试论混凝土泵车臂架系统的仿真与应用

张忠元+郭艳萍+张颖

摘 要：本文阐述了混凝土泵车的构成及其臂架系统的特点，重点对其仿真及应用问题进行了分析，并对分析结果进行了讨论与总结。

关键词：混凝土泵车；臂架系统；仿真；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.242

0 前言

混凝土泵车是工程用以运输混凝土的主要器械，臂架系统是泵车的主要构成部分。臂架系统在受力等方面的性能，在很大程度上决定着泵车本身的性能，因此在泵车设计过程中，必须将臂架系统的设计作为重点，通过仿真等方法，对其性能进行优化控制，提高其应用价值。

1 混凝土泵车及其臂架系统的构成

1.1 混凝土泵车的构成

不同系统的功能各不相同，以底盘系统为例，混凝土泵车的底盘设计，应保证能够与上车部分的尺寸配套，要保证能够支持泵送系统以及臂架系统功能的顺利实现。取力器是底盘系统的主要组成部分，一般包括两种形式，一种为底盘发动机自带全功率取力器，另一种为底盘后驱动传动轴中间增加分动箱。在本次设计中，底盘系统取力器以第二种为主，优势在于能够有效提高油泵公路，能够使混凝土泵车的使用性能得以增强[2]。

1.2 混凝土泵车臂架系统

混凝土泵车臂架系统功能的发挥，与变幅机构的支持存在联系，同时也与油缸长度与臂间夹角有关。

以变幅机构为例，臂架的展开以及收拢，及其在混凝土浇筑时的定位，均由变幅机构的控制来完成，该机构能够通过推与拉两个动作，实现对臂架动作各方面动作的控制。油缸的变幅机构，具有紧凑、重量轻的特点，其类型的选择，应以角变幅为主要参考来完成。当角变幅在90度左右时，采用单缸三铰点变幅较为合理，能够使臂架系统的功能得到最大程度的发挥[3]。

2 混凝土泵车臂架系统的仿真与应用

以44M混凝土泵车为例，对其臂架系统的构成情况进行了分析，并完成了具体仿真过程。

2.1 混凝土泵车臂架结构

44M混凝土泵车，臂架结构以五节无极调速折叠式布料臂架为主，卷折方式以RZ型为主，构成情况较为复杂，主要包括以下几种：上转台、活塞杆、油缸、臂架、弯连杆以及直连杆等。其中，每一部分的数量均各不相同，将各部分互相连接在一起，可形成整体的臂架系统，而各部分功能的共同发挥，则能够使系统推拉等动作得以实现[4]。

采用ADAMS对臂架结构进行了动力学仿真，首先应确定其自由度情况，公式如下：W=3×（n-1）-2pD-pG。其中W代表自由度，n代表构件的数量，pD代表低幅，pG代表高幅。考虑44M混凝土泵车臂架系统的特点，其构件的数量一般为23个，低幅一般包括32个。将上述数值带入计算公式可以得出，W=5，进一步计算一节臂与上转台间四杆机构的自由度，得出数值为W=1。

2.2 混凝土泵車布料臂架系统仿真

2.2.1 假设

（1）假设零部件为刚体，无内部间隙。（2）假设上转台与地面固定，不考虑振动问题。（3）动荷载为自重荷载×1.2。

2.2.2 仿真过程

仿真过程如下：（1）系统建模：创建零件，并对零件施加运动及荷载。（2）模型仿真：设置测量和输出仿真，并对其加以执行。（3）验证结果：将实验数据输入到系统当中，并添加实验数据有关曲线。将其与实验结果进行对比，判断是否一致，如不一致，则需对模型进行细化，增加摩擦力、定义柔性体单元等，并再次对结果进行验证。（4）如验证结果与实验结果一致，则可重复仿真，设置可变参数点，并能定义设计变量。（5）优化分析：对设计变量的敏感度进行分析，对设计试验进行优化。（6）定制界面：定制菜单以及对话框。

2.3 仿真结果的验证

采用以下方法验证结果：（1）将压力传感器接入高压进油腔，臂架完成与仿真时相同的动作。（2）得出各支油缸的压力变化曲线。（3）仿真受力曲线。（4）比较两个曲线是否一致。将仿真受力转化为压力。

仿真后，得到油缸最大压力为。

压力对比情况如表1：

通过表1可以看出，仿真与实验数据对比无统计学差异。

2.4 模型参数化过程

ADAMS软件建立的动力化模型，隐式为主要方程式，采用Gear预估-校正算法，能够实现对方程的求解。求解后，可得出动力学模型，并了解速度以及加速度等边界条件。将初始条件设置为变量，控制变化范围，在不断改变变量值的前提下，便能够完成模型参数化的过程。

2.5 泵车的设计

在了解泵车整体情况的基础上，通过ADAMS软件完成仿真建模，并对模型进行了优化设计。优化设计需确定相应设计变量，同时建立目标函数，构建约束条件才可实现。从灵敏度分析、机构优化设计两个角度，完成了优化设计过程，对油缸的受力情况等进行了分析，发现在铰点连接位置改变的情况下，油缸压力可有效减小，优化值：各变量分为为-7885.3、-181.2、-8025.6、-46、-8465.5、-1099.4，在此优化值下，压力为-2412154。

3 讨论

通过仿真的方法，能够有效得出最佳变量控制值，进而将油缸压力降到最低，提高臂架系统的性能。

4 结论

综上所述，应通过仿真的方法，对混凝土泵车臂架系统进行设计，以使其应用效果得到优化控制。

参考文献：

[1]李涛，刘白雁，张如伟，李康.混凝土泵车臂架系统建模与仿真分析[J].武汉科技大学学报，2012（02）：129-132.

[2]金明勇，张如伟，陈新元，李涛.基于AMESim的混凝土泵车臂架系统建模与仿真[J].建筑机械，2011（07）：86-88+91.

[3]郭大猛，欧关怀，李允公，刘阔.基于模糊梯度投影法的混凝土泵车臂架运动仿真[J].系统仿真学报，2011（06）：1264-1267.

[4]杨平，王瑞，绍雨虹，吕彭民.基于刚柔耦合模型的混凝土泵车臂架系统动力学仿真[J].吉林工程技术师范学院学报，2011（12）：76-78.