混凝土泵车臂架系统和转塔结构设计说明书

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1、GUANGDONG BAlYuN UNIVERSITY毕业设计（论文）题目：混凝土泵车臂架系统和转塔结构设计学生姓名：阿学 号：专业班级:B09车辆工程指导教师：学院：机电工程系2013年5月混凝土泵车臂架系统和转塔结构设计摘要混凝土泵车是一种先进的混凝土输送设备，以其快速高效灵活方便等显著的特点， 近年来已被广泛用于工业设施、民用建筑、国防工程等混凝土浇注工作。随着社会的快 速发展，生产力的不断提高，混凝土泵车已成为当今建筑施工企业必不可少的专用设备。本文先对混凝土泵车国内外的发展概况以及发展趋势进行初步介绍，而后对混凝土 泵车的基本结构组成进行分析说明。设计部分首先对混凝土泵车的臂架系统进

2、行设计， 包括选择合适的结构形式与材料，确定主要的设计参数。然后进行臂架的强度计算，算 出臂架所受的各种载荷。最后是转塔结构的设计，主要介绍转塔各部分结构的设计要点， 以及对转塔的关键结构进行强度计算。关键词：混凝土泵车；臂架系统；转塔结构；强度计算THE BOOM SYSTEM AND TURRET STRUCTURAL DESIGN OFCONCETRE PUMP TRUCKABSTRACTConcrete pump truck is an advanced concrete conveying equipment, with its fast and efficient and flex

3、ible notable feature in recent years has been widely used in industrial facilities, civil construction, national defense projects such as concrete pouring work. With the rapid development of society, the continuous improvement of productivity, concrete pump has become essential for todays constructi

4、on enterprises specialized equipment.This article first preliminary overview of the development of concrete pump truck and abroad as well as trends introduced, then the analysis shows the basic structure of the concrete pump truck. The design part of the first concrete pump truck boom system design,

5、 including the selection of a suitable structure and materials, and to determine the main design parameters. Strength calculations and then boom, calculated the jib suffered various load. Finally, the turret structure design introduces turret design features of the various parts of the structure, as

6、 well as the strength of the key structures of the turret.Key word:concrete pump truck; boom system; turret structure; strength calculation1绪论51.1概述51.2混凝土泵车的发展概况51.3混凝土泵车技术的发展趋势71.4本章小结72混凝土泵车的基本结构和主要技术参数错误!未定义书签。2.1混凝土泵车的基本结构错误!未定义书签。2.1.1混凝土泵车基本组成错误!未定义书签。2.1.2混凝土泵车的分类错误!未定义书签。2.1.3混凝土泵车构造错误!未定义书

7、签。2.2混凝土泵车主要技术参数确定错误!未定义书签。2.3本章小结错误!未定义书签。3臂架系统设计与强度计算错误!未定义书签。3.1臂架系统设计错误!未定义书签。3.1.1臂架的设计分析错误!未定义书签。3.1.2臂架形式设计错误!未定义书签。3.1.3材料选择错误!未定义书签。3.2臂架液压油缸错误!未定义书签。3.2.1臂架液压油缸的作用错误!未定义书签。3.2.2液压缸的结构错误!未定义书签。3.2.3液压油缸的主要材料与技术要求错误!未定义书签。3.3强度计算错误!未定义书签。3.3.1臂架承受的载荷错误!未定义书签。3.3.2臂架系统强度计算错误!未定义书签。3.4本章小结错误!未

8、定义书签。4转塔结构设计84.1转塔84.1.1转台结构84.1.2回转机构84.1.3固定转塔94.1.4支承结构104.2转塔结构的强度计算114.2.1转台油缸连接处强度计算114.2.2螺纹连接的拧紧力矩计算114.2.3回转支承装置的强度计算124.3本章小结135结论14参考文献15致谢16附件161绪论1.1概述混凝土泵车是装备有混凝土泵和布料装置，利用压力通过管道将混凝土进行输送和 浇注的专用汽车，是一种先进的混凝土输送设备，有快速高效灵活方便等显著的特点， 近年来已被广泛用于工业设施、民用建筑、国防工程等混凝土浇注工作。它将混凝土输 送和浇注工序合二为一，节约了时间，节省了劳

9、动力；同时完成水平和垂直输送，省去 了起重环节，不需再设混凝土中间运转，保证了混凝土质量，与混凝土运输车相配合， 实现了混凝土输送过程完全机械化混凝土泵车是将混凝土泵安装在汽车底盘上，利用柴油发动机的动力，通过动力分 动箱将动力传给液压泵，然后带动混凝土泵工作。混凝土通过布料杆，可送到一定的高 度与距离。对于一般性的建筑物施工，混凝土泵车有着独特的优越性，它移动方便，输 送幅度与高度适中，可节省一台起重机，因此在一般建筑工地很受欢迎。1.2混凝土泵车的发展概况（1）国外混凝土泵车的发展概况：德国斯维英公司1965年开始生产混凝土泵车，1968年推出42m布料杆泵车。1982 年该公司摒弃了刚注

10、册专利的“S ”管阀后推出了裙阀。与“S ”形管阀相比，零部件受力情 况得到改善,阀室流道短结构紧凑，并一直独家享有其专利。随后在80年代中期，德国的施维英公司又开发了臂长为50m的泵车，并且产品已形 成系列化。混凝土泵车布料杆的垂直高度1652m共13个品种，其混凝土输送量为56 150m3/h，布料杆节数有二节、三节，最多有四节，最大混凝土输送压力5.510.8Mpa。 泵车底盘驱动形式最大10x6，大中小机型规格齐全，便于用户选用。同时该公司亦很重 视塔式臂架泵的开发，这种高大的泵送设备特别适用于工期较长的大型工程和在预制构 件厂中装备应用。德国普茨曼斯特公司生产的混凝土泵车布料杆的长度

11、也有13种。布 料杆的垂直高度1662m，布料杆节数最多为五节；混凝土输送量66200m3/h。该公 司生产的M62型泵车，臂架长度58m，五节臂，垂直布料高度62m,最大输送量200m3/h。 底盘形式12x6，总重62t，是当今世界上最大的混凝土泵车。近年来普兹迈斯特公司生产了支承宽度仅3m的混凝土泵车，使泵车可在狭窄的建展京白察孽院GUAHGDONG BAIYUH! LlVERfilTr 筑工地作业；该公司生产的BRF2112H型泵车采用外斜支承，减轻了整机重量，臂架的 运动和泵的工作利用无线电遥控，采用了集中润滑，液压系统符合节能要求。普茨迈斯 特公司作为闭式系统的代表，坚持采用闭式系

12、统，不断地提高和完善控制功能，使混凝 土泵工作更精细、更可靠。坚持采用电开关换向，独立的摆动油缸控制系统，把技术特 点放在主油泵排量控制上，促进了混凝土泵车技术的进一步发展和完善。（2）我国混凝土泵车的发展概况：混凝土泵车在国内实际工程中大规模应用，这只能从1979年算起。当时，上海宝 钢工程从日本三菱重工引进了四部DC-5115B型混凝土泵车，配以容量6m3的混凝土 运输搅拌车，在各种大型钢筋混凝土工程上得到应用。与此同时，上海第八建筑工程公 司仿制了前联邦德国托克里特以水作为压力介质的臂架式混凝土泵车。80年代，国产泵 车年产量约在50台左右。1983年湖北建设机械厂投资150万美元引进了

13、日本石川岛播 磨的IPF85B型混凝土泵车，研制生产了第一台楚天牌HJC517085臂架式混凝土泵车， 并在1985年被国家经贸委确定为替代进口产品。1988年在引进的基础上，研制生产了 具有国产底盘的HBB85A型臂架式泵车并通过建设部鉴定，此时国产化率达84%。同 时，利用这一技术开发的HBT60型拖式混凝土泵也于当年通过鉴定投产。该泵车用的 集流阀组和混凝土分配阀于1990年分别在贵州183厂和湖北建机公司研制成功。到80 年代末期，国产85B泵车在市场的保有量己达120台量，打破了我国泵送机械市场依 赖进口设备的局面。90年代初期，我国混凝土泵车系列化初具雏形。徐州混凝土机械厂与德国普

14、茨迈斯 特公司合作生产BC90-32型臂架式混凝土泵车。至此我国自己生产的臂架式混凝土泵 车，呈现多品种、系列化雏形。但国产化率比较低，销售价格比较昂贵。目前我国生产 的混凝土泵车布料杆垂直高度有17m、21m、27m、32m、36m、37m、42m、47m。臂 架节数有三节和四节两种；混凝土输送量有 50m3/h、85m3/h、100m3/h、114m3/h、 125m3/h；混凝土输出压力为4.68.2Mpa。主要选用底盘驱动形式为4x2和6x4两种型 式的日本五十铃、国产北方奔驰、斯太尔等汽车底盘。泵车的臂架、底架、支腿、转台 等主要钢结构均采用高强度钢板。液压系统有开式和闭式两种，其中

15、对主油缸与阀油缸 的控制，采用顺序回路和卸荷回路。液压系统中使用的各种阀的安装形式有分离式、集 成式和插装式等多种。主油缸活塞的密封有多种形式，主要采用“U”形密封圈、“O”型活 塞密封圈、活塞环密封圈。泵车混凝土分配阀形式主要有闸板阀、“S”管阀两种。同时 在提高混凝土分配阀的使用寿命、减少磨损等方面做出了大量的、卓有成效的研究工作。展京白察孽院GUAHGDONG BAIYUH! LlVERfilTr通过上述工作，我国自行设计与制造的混凝土泵车得到了较大发展，年产量达到 300-400台，性能质量基本上能满足用户要求。现阶段，混凝土泵车主要集中在三一重工、中联重科、湖北建机、安徽星马、辽宁

16、海诺等企业，产量占全行业的95%，相信在不长的时间内在产品质量上也能赶上世界先 进水平。1.3混凝土泵车技术的发展趋势从混凝土泵车的国内外发展历史可以看出，混凝土泵车不断的向着高技术发展，不 断的提高经济效益，不断的赶适应上现在城市建设、国防工程的发展步伐。混凝土泵车 的技术已经成为反映国家建筑施工水平的重要指标之一。本文通过国内外的一些调查资 料，总结出混凝土泵车有以下几点发展趋势：（1）向更大的混凝土排量、更高的泵送压力的方向发展，进一步提高泵车的混凝 土传输效率。（2）混凝土泵车的泵送高度更高、直径距离更大，使泵车有更大的工作范围。（3）混凝土泵车的电气化、多功能化发展，加入无线遥控技术

17、、计算机技术以及 各项传感技术等，使泵车的操纵更简单、更人性化。1.4本章小结本章首先通过简述混凝土泵车的定义、特点和工作原理，对混凝土泵车进行了初步 的认识。再通过介绍混凝土泵车在国内外的发展起源、历史以及研究现状等，对混凝土 泵车有了更深刻的了解。从中分析出混凝土泵车未来的发展趋势，让接下来的设计更有 方向性、目的性。4转塔结构设计4.1转塔转塔主要由转台、回转机构、固定转塔和支撑结构等几部分组成。转塔安装在汽车 底盘中部，行驶时其载荷压在汽车底盘上；而泵送时，底盘轮胎离开地面，底盘和泵送 机构也挂在转塔上。整个泵车（包括底盘、泵送机构、臂架系统和转塔自身）的载荷由 转塔的四条支腿传给地面

18、。臂架系统安装在转塔上，转塔为臂架提供一个稳固的底座， 整个臂架可以在这个底座上旋转，每节臂架还能绕各自的轴旋转，转塔的四个支腿直接 支承在地面上。4.1.1转台结构转台是由高强度钢板焊接而成的结构件，作为臂架的基座，它上部用臂架连接套与 臂架铰接，下部用高强度螺栓与回转支承相连，主要承受臂架载荷，同时可随臂架一起 在水平面内旋转。结构如图4.1所示。1-立板；2-圆锥加强筋板；3-围板；4-底板；5-立板；6-圆弧板；7-限位块；8-油缸连接处图4.1回转机构结构简图4.1.2回转机构回转机构集支承、旋转和连接功能于一体，它由高强度螺栓、回转支承、回转减速 机、主动齿轮和过渡齿轮（按强度取舍

19、）组成。结构如图4.2所示。图4.2回转机构结构简图回转减速机带动主动齿轮，经过渡齿轮驱动回转支承外圈，实现回转支承内外圈之 间的慢速旋转。回转支承的外圈与上部转台、内圈与下部固定转塔用高强度螺栓相连， 内外圈之间由交叉滚子（或钢球）连接。因此，它上部连接的臂架、转台与固定转塔之 间即可实现低速旋转，而臂架、转台的工作载荷通过回转支承传给固定转塔。4.1.3固定转塔固定转塔是由高强度钢板焊接而成的箱型受力结构件，是臂架、转台、回转机构的 底座。混凝土泵车行驶时主要承受上部的重力，而混凝土泵车泵送时主要承受整车的重 力和臂架的倾翻力矩。同时高强度钢板围焊的空间，又可做液压油箱或水箱。因此，它 既

20、要有足够的强度和刚性，又要有良好的密封性。如图4.3所示。图4.3固定转塔结构简图4.1.4支承结构支承结构的作用是将整车稳定地支承在地面上，直接承受整车的负载力矩和重量。1-支撑油缸；2-右前支腿；3-前支腿伸缩油缸；4-前支腿展开油缸；5-右后支腿；6-后支腿展开油缸；7-左后支腿;8-左前支腿图4.4支撑结构简图图4.4为经常使用的后摆伸缩型支腿的支撑结构，由四条支腿，多个油缸组成。其 中四条支腿、前后支腿展开油缸、前支腿伸缩油缸和支撑油缸构成大型框架，将臂架的 倾翻力矩，泵送机构的反作用力和整车的自重安全的由支腿传入地面。支腿收拢时与底 盘同宽，展开支撑时能保证足够的支撑跨距。工作状态

21、下，泵车在工地上的占地空间和 整车的支撑稳定性由负载力矩、结构重量、支撑宽度、结构力学性能、支撑地面状况等 因素决定。因此，它应具有合理的结构形式、足够的力学性能和有效的支撑范围，保证 其承载能力和整车的抗倾翻能力，确保泵车工作时的安全稳定性。同时，应将支腿支撑 在有足够刚度的或用其它材料按一定要求垫好的地面上，且整车各个方向倾斜度不超 过，为此，在混凝土泵车左右两侧各装有一个水平仪来辨别倾斜度。支腿系统设计要满足泵车在作业状态下的稳定性条件：即当泵车的1.2倍自重载荷、 1.3倍工作载荷、附加载荷和1.1倍的惯性力共同作用于最不利的倾覆线（支腿完全伸 展开后四个支撑点的连线）时，其力矩之和大

22、于零，否则，泵车在作业时有可能倾翻， 造成重大安全事故。在五节臂架全部水平伸直时，泵车受到的倾覆力矩最大，由第三章可知，最大倾覆 力矩为，但泵车地盘的资料未知，因此只能做一些结构及空间上的布置，其长度与泵车 地盘和泵送系统及泵车其它附属装置质量的分布有关，故不进行详细设计。展京白察孽院GUAHGDOMG BAIYUlf UMiVERSITr4.2转塔结构的强度计算4.2.1转台油缸连接处强度计算回转台与液压油缸连接处的材料的强度是整个回转台最危险截面处。对其进行强度 校核是十分必要的。设F为液压缸的拉力，则最大应力为5 = F(4-1)A式中：F液压缸的最大拉力；A油缸连接处的最大受力面积。已

23、知液压缸中活塞理论推力为：F=1.37MN而作用面积为：F 1.37, 一、A = 0.004m 2(4-2)P 门33 x 95%m所以带入式(6.7)最大应力为:5 = F = 113L = 342.5。A 0.004而回转台油缸连接处的材料为WELDOX700E，它的屈服强度为Ss=700MPa。危险截面 处的最大应力66s,即满足强度要求。经过以上对回转台的合理设计与选型，在具体的生产实践中具有一定的可行性，体 现其优越性，它的耐冲击负荷能力高，故障相对而言较少，维修方便，从而提高了工作可 靠性。4.2.2螺纹连接的拧紧力矩计算回转支承装置的螺纹连接在装配时必须预紧，目的在于增强连接的

24、刚性、紧密性和 防松能力。拧紧螺母时，拧紧力矩T要克服螺纹副的摩擦力矩T1和螺母与被连接件(垫 圈)支撑面的端面摩擦力矩T2。本设计采用螺栓GB/T 5782-1986 M20X80。即9：T = T + T= KF0 d(4-3)式中：d螺纹公称直径(mm)；F0预紧力(N)；K拧紧力矩系数，取k=0.2预紧力的计算：螺纹连接拧紧后的预紧力一般不得超过材料屈服点的80%，一般可(4-4)取：F0 = 0.75 A查相关质料可知，钢材料螺栓5s=640Mpa；A螺栓危险剖面处的面积，M2A =4兀 X 2024=314.16mm 2则:F0 = 0.75 $ A = 0.7 x 640 x 3

25、14.16 = 140.7 KN带入上式拧紧力矩T：T = T + T2 = KF0 d = 0.2 x 140.7 x 20 = 562.8N.m4.2.3回转支承装置的强度计算回转支承装置的强度计算是校核滚动体上受到最大正压力时的变形量。滚动体和滚 道的塑性变形量之和不得超过0.010.02 %的滚动体直径。在混凝土泵车回转支承中， 内、外滚圈和滚动体材料选用强度高、耐磨性好的金各锰高碳钢制造，常用牌号如GCr15、 GCr15SiMn等(G表示滚动轴承钢)，其表面淬火后硬度为HRC6065，同时其淬硬厚度 在2.5mm以上，其相应的线接触许用应力为10：5 .匕=30000 36600(

26、 kg/cm 2)其点接触的许用应力为线接触许用应力的22.5倍左右，则：5 = (700)HRC = 60000 91500(kg/cm2)因为回转支承的滚动体为滚球，则其点接触应力可由下式求得：=0.89(4-5)又-4000：“ /1、5 =斗,N ( )2Pmax r式中1/r查得:142 cos a 242 cos a 45。2=+一=+r d D - d cos a d 2.5 98 一 2.5 cos 45。 1.1 x dP为点接触计算系数，查的：P = 1.2则滚动体的点接触应力为:8 = 000 314507.2 x 0.982 = 80209( kg /cm2) 8 1.

27、2j p计算额定静载荷C：座圈材料采用GCr15,滚道表面硬度HRC65，查得球式回转支承 o静容量系数与滚道表面硬度HRC及滚动体直径d0有关，应力系数f0=7.3kg/mm2，回转支承能够承受的最大静承载能力(额定静载荷)为UH：C 0 = f0 d 2 n sin a = 7.3 x 107 x 0.0252 x 204 x sin45 o = 6581.4( KN)为与标准的回转支承装置(a = 45o)的静载荷C 0相适应，计算当量载荷CqC = Gp + + *H(4-6)0式中：K、K 系数，其中K=5, K=2.5，带入上式：M HMHC = G + KmM + K H = 4

28、7131.1 + 5 x 718656 + 2.5 乂 4713 = 3725.5( KN)eq PD0H0.98选择系列化的标准回转支承装置，要使安全系数(表4-1)：工作类型T =皇=6581.4 = 1.77 s C3725.5表4-1不同工作类型的安全系数机器举例【Ts】轻工作堆取料机、工程起重机1.01.2中工作塔式起重机、船用起重机1.11.3较重工作抓取起重机、混凝土泵车1.31.5重工作单斗挖掘机、冶金用起重机1.41.6很重工作斗轮挖掘机、隧道抛进机1.62.0而在混凝土泵车中，安全系数J取1.11.3, f实际值大于最大安全系数，所以选取此型号回转支承满足要求。4.3本章小

29、结本章首先介绍转塔由哪部分结构组成，然后分析个结构的工作原理以及工作要求， 对转塔的结构有了初步认识。然后再对转塔的几个重点结构进行强度计算。5结论在现代的建筑工程中，混凝土泵车逐渐成为一个重要的角色，在整个建筑过程中起 到不可缺少的作用。但是，混凝土泵车仍处于发展阶段，各项技术、制造工艺仍待完善， 有很高的发展空间。本文对37米的混凝土泵车进行了设计，主要设计混凝土泵车的臂架系统和砖塔结 构两个部分。其中包括臂架系统和转塔结构的参数确定、材料选择以及强度计算。在臂 架系统的设计中，对臂架的形式、材料进行了选择确定，同时对臂架液压油缸的主要零 部件也进行了材料的选择确定。最后详细计算出臂架所受

30、的弯矩、扭矩、风载荷以及回 转惯性力等各种载荷。在转塔结构的设计中，对比较重要的转台、回转支承装置等结构， 根据相应的材料进行强度计算。通过本次设计，发现材料的正确选择以及合理的结构形式可以让混凝土泵车的制造 工艺更加简化，同时也能保证混凝土泵车在工作中的安全稳定性。相信通过不断的设计 改进之后，混凝土泵车会变得更加完善、技术更加成熟。参考文献1聂海江，混凝土泵车回转机构、臂架油缸及回转台的设计D,江苏:徐州工程 学院，2008.2杨可桢、程光蕴，机械设计基础M,北京：高等教育出版社，2006： 1-320.3陆玉、何在洲、佟延伟机械设计课程设计M，北京：机械工业出版社，2005： 1-241

31、.4成风文，机械制图M，北京:中国标准出版社，2006： 1-291.5刘惟信，汽车设计M，清华大学出版社，2006： 158243.6王锦俞，英汉汽车工程词典M，北京:机械工业出版社2009： 1-1770.7希忠温，机械加工基础理论M，济南：山东科技出版社2006： 1-161.8丁德全，金属工艺学M，北京：机械工业出版社2004： 1-312.9徐灏，机械设计手册，北京：机械工业出版社，1991.10徐达、蒋崇明.专用汽车结构与设计.北京：北京理工大学出版社，199811司景萍.专用车辆.北京：人民交通出版社，200712Koki Hayashi, Yoshinao Shimizu, Y

32、asuhiko Dote, Akira Takayama, and Atsushi Hirako Neuro Fuzzy Transmission Control for Automobile with Variable Loads IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY. VOL. 3, NO. I , MARCH 1995，03： 189192.致谢附件(1) 臂架与转塔铰接结构图，2号图纸，1张；(2) 臂架油缸结构图，2号图纸，1张；(3) 混凝土泵车总体布置图，2号图纸，1张；(4) 符号说明：L臂架节臂长度mW臂架节臂宽度mR输送管到对应节臂中心距离mv节臂重心回转速度m/sG重力Nq均布载何NQ集中载荷NF g惯性力Nm质量kgN回转转速r/mint时间sK冲击系数Kd动载荷系数Fc侧向拉力NFw风载荷NP风压Pac风载体形系数A面积m2d管外径mM弯矩N.mT扭矩N.mt q回转启动时间s6应力MPad螺纹公称直径mmF0预紧力N接触计算系数Co额定静载何KNTs安全系数