混凝土泵車臂架系統(tǒng)折疊型式和機(jī)構(gòu)分析

張竟　 黎華　 田潤利

三一汽車制造有限公司　 湖南長沙　 410100

混凝土泵車臂架系統(tǒng)折疊型式和機(jī)構(gòu)分析

張竟 黎華 田潤利

三一汽車制造有限公司 湖南長沙 410100

泵車臂架系統(tǒng)總體設(shè)計受傾翻力矩、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、空間布置、臂架操控性等諸多因素的制約。在臂架系統(tǒng)總體方案設(shè)計階段，針對特定的設(shè)計要求，合理地選取臂架折疊型式和連桿機(jī)構(gòu)型式至關(guān)重要。針對現(xiàn)有泵車的臂架折疊型式和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，同時分析了不同結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍，對泵車臂架系統(tǒng)新產(chǎn)品開發(fā)具有一定的借鑒作用。

混凝土泵車臂架折疊型式連桿機(jī)構(gòu)

混凝土泵車是集行駛、泵送、布料功能于一體的混凝土輸送設(shè)備。適用于城市建設(shè)、住宅小區(qū)、體育場館、立交橋、機(jī)場等建筑施工時的混凝土輸送。混凝土泵車主要由底盤、臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔、底架、泵送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)七大部分組成[1]。臂架系統(tǒng)則由臂架、連桿、油缸和銷軸等組成，主要用于混凝土的輸送和布料。

臂架系統(tǒng)總體設(shè)計由于受傾翻力矩、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、空間布置、臂架操控性等多重因素的制約，并且需要兼顧客戶操作習(xí)慣、布料效率等因素[2]。因此，臂架系統(tǒng)設(shè)計的合理性在一定程度上決定了整個項目的成敗；而在臂架系統(tǒng)總體方案設(shè)計階段，確定臂架折疊型式和連桿機(jī)構(gòu)型式至關(guān)重要。

1　臂架折疊型式

臂架系統(tǒng)各部件組成了多個可折疊和展開的平面四連桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)各臂架間轉(zhuǎn)動方向和順序的不同，臂架有多種折疊型式，如：R型、Z型或M型、RZ型等。各種折疊方式都有其獨(dú)到之處R型臂架結(jié)構(gòu)緊湊；Z型或M型臂架在打開和折疊時動作迅速；RZ型臂架則由于其兼顧了R型和Z型兩種折疊型式的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。

1.1R型臂架

R型臂架結(jié)構(gòu)緊湊，一般適用于3節(jié)或4節(jié)短臂架泵車，其相鄰兩節(jié)臂架的旋轉(zhuǎn)角度一般≤180°。近年來也用于橋長比和臂架輕量化要求極高的產(chǎn)品，如3橋50 m泵車（圖1）。其臂架布置的特點是臂架的空間布局非常緊湊，幾乎利用了豎直平面內(nèi)所有能利用的空間。臂架3為側(cè)向彎曲臂架、臂架4繞轉(zhuǎn)到臂架3下方，臂架5、6則在臂架3上方，充分利用了臂架3上方和下方的空間。此種折疊型式臂架的收展需要嚴(yán)格遵照一定的順序，臂架收展操作難度大、耗時長；并且整套臂架折疊狀態(tài)下的質(zhì)心靠后，存在后橋超重的隱患。

圖1　三一重工3橋50 m泵車

1.2倒置R型臂架

倒置R型臂架（即臂架1位于臂架2下方）。其特點是臂架1的收展需要通過連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，臂架1旋轉(zhuǎn)角度一般為175°左右。在施工工況下，油缸1承受拉力；臂架2、3可置于駕駛室正上方甚至超出駕駛室；臂架3一般為側(cè)彎臂架。此種折疊型式在SCHWING泵車上應(yīng)用較多（如圖2）。

圖2　SCHWING　倒置R型臂架泵車

1.3Z型臂架

Z型臂架收展動作十分迅速。在折疊狀態(tài)下，整套臂架通常呈一字排列布置，臂架節(jié)數(shù)一般為4節(jié)或5節(jié)。常用于短臂架和中長臂架泵車，如36 m、42 m、45 m等。在長臂架泵車上也有應(yīng)用，如Putzmeister的52 m泵車為5節(jié)Z型臂架，其臂架2和臂架4為側(cè)彎臂架（如圖3）。其最大的優(yōu)勢是整套臂架的展開和折疊動作十分迅速：臂架1展開到一定角度（約80°～90°）后，后續(xù)臂架可同步收展；而臂架2、3與臂架4、5之間需要安裝兩個反折大三角連桿，機(jī)構(gòu)偏重；臂架2、3之間的連桿布置要特別注意避免與轉(zhuǎn)臺和1號油缸發(fā)生干涉。

圖3　Putzmeister　52 m泵車

1.4RZ型臂架

RZ型臂架兼具R型和Z型的優(yōu)點，為泵車中最常見的臂架折疊型式。三一重工的49C8系列、56C8系列和62C8系列泵車臂架均為此種類型。其基本特征是臂架1、2、3為R型，臂架3、4、5為Z型，如圖4所示。其布置特點是臂架3為側(cè)向彎曲臂架，臂架4、5布置于臂架3上方；臂架1展開至90°、臂架2展開至水平后，臂架3、4、5可快速聯(lián)動。此種折疊型式設(shè)計時需要重點考慮整套臂架豎直狀態(tài)下，快速收展臂架2時臂架4與轉(zhuǎn)臺或臂架1不發(fā)生干涉。

圖4　RZ型臂架

1.5倒置RZ型臂架

在倒置RZ型臂架中，SCHWING的6橋52 m泵車便是其典型代表，如圖5所示。其特點是臂架3為側(cè)彎臂架，臂架2、3、4、5均可置于駕駛室上方，臂架1的收展需要通過連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。

圖5　SCHWING 6橋52 m泵車

1.6ZR型臂架

ZR型臂架，常用于短臂架泵車（如Putzmeister 20 m泵車、SCHWING的28 m泵車）。為方便布料作業(yè)，最后一節(jié)臂架的旋轉(zhuǎn)角度一般為270°。主要特點是臂架展開高度極低，特別適合于廠房內(nèi)布料作業(yè)，如圖6所示。

圖6　SCHWING泵車室內(nèi)布料作業(yè)

1.7折疊伸縮型臂架

折疊伸縮型臂架在SCHWING的泵車上應(yīng)用較多（如圖7），兩節(jié)伸縮臂之間的輸送管配管一般布置為“Z”字形。

圖7　SCHWING 伸縮臂架泵車

1.8RZR型臂架

RZR型臂架適用于橋長比要求極高的泵車，整套臂架折疊狀態(tài)下，占用的高度空間很多。臂架2一般位于固定轉(zhuǎn)塔上表面以下，3#臂架油缸一般為內(nèi)藏式油缸，代表車型為三一的4橋60 m泵車（如圖8）。設(shè)計時應(yīng)特別注意校核行駛狀態(tài)下臂架與斜拉梁及固定轉(zhuǎn)塔之間的間隙。

圖8　三一重工4橋60 m泵車

1.9全回轉(zhuǎn)型臂架

全回轉(zhuǎn)型臂架結(jié)構(gòu)一般體現(xiàn)在最后一節(jié)臂架是360°全回轉(zhuǎn)的型式，如圖9所示。CIFA的35 m泵車臂架5由液壓馬達(dá)驅(qū)動，可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。

圖9　全回轉(zhuǎn)型臂架

2　連桿機(jī)構(gòu)

連桿機(jī)構(gòu)作用于臂架各種姿態(tài)的運(yùn)動實現(xiàn)，并與相關(guān)部件保持合理的空間位置。四連桿機(jī)構(gòu)是目前臂架連桿機(jī)構(gòu)唯一采用的一種結(jié)構(gòu)。根據(jù)臂架空間結(jié)構(gòu)布置、機(jī)構(gòu)驅(qū)動力、輸送管布置等需要，衍生出不同的結(jié)構(gòu)型式。在設(shè)計時采用何種型式，則需要根據(jù)具體的要求和情況而定。

2.1直連桿+直連桿

這類連桿機(jī)構(gòu)在中聯(lián)重工的泵車產(chǎn)品上應(yīng)用較多，臂架展開角度一般為0°～180°。此連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸較小、空間布置較為緊湊，適用于橋長比要求高的產(chǎn)品。主要是可以將連桿機(jī)構(gòu)節(jié)約的高度空間用于增加臂架箱體截面高度，以改善臂架的受力工況。如中聯(lián)重工5橋的63 m泵車，臂架2、3之間就是采用該類機(jī)構(gòu)。

根據(jù)實際結(jié)構(gòu)和布置需要，連桿可以內(nèi)置或外置。如中聯(lián)3橋的47 m泵車（如圖10），連桿1、2全部內(nèi)置；連桿8為單板結(jié)構(gòu)外置。

部分廠家為了滿足輸送管的布置需要（輸送管從臂架連接部位橫穿而過），將一根連桿設(shè)計為彎連桿（如圖11），則屬于“直連桿+直連桿”的變型，然而這種彎連桿受力較直連桿差。

2.2三角連桿+直連桿

這類連桿機(jī)構(gòu)在目前應(yīng)用得最為普遍[3]。在用于正折臂架時，展開角度一般為0°～180°；用于反折臂架時，展開角度一般為0°～240°。在正常施工工況下，直連桿為受壓二力桿；三角連桿主要承受拉力，且由于其受拉橫截面積較大，受力較好。

圖11　“直連桿+直連桿”的變型

此種連桿機(jī)構(gòu)型式在三一、Putzmeister和CIFA泵車上應(yīng)用普遍，CIFA一般采用外置結(jié)構(gòu)（圖12）；而三一和

圖12　“　三角連桿+直連桿”外置結(jié)構(gòu)

圖13　“　三角連桿+直連桿”內(nèi)置結(jié)構(gòu)

實際設(shè)計中，由于輸送管需要穿管等，該類連桿機(jī)構(gòu)還可以適當(dāng)變型，如圖14所示。

圖14　“　三角連桿+直連桿”的變型

“三角連桿+直連桿”的連桿機(jī)構(gòu)用于反折臂架的優(yōu)點是折疊狀態(tài)下臂架連接銷軸安裝及拆卸方便；而缺點是在臂架展開過程中，油缸推力波動范圍大，即推力曲線不平緩，油缸利用率較低，不利于減重設(shè)計。

2.3直連桿+三角連桿

該類連桿機(jī)構(gòu)展開角度范圍為0°～245°，油缸力隨臂架展開角度的變化曲線平緩，臂架操縱平順性好，且有利于輕量化設(shè)計。

該機(jī)構(gòu)既可以用于正折臂架，又可以用于反折臂架。用于反折臂架時，相似于“三角連桿+直連桿”的連桿機(jī)構(gòu)，而油缸力曲線平緩，機(jī)構(gòu)輕量化程度更高[4]，但是存在臂架連接部位銷軸拆裝困難的問題。

該連桿機(jī)構(gòu)一般為外置式（如圖15），需要特別指出的是，Putzmeister的42 m泵車臂架為混合型，其優(yōu)點是臂架連接部位橫向空間更為緊湊。

圖15　直連桿+三角連桿

有時輸送管需要從臂架連接部位橫穿而過，這只需對該連桿機(jī)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行相關(guān)調(diào)整即可實現(xiàn)“直連桿+三角連桿”的變型，如圖16所示。

圖16　“　直連桿+三角連桿”的變型

3　結(jié)語

本文針對現(xiàn)有泵車的臂架折疊型式和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，同時分析了不同機(jī)構(gòu)型式的優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍，對泵車臂架系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的借鑒作用。

[1]陳宜通.混凝土機(jī)械[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]魏雪玲,徐懷玉,程樺等.市場變化催生技術(shù)變革國產(chǎn)臂架式混凝土泵車發(fā)展趨勢談[J].工程機(jī)械與維修,2006(03):52-59.

[3]陳萬權(quán).淺談國產(chǎn)混凝土泵車的新技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2011 (36):13-13.

[4]徐鑫,陳先,趙玉坤等.混凝土泵車長臂架布置型式的分析研究[J].混凝土,2012 (07):142-144.

Analysis onArm Folding Type and Link Mechanism of Concrete Pump Truck

ZHANG Jing et al

The overall design of concrete pump truck are constrained by many factors, such as tilting moment, mass, the structure mechanical properties, space layout and the handling properties of arm. In the stage of overall program design of arm system, select the type of arm folding and link reasonably is crucial to special design requirements. The article systematic summarizes the existing types of arm folding and link mechanism of concrete pump truck. Meanwhile, the advantages and disadvantages and the application range of different types of arm structure are analyzed. These conclusions can provide some guidance to the design of arm system.

concrete pump truck; arm folding type; link mechanism

張竟，男，1983年生，工程師，現(xiàn)從事專用車設(shè)計工作。

U469.4.03

B

1004-0226(2016)07-0107-04

2016-05-10