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水泥混凝土泵车振动性能与结构优化设计研究

王海英  
【摘要】:本文以水泥混凝土输送泵车为研究对象,对某泵车工程实际中出现的振动和裂纹现象,采用理论、试验、仿真相结合的方法,进行了深入系统的综合研究,建立了液压系统仿真模型、有限元分析模型、动力学仿真模型和结构动态优化设计四种模型,利用相关软件进行了计算及仿真,并进行了四项大型试验研究,找出了问题产生的原因,并对现有结构进行结构动力学优化设计,提出了修改方案。主要研究内容有: 1.对泵车进行了液压冲击仿真与试验研究,得到臂架系统振动过大的原因,即分配回路的响应时间和泵送缸活塞运动时间不相匹配引起的液压冲击。首次提出了S管阀与泵送缸工作配合相位图,用以描述与分析泵送缸与摆缸的合理换向时间,同时提出了液压冲击烈度的概念用于描述液压冲击,得到了冲击烈度与泵送频率、流量及压力的关系规律,得出了泵车较理想的工作频率范围,为减小液压系统冲击提供了充分的理论依据与试验数据。提出增加分级控制电路的新思路,以改变触发信号的发生时间来配合摆缸的换向时间,从而彻底解决冲击问题。 2.对泵车臂架系统进行了模态分析及自振频率试验,结果表明:泵车臂架系统一阶固有频率与泵送工作频率部分重合,为解决工程实际问题找到了切入点。可以通过两种途径减小振动,一是通过改变结构尺寸和重量提高或降低泵车臂架的一阶固有频率以避开工作频率;二是通过提高或降低泵车的泵送工作频率,避开臂架的一阶固有频率。 3.对泵车臂架系统振动特性进行了质量、刚度结构参数及液压冲击载荷的动态响应仿真,仿真结果发现,臂架机构的振动位移响应与液压冲击载荷的形状大小一致,峰值减小,振动位移减小。因此,减小泵车液压系统冲击峰值是减小臂架振动的有效途径。 4.利用有限元分析理论,采用MSC/NASTRAN软件对泵车臂架系统进行了动、静态应力分析及试验研究,找出了大应力点,为结构的疲劳设计提供了依据。 5.对水泥砼输送泵车臂架材料不同型式的焊接接头进行了疲劳性能对比试验,得到两种型式焊接接头的疲劳强度、S—N、P—S—N曲线和Goodman疲劳极限图,为疲劳设计及计算提供了依据。试验证明:焊接接头的屈服强度及抗拉强度远低于母材的屈服强度和抗拉强度,且疲劳断口的电镜扫描发现,疲劳源产生于焊趾部位及焊缝底部未焊透区。因此,应改进焊接工艺,提高焊缝处的疲劳强度。 6.利用液压系统试验载荷及焊接接头P—S—N曲线,对泵车臂架系统的疲劳寿命 进行了95%和50%可靠度下的疲劳寿命预估研究,给出了结构的疲劳寿命分布。 7.选择了泵车臂架结构上35个参数作为设计变量,创建了以臂架系统一阶固有频 率为性能约束,以质量最小为优化目标函数的优化模型,进行了基于灵敏度比方法的结 构动态优化设计,得到了切合实际的优化方案。其中,用灵敏度比来优选设计变量的方 法为优化理论的研究及其它机构的优化设计提供了新思路。 8.本文的研究与试验方法等为同类产品的设计及工程实际问题的解决提供了理论 依据与实践指导。


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