某混凝土泵砼活塞支撑机构优化设计

王 静，吴士平，乔志华

（徐州徐工施维英机械有限公司，江苏 徐州 221001）

活塞是机械行业应用最为广泛的零部件之一。工作过程中，活塞外表面与缸筒内表面形成精密偶件。如果活塞自身加工误差或装配误差导致活塞与缸筒轴线不同轴，造成活塞工作过程中受力不均发生偏磨，导致活塞异常早期磨损，甚至引发安全事故。

如图1所示为砼活塞总成结构，砼活塞总成结构由压盘①、砼活塞（砼密封体）②、支承环③、连接法兰④、螺钉⑤及活塞支柱⑥组成，其外侧为砼输送缸。

图1 砼活塞总成结构

砼活塞是混凝土机械泵送系统的关键密封元件。如图2所示，砼活塞③装配在水槽②内部，连接主油缸①，工作过程中砼活塞依靠自身变形与砼输送缸⑤形成摩擦副，砼输送缸⑤穿过水槽②，由丝杠④将各部件装配成整体。为防止混凝土泄漏，砼活塞③与砼输送缸⑤之间有较大过盈量，导致工作过程中摩擦力较大，摩擦高温会导致砼活塞材料性能下降而导致密封失效。由于砼活塞与混凝土接触工况比较恶劣，且工作过程压力较大，砼活塞需经常更换，所以砼活塞为易损件。

图2 砼活塞装配位置

如图2所示，砼活塞装配在水槽内部，水槽空间较小，不易拆装，而砼活塞重量较重，更换困难且耗时耗力。本文结合砼活塞的使用工况，对砼活塞支撑机构进行优化设计，达到降低维修劳动强度及维护费用的目标。

1 砼活塞总成结构优化

1.1 优化原则

（1）减少支撑机构零部件数量。由图1可知，砼活塞由多个零部件组装而成，零部件越多，中间环节越多，则对各零部件的表面粗糙度、同轴度、平行度及尺寸公差控制越严格，无形中增加了生产难度，提高了生产成本；若减少零部件数量，不但降低了生产成本，而且降低了后期维护的难度和维护成本。

（2）轻量化设计。降低部件重量，优化支撑结构刚度。砼活塞支撑结构为混凝土泵送过程中主要受力部件，其刚度影响砼活塞的使用寿命。如图1、图2所示，由于结构和重量限制，砼活塞支撑机构不可能做的太重，借助拓扑优化理念（在给定的区域内对材料分布进行优化），提高砼活塞支撑机构的刚度，进一步提升砼活塞使用寿命。

1.2 结构优化设计

如图3所示，砼活塞总成包含3个机加工件，①、④及⑥，形成两对配合面，分别为A处径向配合、B处端面配合。

图3 更改前砼活塞结构示意图

A处位置为同轴度配合，此处配合为H8/f7，为间隙配合，最大间隙达到0.16mm，装配完成后，连接法兰与支撑体之间必定有间隙，此处存在同轴度误差。

B处位置为端面平行度配合，端面对轴的垂直度要求为0.02，两个件的配合从理论上增加了不同轴的风险。

为避免机加工过程产生的制造误差，进一步规避装配过程导致的装配误差，如图4所示，将连接法兰及活塞支柱优化组成一个整体，形成方案一如图5所示结构，减少A、B位置的配合连接，减少配合面，同时也降低加工难度。

图4 更改示意图

图5 更改后结构示意图

2 结构优化计算校核

2.1 受力分析

如图2所示，砼输送缸缸壁位于料斗与水槽之间，通过丝杠连接固定，砼活塞与泵送主油缸缸杆通过法兰固定连接，通过泵送主油缸往复运动，实现混凝土连续泵送。

如图6所示，箭头方向为砼活塞运动方向，混凝土的压力均匀作用到与混凝土接触的砼活塞面。支承环与砼活塞直接与缸壁接触，且支承环与砼活塞的材料分别为尼龙和聚氨酯，砼活塞支撑机构不与输送缸直接接触，因此本文单独将支撑机构进行研究，支撑机构受力如图7所示。

图6 运动及受力示意图

图7 支撑机构受力示意图

2.2 改进前后结构计算对比

如图8所示为改进前支撑机构的结构位移云图及应力云图，最大位移为0.53mm，在刚度变化大的区域应力较大，属于应力集中。此结构为产品批量使用结构，使用过程中反馈无质量问题，因此活塞支撑结构的优化以此结构为基础，对支撑机构进行轻量化设计及刚度提升。

图8 改进前结构位移及应力云图

如图9所示为改进后结构（后面称为方案一）位移云图及应力云图。由于方案一从重量上比原结构增加了1.2kg，最大位移为0.39mm，刚度提升26%；应力集中区域应力值降低30%，计算得知新结构从刚度及应力两方面都有较大提高。

图9 改进后结构位移及应力云图

2.3 结构改进后优化设计

如图5所示的方案一，刚度及应力都有较大提升，但是重量增加了1.2kg，没有达到优化的目的。

图10 改进前后结构对比

如图10b所示为支撑机构优化的方案（称为方案二），由方案一原两个件优化成一个件的基础上，在满足装配要求的前提下，结合拓扑优化的理念，对支撑机构的材料重新优化分布。如图10所示，增加法兰根部的材料重量，减少法兰边缘处的材料，使得材料分布更合理，材料的利用率更高，更改后支撑结构重量比原结构降低3.3kg。

2.4 优化后结构计算

如图11所示为更改后的计算结果，最大位移为0.49mm，应力集中区域的应力集中值基本无变化，和原结构对比，满足工况使用要求。

图11 方案二位移及应力云图

2.5 改进前后结果分析

如图12所示为改进前后支撑机构的位移云图，对比数据如表1所示。

3 结束语

（1）分析砼活塞支撑机构，对支撑机构结构进行优化改进，降低了加工制造难度，避免了装配环节产生的装配误差，降低了生产及后期维护成本，拆装时间节省20%。

（2）利用拓扑优化理念，借助有限元静力分析，将活塞支撑机构重量降低17%，同时刚度提升7.5%，将应力集中值降低28%，为砼活塞支撑机构优化提供可行的方案。

图12 更改前后位移云图

表1 改进前后的对比数据