的水会对缸体里面做清洁，从而减少磨损。
另外，有水的存在也会对活塞杆的密封性能有所提高，提高泵送液压机构的效率。
最后一条，洗涤室的水的流动还有冷却润滑作用，它可以冷却润滑磴活塞，活塞杆，及活塞杆密封部位。
图2.5洗涤室结构图
2.3.3料斗
料斗：
料斗的作用是储存混凝土，这个量根据整个泵送系统的规模决定。
有了料斗，才能保证泵送系统的能够连续工作，不会吸空料。
料斗体釆用钢板焊接拼装完成。
筛网用钢条拼焊完成，筛网可以组织朵物以及尺寸过大的骨料进入料斗，否则的话泵送系统将会出现故障，操作人员也有可能受伤。
在泵送停止后，需要及时打开料门排出余料和清洁料斗。
2.3.4分配阀
混凝土分配阀：
混泥土分配阀的功能是控制料斗和混凝土泵中的混凝土流向，是活塞式混凝土泵的关键部件之一，它直接影响泵车的性能。
混凝土分配阀按照其结构特点和工作原理可有以下分类：
斜置式闸板阀
厂滑阀一
分配阀
平置式闸板阀
旋转式板阀
「-摆板阀T垂直轴式蝶阀
L水平轴式蝶阀
—摆阀一-
形管阀
-摆管阀一
平置式S形管阀
图2.7
下面重点介绍以下应用较多的s阀：
S阀位于料斗内部，它的结构如图2.8所示。
它在泵车的泵送机构里面也是一个很重要的零部件，对整个泵送系统的性能也会有较大的影响。
S阀按照其直径可以分为变径和不变径两种形式。
S阀的特殊结构使得混凝土的压力可以推动切割环自动密
封管口，提高了管路的密封性能。
使得整个系统具有很強的输送能力，而且管路通畅,不易堵塞。
总体来说，S阀具有很多优点。
12
1•岀料II2•大端轴承座3・S管体4•切割环5•小端轴承座6•螺母
图2・8S阀结构图
眼镜板的结构如图2・9所示。
它的材料性能要求比较高，一般多为硕质合金。
但不全是硬质合金，它是在眼晴环的本体之外镶嵌一圈的硬质合金材料，这种材料的寿命很高。
分配阀的设计要满足以下一点需求：
1.良好的集料、排料性能
分配阀的作用很重要。
分配阀设计•的不好的话会使得整个管路里面的混凝土流通起来后的运动阻力很大。
那么如何才能提高混凝土通过的速度使得分配阀鞘能迅速的集料，运料，排料：
分配阀的管路要短，截面形状不能复杂。
2.良好的密封性
混凝土管路中处处都要求密封性能。
此处也不例外。
漏浆的现象是一定不能出现的，将严重的影响混凝泥土泵的性能。
3.良好的耐磨性
在整个工作过程中，分配阀会受到很强的摩擦力，这个摩擦力来源于混凝土。
所以分配阀的设计需要采用耐磨性很高的材料，根据设计经验，分配阀一般釆用的材料为铸造高猛钢ZGMnl3Cr2,这种钢材抗冲击、耐磨性能很高。
4.换向动作灵活、可靠
换向动作特别快，一般要求在0.1~0.5秒内完成，换向动作不及时或者太慢的话,会让砂浆倒流。
2.3.5搅拌机构
搅拌机构的组成如图2.10所示。
搅拌机构其实就是一套小型的混凝土搅拌机。
搅拌轴山液压马达带动，上面有儿片搅拌叶片。
旋转起来的搅拌轴需要轴承与润滑机构的支持。
同时，搅拌机构的密封性能也很重要，需要防止混凝土浆进入到搅拌轴的轴承里面。
因为混凝土存放的时间长的话，混凝土将会出现离析现象，必须不停的对其进行搅拌。
1■端盖2-轴承座3■左搅拌叶片4-搅拌轴5.右搅拌叶片6J型防尘圈
7-密封圈8-轴承9-线达座10-液压弓达
图2.10搅拌机构示意图
2.3.6配管
配管有很多段管路与支撑结构组成。
配管的设计其实也就是布置设讣。
主要是与整车配合进行管路的布置。
管道需要布置的尽量整齐美观。
图2.11配管示意图
整个管路需要直管与弯管进行配合。
直管与臂架平行，但是在臂的两头都需要弯管来进行连接。
直管与臂架平行布置，所以其长度也相当。
直管与弯管之间可以允许相对转动。
不仅如此，弯管也可以转动，它的旋转轴线为两个臂架的轴线。
输送管路的布置方式也不是唯一的，主要有两种方式。
第一种方式就是在弯管的布置设计中，不能横穿臂节间的狡接销孔。
这种布置方式对于臂架的受力比较有利，载荷也相比较均匀一点。
第二种布置方式是让部分具有相对转动的弯管横穿臂节间的较接销孔。
这种方式虽然布置方便，但是会让臂架整体的受力悄况很差。
图2.12臂架系统配管俯视图
两输送管与管夹间连接的结构如图2.13所示。
图2.13输送管连接示意图
各个管在工作过程中受到的冲击和磨损大小会不同。
主要原因是各管所处的位置不一样，并且每个管的形状与走向也不一样。
比如直管受到的磨损与弯管相比就会小很多。
但是有一点主要注意的是，磨损最大的管子为倒数第二个弯管。
因为它不仅仅承受了混凝土通过时的一般的磨损还受到混凝土下落的重力冲击。
因此，为了保证整个系统所有管路的寿命趋于一致，各个输送管都应该采取不同程度的耐磨措施。
臂架是整个输送管路的载荷承担者。
无论是输送管路自身的重量还是管路所受到的冲击载荷以及其他载荷都会传递给臂架承受。
所以臂架设计就必须考虑到这点。
一般可以采取的方法就把臂架进行交替布置，让臂架更容易承受这种载荷。
输送管的重量过重会导致臂架的载荷也增加，载荷增加过多将会影响到臂架的使用寿命。
另外需要注意的就是输送管路的安装。
当臂架整体折叠在一起的时候不能进行安装，必须将臂架没有受到张力的情况下安装。
不能让整个机构有预应力的存在。
更严重的情况下，一旦开始泵送作业，处于最末端的软管可能还是剧烈的晃动，最后脱出。
2・4布料装置
混凝土泵车布料装置的主要结构如图2.14所示。
布料装置的基础是臂架。
在实际的安装时，可以将臂架系统当做装配基体，再把输送管路装在上面。
这种布置策略可以使得泵车很方便的将混凝土泵送至任意指定位置，可以水平和垂直移动。
混凝土泵车的使用使得建筑工地大大提高了建设效率，降低了劳动人员数量以及劳动人员的工作强度。
并且与人工输送混凝土相比，可以使得混凝土浇灌的更均匀，平整，提高了施工品质。
1-混凝土泵2-岀料管3-料斗4-支腿
5-水箱6-回转台7.11、13-布料杆用油缸
8、12、14-布料杆9-输送管10-油管
图2.14混凝上泵车布料装置
多节的混凝土泵车布料杆越多，就相当于工作圆的半径越大，不仅工作距离会变长，而且有效的输送高度也很高。
但是太长的话会导致臂架和杆不太稳定，容易振动,容易强度不足，所以无论是从原理还还是实际应用中都通常不会采取多于5节的臂。
3混凝土泵车泵送装置设计
3.1管路长度及泵送阻力计算
混凝土泵车的泵送量为120〃F/力。
选取输送管路型号为125A,则可以根据此型号讣算混凝土的流动速度，此处用儿表示：
V41204
V.=—x一=——X=0.8023加/s
160ttD23600^x0.232
r）20232
输送管中的流速几=V.x二=0.8023x'.=2.72〃?
/s
・1D；0.1252
向上垂直管水平换算系数为4,/.=43x4=172///,43米为总长；
弯管共有10个，折弯半径150mm,弯管每根水平换算系数为12,
人=12httD=12x10x3.14x0.3=113m；
锥形管（0150~0125〃〃"）水平换算系数为8,Z3=0.5x8=4m
水平管路/4=12m,
折合为水平管路为：
/=7,+/2+/3+/4=172+113+4+12=30lm
混泥土在输送管路中流动会有很大的有害的阻力，因此需要提前将此计算出来以作为参考：
这个阻力的计算根很多参数有关，比如说管子的粗细，管子的长度等等。
这个阻力不仅仅是山于运动时产生的摩擦力，还有因为流动力学中所讲的剪切阻力，这两种阻力可以根据相关手册中的参考内容选取，如图3.1所示。
3.2泵送压力计算
泵送压力就是活塞的推动力，这个推动力需要克服的阻力主要是混凝土在管路中的流动阻力，混凝土与管路壁面的摩擦力和粘附力，此外还有混凝土的重力。
在泵送系统设计•时，泵送压力需要大于上述所有的输送阻力之和，才能保证混凝土泵的正常工作。
设讣中，混凝土缸的缸径取标准缸径2=230〃"”，泵送系统压力为31.5MPa,输
送缸行程为/=2000〃?
〃?
。
混凝土缸的面积心晋L岁鼻。
.04圖
液压活塞面积州=型=；＜（）.］小=0.0119/n2
31・5
液压缸的泵送推力F=PA=31.5xl06x0.0119=3.75xl052V
取标准液压缸内径为d=125〃〃”,额定压力为32MPa的缸筒外径D=\52nmi.
本科毕业论文（设计）
若取速比0=2,则活塞杆直径为90加”
3.3活塞杆设计
活塞杆的设计主要需要校核其圧杆稳定性。
压杆的受力模型可以简化简支梁（两端都被全约束的梁），长度因数“=1
活塞杆横截面的惯性矩为:
Z=^（D4-J4）=^-（0.094-0.0634）=2.45x1（T6mA
两端较支细长压杆临界压力的欧拉公式为:
=1.27xlO&N
__7T2EI_X2.45X10"6
cr=^=P
压杆的工作安全因数：
临界压力与实际最大压力之比
〃亠竺斗.39
F3.75x10
规定的稳定安全因数为心=3〜5,所以活塞杆满足稳定要求。
3.4限位油缸的设计
限位油缸承受系统的压力为31.5MPd。
限位油缸的缸径9>J仍-d；=J125?
—9（）2=86.7〃"
但是在设计时需要考虑活塞不能退回到水箱中，所以选取限位油缸的直径取
90/777?
/
其防冲击能力F=PAA=31.5x10'（0.092一0.08672）=1.84x10°N。
混凝上泵车结构与整车参数设计
4布料装置设计
4.1布料装置的种类
混凝土泵车
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