混凝土泵車底架設(shè)計及制造技術(shù)的完善與發(fā)展

      混凝土泵車的底架大多由回轉(zhuǎn)底座、支腿、擺動油缸、伸縮油缸組成。作為混凝土泵車的主要受力構(gòu)件，其底架結(jié)構(gòu)大多設(shè)計成箱形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部又兼有油箱和水箱，它的設(shè)計合理流動與否，直接影響著混凝土泵車的可靠性、整機穩(wěn)定性和整機自重。在bauma China 2004國際博覽會，許多國際知名的國內(nèi)外企業(yè)都展示出了自己的新產(chǎn)品或拳頭產(chǎn)品，同時也顯示出了底架的設(shè)計制造水平及造型風格。伴隨著國內(nèi)工程機械的快速發(fā)展，國內(nèi)混凝土泵車底架的設(shè)計制造技術(shù)同國外先進水平的差距在越來越小，同時國內(nèi)廠家在底架結(jié)構(gòu)工藝性及設(shè)計方面的研究也取得了長足的進步。筆者結(jié)合多年來對泵車結(jié)構(gòu)件設(shè)計制造方面的工作心得以及多次參加大型展覽會的切身體會，談?wù)勎覈斍盎炷帘密嚨准艿脑O(shè)計制造技術(shù)，以及同國外先進水平所面臨的差距。

      1.混凝土泵車底架結(jié)構(gòu)的特點及主要連接方式

      混凝土泵車的底架結(jié)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)底座及支腿構(gòu)成，回轉(zhuǎn)底座主要作用為聯(lián)結(jié)下車底盤，承擔上車臂架的工作重量及震動；支腿的作用是保證混凝土泵車在工作中的安全性和穩(wěn)定性。由于混凝土泵車不像起重機那樣安裝平衡重，因此當泵車的水平外伸量較大時，就會產(chǎn)生很大的傾覆力矩。這些傾覆力矩主要靠支腿的反力來平衡，因此，要求支腿要有足夠的結(jié)構(gòu)尺寸，足夠的支撐面積。同時回轉(zhuǎn)底座及支腿還要有足夠的強度和抗疲勞性。

      底架結(jié)構(gòu)按照支腿的伸展支撐方式，主要分為：前后擺動型支腿，前后伸縮弄支腿，前伸縮后擺動型支腿。

      前后擺動型支腿不甘落后 底架結(jié)構(gòu)（見圖5），支腿的張開是繞回轉(zhuǎn)底座的鉸點擺動來完成的，工作穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)圖制造簡單；但在泵車的兩側(cè)必須留有足夠的空間，作業(yè)場地受到一定的限制。由于受到整車外形尺寸的限制，及整車工作穩(wěn)定性的原因，國內(nèi)外混凝土泵車生產(chǎn)廠家大多采用此種結(jié)構(gòu)形式。

      前后伸縮型支腿也稱XH弄支腿，是指支腿在回轉(zhuǎn)底座的箱形框架內(nèi)水平伸展及回縮，泵車左右兩側(cè)的支腿可以呈X形立體交叉，也可以平等伸縮。由于受到泵車寬度尺寸的影響，其支腿的結(jié)構(gòu)尺寸及伸展長度受到很大的限制，對回轉(zhuǎn)底座箱形框架的制造精度要求較高，同時其整個底架結(jié)構(gòu)的重量也相對重一些，且需采用內(nèi)置式油缸，拆裝維修困難，所以在37m以上級別系列已很少有廠家采用。只是在泵車發(fā)展的早其階段被大多數(shù)廠家使用，但是由于其具有更為靈活的作業(yè)空間，現(xiàn)在仍然有廠家在運用這種結(jié)構(gòu)形式。如意大利CIFA37m泵車、MEBCO37m泵車（見圖1）。

      前伸縮后擺動型支腿結(jié)構(gòu)的特點就是在回轉(zhuǎn)底座的前端部連接伸縮型支腿，由于該型號的底架結(jié)構(gòu)結(jié)合了前兩者的優(yōu)點，重量降低且具有狹窄工地施工的優(yōu)勢，被越來越多的廠家所采用。2004年徐工重型就在國內(nèi)首家推出了前伸縮后擺動型支腿結(jié)構(gòu)的泵車HB40（見圖1），其國外的生產(chǎn)廠家主要有德國PM公司42m以下級別系列，韓國全進40m以下級別系列等。

      2.混凝土泵車底架設(shè)計制造中的難點及重點

      回轉(zhuǎn)底座作為底架結(jié)構(gòu)中的主要連接結(jié)構(gòu)，因為結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，既要保證工作中的動強度及剛性，又要使焊縫具有耐震動的能力，所以如何有效地正確計算，得出整個回轉(zhuǎn)底座的應(yīng)力分布是設(shè)計中的難點。徐工重型大力開展有限元方面的研究，對回轉(zhuǎn)底座的計算進行了成功的探索，取得了寶貴的設(shè)計經(jīng)驗。同時回轉(zhuǎn)底座內(nèi)部又大多設(shè)計成油箱及水箱，如何避免焊接區(qū)域延時裂紋的產(chǎn)生是制造中的難點；有效避免焊接的滲漏也是制造工作中一大重點。磁粉探傷加煉油滲漏檢測法及其超聲波檢測法都是很好的檢測方法。具體采用何種經(jīng)濟的方法，國內(nèi)廠家還要根據(jù)自身設(shè)備情況進行比較分析并最終確定。

      一般情況下，混凝土泵邊底架回轉(zhuǎn)區(qū)域由于連接回轉(zhuǎn)支撐及回轉(zhuǎn)減速機，為了保證回轉(zhuǎn)減速機及回轉(zhuǎn)支撐具有良好的嚙合特性，回轉(zhuǎn)部位均設(shè)計有較大的剛度，在該區(qū)域的設(shè)計中各廠家都廣泛采用的辦法是薄座圈板加筋增加整體剛性的辦法（見圖3）以及厚座圈鋼板的連接方法（見圖4）。意大利CIFA公司在這方面進行了很好的探索，該公司采用了厚座圈板整體鑄鋼的方案，使筒體與座圈板的焊縫整體下移，既保證了回轉(zhuǎn)區(qū)域的高剛性，又有效解決了座圈板焊接變形的問題（見圖4）。

      為了使底架中支腿結(jié)構(gòu)的坑疲勞性能更強，在支腿結(jié)構(gòu)的設(shè)計中廣泛使用了超高強度剛才諸如WELDOX700、WELDOX960等新材料，同時其主要受力焊縫大多處理成坡口角凸焊縫因震動而引起的疲勞特性，使應(yīng)力集中的程度降至最小。所以支腿結(jié)構(gòu)主受力焊縫如何處理應(yīng)作為一個重點來把握。

      回轉(zhuǎn)底座與支腿鉸點的連接區(qū)域，是底架結(jié)構(gòu)的最危險蕩然無存，因此，回轉(zhuǎn)底座與支腿連接鉸點的結(jié)構(gòu)設(shè)計是底架結(jié)構(gòu)設(shè)計的又一個重點。由于受計算方法，經(jīng)驗及實驗手段的影響。在底架結(jié)構(gòu)鉸點的設(shè)計上呈現(xiàn)出多樣化及修改化的趨勢——意大利ANTONELLI公司在鉸點的設(shè)計方面就傾向于箱形結(jié)構(gòu)（見圖5），這種設(shè)計思想與制造難度比較符合國內(nèi)廠家的思路，成為眾多廠家模仿的藍本。意大利CIFA公司則采用了厚板對接的連接結(jié)構(gòu)，由于這種結(jié)構(gòu)有其折疊空間小的優(yōu)點，仍然有不少廠家采用。這種結(jié)構(gòu)形式在焊接中就需要很好的處理厚板與薄板件的對接，厚板焊前預(yù)熱問題。德國PM公司在鉸點結(jié)構(gòu)的處理上最有特色，博采眾長，多樣化，其42m以下級別系列采用了厚薄板對接的連接方式，42m以下級別系列則采用了條形的連接結(jié)構(gòu)?？梢娖湓O(shè)計及制造技術(shù)研究的具體化，深入化。

      3.設(shè)計優(yōu)化理論和計算方法在設(shè)計、制造中的應(yīng)用

      混凝土泵車設(shè)計所使用的計算理論和計算方法，對底架中支腿及回轉(zhuǎn)底座結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響也非常大。知名企業(yè)都有自己的科研機構(gòu)，對混凝土泵車的底架的計算理論、制造工藝等都有深入的研究，早已廣泛使用FEM（有限元法）等新的計算方法，大大減輕了整機的重量。我國許多企業(yè)也FEM等計算方法，但一般都只是驗算。所使用的計算理論基本上還是按照七八十年代起重機車架的計算方法，許多局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是憑經(jīng)驗或簡單的計算。另外，我們對焊接、彎形等工藝所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，變形等的研究也很少，許多工作研究只是停留在理論上，很少在產(chǎn)品設(shè)計中使用致使我們的許多工作產(chǎn)品在技術(shù)水平、實物質(zhì)量上有很大的差異。

      底架結(jié)構(gòu)由于隨了整車的傾覆彎距及泵送系統(tǒng)的震動，其局部的損壞多是以局部結(jié)構(gòu)的疲勞破壞為主。由于混凝土泵車工作工況的惡劣性及復(fù)雜性，所以深入研究底架結(jié)構(gòu)特別是鉸點區(qū)域等高應(yīng)力區(qū)域的疲勞特性、開展底架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，將是設(shè)計工作的重中之重；有效減少焊接應(yīng)力，如何避免油箱、水箱等焊接區(qū)域延時裂紋的產(chǎn)生將是制造工作中所面臨的重要課題。

      底架結(jié)構(gòu)是混凝土泵車的重要組成部分，它的外觀造型、重量直接影響整機的造型和性能。新材料的出現(xiàn)，液電技術(shù)和制造工藝的快速發(fā)展風燭殘年混凝土泵車的發(fā)展提供了巨大的催化劑，統(tǒng)一造型風格的系列化混凝土泵車支腿結(jié)構(gòu)形式為參數(shù)化設(shè)計提供了可能。為了縮短我國產(chǎn)品同國外先進水平的差距，首先，我們應(yīng)該加強對計算理論、制造工藝、支腿結(jié)構(gòu)形式對整車的穩(wěn)定性的影響等方面的優(yōu)化研究，對產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)的問題進行總結(jié)，并上升到理論高度，其實，不斷完善工裝、工藝，提高員工的技術(shù)水平，變粗糙生產(chǎn)為精細化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的實物質(zhì)量；最后，在新產(chǎn)品的設(shè)計過程中講求實用性和經(jīng)濟性，并富有創(chuàng)造性和賦予新意。當產(chǎn)品發(fā)展到一定程度，創(chuàng)造性和新意更能提高客戶的購買欲，更能體現(xiàn)自己產(chǎn)品差異性和核心競爭力。

      4.混凝土泵車底架結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

      從bauma China 2004國際博覽會及各種大型展覽會上也可以得出：各廠家為了顯示自己的技術(shù)實力紛紛推出更長的布料臂架泵車，42m以上級別系列由于受結(jié)構(gòu)尺寸，整車高度，穩(wěn)定性等方面的影響，各廠家又趨于一致，基本上都采用了前后擺動型支腿結(jié)構(gòu)的連接方式。由于新材料的應(yīng)用、計算方法及實驗手段的更加完善，使得底架結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加靈巧化、藝術(shù)化、制造更加簡便。

      德國Waitzinger公司推出的完美造型與藝術(shù)風格的“飛龍”式支腿結(jié)構(gòu)的36m泵車（見圖6）。體現(xiàn)了設(shè)計及藝術(shù)的完美統(tǒng)一。施維英推出的X弧形支撐系統(tǒng)（見圖7），其整體化的穩(wěn)定裝置避免了反跳現(xiàn)象，且在節(jié)約泵車施工空間和減重兩方面都有較大突破，使使用功能與造型設(shè)計又取得了巨大飛躍。

      單邊支撐系統(tǒng)等專有技術(shù)的應(yīng)用，使其在狹小街道或受限制的工地上的施工成為現(xiàn)實。如德國SCHWING公司的EASY系統(tǒng)（見圖7）及德國PM公司總裁的OSS系統(tǒng)等，均采用安全鎖定裝置控制布料桿的回轉(zhuǎn)范圍，實現(xiàn)支腿的單側(cè)支撐。

      隨著機電液技術(shù)的發(fā)展，底架結(jié)構(gòu)形式的靈活設(shè)計，使泵車適應(yīng)多種工地工況成為可能。為了實現(xiàn)產(chǎn)品成本的差異性和爭取到更大的賣點，在底架的結(jié)構(gòu)設(shè)計中各廠家紛紛撤出自己的特色、向多樣化、個性化、專有化發(fā)展。