基于Pro／E的混凝土泵车虚拟样机建模及载荷分析

陈贯祥，李 捷，宋志强，郭润坤

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

虚拟样机技术是基于计算机技术的一个新的数字化设计方法。近年来，随着计算机技术的不断发展，虚拟样机技术在产品设计中的运用比例也在不断提高。

混凝土泵车也称臂架式混凝土泵车，是将混凝土泵和液压折叠式臂架都安装在汽车或拖挂车底盘上，并沿臂架铺设输送管道，最终通过末端软管输出混凝土的工程机械。它是集机械、液压传动以及电子技术为一体的高科技产品，其设计和研究涉及多学科交叉领域。泵车的臂架系统是在一定范围内输送混凝土料的可回转、伸缩、折叠的臂架和输送管道，它由多节金属结构单元、混凝土输送管及液压油缸等组成，通过伸缩油缸动作改变混凝土出口的高度和幅度来达到布料浇注的目的。本文通过虚拟样机技术，利用Pro／E三维软件建立混凝土泵车的仿真模型，为研究不同工作状态下混凝土泵车的振动特征创造条件。

1 混凝土泵车的三维实体建模

混凝土泵车的种类很多，但是其基本组成是相同的，主要由底盘、臂架系统、转塔、泵送机构、液压系统和电气系统等几部分组成。混凝土泵车模型的建立主要包括基本零部件的建模和最后的装配，根据混凝土泵车的结构特点和功能要求，采用自顶向下和自底向上相结合的设计方法。

首先对零部件进行分析建模，然后装配，根据实际运动情况确定各个零部件之间的装配关系，使其按照实际情况进行运动。装配时，系统会弹出“元件放置”对话框，此对话框会有“放置”“移动”“连接”等命令。传统的装配元件方法是给元件加入各种固定约束，将元件的自由度减少到0，因而使元件的位置被完全固定，不能运动，这样的装配方法不能使我们得到所需要的运动分析；先进的虚拟样机技术是在“连接”命令中给元件加入各种组合约束，如销钉、圆柱、刚体等连接方式，因为自由度没有完全消除（刚体、焊接、常规除外），因此这些元件彼此之间可以自由移动或旋转，这样装配的元件可最大化地仿真实际运动情况，有利于运动分析的实现［1］。

本文以目前市场上的主流产品48混凝土泵车作为研究对象，使用Pro／E三维软件，建立了一个混凝土泵车的三维实体模型，如图1所示。并在该模型的基础上实现参数化处理，从而生成参数可变的、适用于同种类型其他规格的参数化模型。

图1 混凝土泵车的三维实体模型

2 臂架系统承受的载荷分析

混凝土泵车布料杆的工作位置不同其所受的载荷也是不同的，这些载荷可分为基本载荷和附加载荷，如图2所示。

图2 泵车臂架系统承受的载荷

2.1 基本载荷

（1）自重。自重是指臂架、油缸、阀以及混凝土输送管等全部部件的总重力。分析计算时可根据经验公式或参考同类型臂架的重力估算。

（2）工作载荷。工作载荷是指沿臂架两侧布置的输送管中混凝土的重力，可以认为是沿臂架长度均匀分布的载荷q均以及臂架端部橡胶软管内的混凝土重力Q（可以认为其是集中载荷），如图3所示。

图3 工作载荷

（3）惯性力。当臂架的回转机构制动时，旋转部件产生的惯性力Fj（N）为：

其中：mn为旋转部件的总质量，kg；Rn为旋转部件的质心到旋转中心的距离，m；n为旋转速度，r／min；t为回转机构的制动时间，s。

（4）动载荷。泵车作业时混凝土在输送管中的流动呈脉动状态，另外，汽车发动机、混凝土分配阀、臂架油缸等机构的工作也会使臂架产生动载荷。由输送管中混凝土的不连续流动引起的振动载荷等于输送管中混凝土的质量与冲击系数K的乘积，K取为1.3。由于其他原因引起的动载荷为其自身质量与动载荷系数Kd的乘积，Kd取为1.2。

2.2 附加载荷

2.2.1 侧向载荷

臂架端部橡胶软管在布料作业时经常受到侧向拉力，所以，设计中应考虑臂架端部作用有一个侧向力Fs，Fs一般取为300 N。

2.2.2 风载荷

臂架工作时，还要考虑风载荷。取风载荷的风滞压力q＝2.45 MPa（标准气压），于是风载荷FF为：

其中：C为风载体型系数，它表示风压在结构上的分布情况，取值见表1；A为臂架上各部分轮廓在垂直于风向的平面上的投影面积。当2个或2个以上部件并列时，其迎风面按最大的计算，其余可不考虑。表1中，q为标准风压，等于2.45 MPa，d为臂架上各部分轮廓在垂直于风向的平面上的迎风面积的最大直径。

2.3 载荷组合

基于上述分析，混凝土泵车工作在不同条件下时臂架实际受载可有多种载荷组合，表2列出了各类载荷组合。

表1 风载体型系数表

表2 载荷组合

表2中，第一类计算载荷是指混凝土泵车在正常工作条件下臂架承受的自重力、工作载荷、动载荷、惯性力，是用来计算传动零件和金属结构件的疲劳（耐久性）、磨损和发热，所以，又称寿命计算载荷；第二类计算载荷指泵车在工作中可能出现的最大载荷，它由第一类载荷（不考虑惯性力）和附加载荷组成，主要用于对传动零部件、金属结构件的强度、稳定性进行计算，故又称为强度计算载荷［2，3］。

3 结束语

（1）利用Pro／E的模块和参数化设计，完成了混凝土泵车的建模与装配，得到了泵车的三维实体模型。

（2）利用Pro／E仿真方法，建立混凝土泵车整机的虚拟样机模型，增加了模型的仿真精度，比较直观地再现了混凝土泵车的工作原理，为研究不同工况下臂架振动特征创造了条件。

（3）分析并确定各工况下布料杆所受的载荷组合情况，并确定了其计算方法。

［1］ 秦成.基于Pro／E／Adams／Matlab挖掘机虚拟样机研究［J］.机床与液压，2008，36（9）：133－134.

［2］ 李晓豁，何洋，林其岳，等.基于Pro／E／Adams的纵轴式掘进机虚拟样机建模［J］.现代矿业，2009（12）：38－39.

［3］ 马文星.特种车辆［M］.北京：化学工业出版社，2006.