混凝土泵車臂架振動的動態特性的相關探討

張忠元+沈千里+張穎

摘 要：作為建筑機械的一種，混凝土泵車能夠完成混凝土從泵送到澆注的全部任務，因此也被廣泛運用在現代工程建設當中。而在混凝土泵車當中最為關鍵的部分之一便是臂架系統，可用于全面考量泵車的整車性能。但由于混凝土泵車臂架系統在運行當中會受到種種因素的影響而產生振動，尤其是過大的振動將直接影響到混凝土泵車的性能，因此本文將通過從簡單分析混凝土泵車臂架系統產生振動的原因作為研究出發點，結合對臂架系統需要承受的載荷分析著重探討混凝土泵車臂架系統的動態特性。

關鍵詞：混凝土泵車；臂架振動；動態特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.099

0 引言

混凝土的泵送、澆筑等工作對于整個混凝土工程的質量具有重大而直接的影響作用，尤其是受到混凝土自身以及工程施工的影響，其對于時間、速度等要求比較高，特別是在許多大型的混凝土施工工程當中，通過積極運用混凝土泵車能夠高效完成混凝土輸送、澆注等工作，同時有效減少人力勞動耗損，進一步提升施工效率。但考慮到混凝土泵車中的臂架系統因其有著相對比較復雜的結構，同時常常因需要承受不同的力而產生振動，對泵車的整車性能造成一定影響。基于此，本文將通過簡要談談混凝土泵車臂架系統的動態特性，希望能夠為優化泵車臂架系統提供一定的幫助。

1 混凝土泵車臂架系統產生振動的原因

（1）泵送砼缸作業。在混凝土泵車當中，混凝土泵送砼缸負責向混凝土輸送管壓送混凝土使其能夠達到實際澆注位置，而混凝土泵送砼缸一直處于循環交替的工作狀態中，并且其每一次壓送混凝土時，混凝土都會受到一種短暫的沖擊力，人們也將這種短暫的沖擊力稱之為瞬態恒力。在時間不斷積累增加之下，瞬態恒力的數量越來越多，數值也越來越大，導致混凝土泵車會產生一種類似脈動載荷并且其具有一定的周期性，進而在周期性的沖擊力影響之下使得混凝土泵車臂架系統產生振動，尤其是當泵送砼缸工作頻率，與臂架系統低階固有頻率相接近甚至是保持一致時，會引發共振情況[1]。

（2）砼的摩擦阻力。混凝土被壓送至輸送管內，并非始終保持穩定、相同的流速，譬如說在彎管位置處混凝土會受到一定阻力，而在這一阻力的影響之下混凝土的流速將發生變化，此時在混凝土輸送管彎位置處，混凝土原本需要受到的壓力也發生了一定程度的變化，在同時發生變化的混凝土流速與壓力影響之下，會在管壁位置處形成沖擊力。而受到周期作業的混凝土泵送影響，管壁在周期內也會一直受到沖擊力的影響[2]。

（3）受沖擊力影響。從空間上來看，泵車臂架系統位于軟管以及出料口位置處的輸送管道保持直角形態，因此當混凝土流經此處時，不僅流速將發生巨大變化，使得混凝土難以保持穩定、均勻的速度流出出料口。而泵車臂架系統在這一位置處產生的作用力頻率與泵送砼缸的作業頻率基本一致。混凝土流經出料口軟管位置處產生的摩擦力及其自身重量共同構成了泵車臂架系統需要承受的載荷，進而導致其出現振動情況。

2 混凝土泵車臂架系統承受載荷分析

（1）加載摩擦力。在分析混凝土從勻速壓送至輸送管到最后準確到達澆注點的時間段內，泵車臂架系統振動情況的過程當中，需要在托架的20個節點位置處加載位于這一時間段內的摩擦力，也就是通過利用相鄰兩個輸送管托架的距離除以混凝土流速，得到混凝土流經這兩個托架所用時間，同時在相應位置節點出加載在該時間段內混凝土輸送管道受到的摩擦力，在改變該段輸送管密度之后即可求得混凝土在第20個節點位置處加載在水平方向上臂架系統末端軟管的載荷[3]。

（2）輸送管密度。為更好地完成重力加載，需要對輸送管以及混凝土的等效密度進行改變，考慮到混凝土泵送的最大密度值為2.4×103kg/m3，因此如果將混凝土以及輸送管密度分別用ρc和ρp表示，二者的等效密度用ρ表示，而在單位長度內輸送管體積與混凝土體積分別用Vp和Vc表示，則有公式 。

3 混凝土泵車臂架系統振動的動態特性

混凝土泵車上的混凝土排量與換向頻率相對應，而本文在分析混凝土泵車臂架系統振動動態特性時選用最為常見的混凝土排量，即120m3/h，這主要是由于在這一排量下混凝土送油缸工作頻率基本等同于臂架系統的一階頻率，會在一定程度上導致泵車臂架系統出現振動。為了更好地進行研究，本文將臂架的展開方向設為X軸、垂直方向設為Y軸，而Z軸與XY水平面相垂直。由于臂架系統Y軸往往會在泵送混凝土時產生脈動載荷，進而出現振動情況因此通過Y向位移情況我們可以對臂架系統的振動程度進行科學判斷。以臂架系統末端某節點為例，通過測量其速度、位移以及加速度我們可以得知該節點在X軸和Z軸上的位移、速度與加速度均發生一定變化，但變化幅度非常小，幾乎不會影響臂架系統的振動。而在檢測過程中我們發現觀測點在Y軸方向上發生了明顯的位移、速度與加速度變化，但在六十秒之后則再次回歸穩定狀態，其中在3.4米左右的Y向位移有著比較穩定的振幅。因此我們可以認為在啟動泵車送砼缸到其保持穩定的過程當中，泵車發生了明顯振動且其振動程度比較激烈，需要得到有關人員的注意，通過對這一振幅數值進行有效控制，從而有效緩解泵車臂架系統的振動現象[4]。

4 結論

總而言之，本文通過對混凝土泵車臂架系統進行分析研究，了解到由于送砼缸反復的循環作業，加上混凝土自身的摩擦力和彎管位置以及臂架系統末端出料口位置處會受到沖擊力的影響，進而導致混凝土泵車臂架系統產生振動。而在此基礎之上，本文進一步分析了泵車臂架系統需要承受的載荷，并結合具體工況了解到臂架系統末端的觀測點在水平方向的位移、速度等均發生了一定的變化，但由于變化幅度比較小并未對混凝土泵車臂架系統的振動造成實質性影響，但其在垂直方向上則產生了明顯的變化，在位移至3.4米之后振幅則趨于穩定。

參考文獻：

[1]陳棟，王剛，謝秀芬.混凝土泵車臂架振動的動態特性[J].機械設計與研究，2014（04）：92-95.

[2]黃毅，郭崗，鄺昊，張彬.混凝土泵車臂架系統動力學分析及預測[J].機械強度，2015（02）：300-304.

[3]高鳳陽，李繼偉，薛凱今，張亞，王珊.混凝土泵車臂架振動分析[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2015（05）：917-922.

[4]王佳茜，郭崗，黃露，黃毅.混凝土泵車臂架振動的動態特性研究[J].建設機械技術與管理，2016（08）：91-94.