一种混凝土泵车自适应楼梯结构设计_秦晓峰.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER一种混凝土泵车自适应楼梯结构设计秦晓峰1，周志红2，徐娟2，曾子逸2，文杰2（1.湖南海翼泰机电科技有限公司，长沙 410221；2.湖南工业职业技术学院，长沙 410208）0引言随着国内混凝土机械行业的快速发展，对机械设备的个性化、精细化、智能化的需求也与日俱增1。楼梯作为混凝土泵车设备最直接的体验感受部件之一，其结构设计直接影响客户的产品体验感。在混凝土泵车设计工作中，由于要满足现行国家标准、行业标准等一系列规范性要求，造成整机产品方案布局时空间受限，部分功能部件布局欠合理，其中楼梯部件的布局比较具有代表性。在楼梯方案布局与结构设计时，需综合考虑与之相关联的部件（后摆腿的垂直油缸、后置电控柜、垫板架与轮胎挡泥板等功能部件）的安装空间2。1混凝土泵车楼梯布局现状混凝土泵车是一种可将混凝土通过输送管道连续输送到预定地点的工程机械施工设备，其产品的整机布局方案须满足QC/T 7182013混凝土泵车、GB 15892016 汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值等相关标准3。在混凝土泵车产品设计中，特别是短米段泵车整机布局方案涉及的主要参数（如整机外形尺寸、整机质量、前后桥荷值、离去角等）外，还需对底盘两侧附属功能件（如燃油箱、防护装置、消声器、工具箱等部件）进行准确定位，其布局需满足功能需求，同时还要避免与上装结构干涉4。整体而言，右后方侧面空间因后置电控柜、垫板架、支腿锁、楼梯等相关功能部件聚集在此区域，布局相对紧张。图1所示的布局方案在混凝土泵车产品中比较常见。如图1所示，目前现有方案中，楼梯在车身方向占用空间尺寸较大，距后摆腿部件垂直油缸较近，楼梯安装位置紧靠后置电控箱，且需满足整机离去角参数等要求，以上布局方案易带来以下系列问题：1）新机装配时，因制造误差，易出现后摆腿垂直油缸与楼梯踏板间的安全距离过小或干涉问题；2）为避免与楼梯干涉，则可能通过加长后摆腿长度来解决，造成后支腿结构质量增加，成本上升，同时支腿跨距的加大严重削弱了泵车支撑模式的场地适应性；3）踏板采用固定平放布局，在非工作时间内，容易因坠落物导致变形的现象，影响楼梯的使用寿命及产品外观形象。2新型混凝土泵车楼梯结构设计为解决上述产品布局因空间紧凑导致的一系列问题，设计出一种新型智能楼梯结构，该楼梯结构具有以下特点：1）通过采用电液控制程序来控制楼梯踏板空间位置，解决后摆腿垂直油缸与楼梯踏板安全距离过小或干涉问题；2）通过新型智能楼梯结构释放空间，可以更为合理地布置相关功能件，如垫板架等；同时其释放的空间还可以优化后摆腿尺寸，增强产品泵送时的场地适应性指标，使支腿跨距更优；3）新型智能楼梯结构利用楼梯踏板工作时展开、非工作时收拢的工作原理，能有效地保护楼摘要：针对工程机械车辆产品结构设计的精细化、智能化需求，以混凝土泵车为例，分析了楼梯的装配要点与布局特点，设计出一种电液控制的新型楼梯结构，解决了整机布局中安装空间受限问题。该研究成果对工程机械车辆类产品楼梯方案设计有一定的指导作用。关键词：混凝土泵车；自适应；液压控制系统；流程图中图分类号:TU 646文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08013903Design of an Adaptive Stair Structure for Concrete Pump TruckQIN Xiaofeng1,ZHOU Zhihong2,XU Juan2,ZENG Ziyi2,WEN Jie2(1.Hunan Haiyitai Electromechanical TechnologyCo.,Ltd.,Changsha 410221,China;2.School ofMechanical Engineering,Changsha 410208,China)Abstract:To meet the fine and intelligent requirement of construction machinery and vehicles structural design,takingconcrete pump truck as an example,this paper analyzes the assembly points and layout characteristics of stairs,anddesigns a new type of stair structure controlled by electro-hydraulic,which solves the problem of limited installation spacein the layout of the whole machine.The research results have a certain guiding role for the stair design of constructionmachinery and vehicle products.Keywords:concrete pump truck;self-adaption;hydraulic control system;flow chart图1目前楼梯组件布局示意图后摆腿支腿锁楼梯垫板架后置电控柜139机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER梯踏板，延长其使用寿命。2.1新型混凝土泵车楼梯结构说明新型混凝土泵车楼梯结构工作原理：楼梯踏板的展开与收拢动作，通过整机系统中的液压油路来驱动，其控制信号为后支腿是否打开的检测信号。新型智能 楼 梯 具体结构如图2、图3所示。如图2、图3所示，新型智能楼梯装配步骤与特点如下：1）伸缩式位移传感器液压缸缸筒柄头部分通过螺钉与结构支架连接，此部位除能绕销轴灵活转动外，其他5个自由度均采取约束方式；2）摆动连杆通过销钉与结构支架匹配，摆动连杆位于结构支架内部腔体空间，并能绕销钉灵活转动；3）伸缩式位移传感器液压缸活塞杆通过柄头销钉与摆动连杆零件上的孔匹配，且此处结构仅释放柄头销钉与摆动连杆的回转自由度；4）驱动销钉完全固定在摆动连杆（孔）上，采用刚性连接，然后与驱动连杆（槽）活动匹配；5）楼梯支撑杆与结构支架采用刚性连接（螺纹紧固结构或焊接工艺结构）；6）上下位踏板与楼梯支撑杆匹配，并利用限位块轴向限位，需实现上下位踏板能绕对应的楼梯支撑杆自由转动，根据人机工程学原理，采用宜人化设计5，上位踏板宽度尺寸应比下位踏板小100150 mm，方便人员上下通行；7）通过销钉A实现驱动连杆与上下位踏板的连接，销钉A与上下位踏板装配孔采用间隙配合方式，实现上下位踏板回转动作。2.2新型混凝土泵车楼梯控制系统新型智能楼梯动作逻辑由电液控制系统来实现，可避免与后摆腿垂直油缸干涉，优化侧面布局空间。控制系统工作原理为：1）当光电接近开关感应后支腿展开到楼梯踏板平铺状态安全区域点位时，则系统发出信号，控制伸缩式位移传感器液压缸活塞杆伸出，驱动摆动连杆顺时针转动，造成驱动销钉带动驱动连杆向踏板后方移动的趋势，从而通过销钉A使上下位踏板展开；2）当光电接近开关感应后支腿回摆到楼梯踏板平铺状态安全区域点位时，系统发出信号，控制伸缩式位移传感器液压缸活塞杆缩回，驱动摆动连杆逆时针转动，造成驱动销钉带动驱动连杆向踏板前方移动的趋势，从而通过销钉A使上下位踏板收拢，具体控制逻辑如图4所示。根据图4所示的新型智能楼梯动作逻辑流程，在整机搅拌清洗系统油路中并联一个智能楼梯控制油路，设计出智能楼梯液压控制原理图,如图5所示。该楼梯液压系统为开式系统，通过三位四通Y型电磁换向阀来实现伸缩式位移传感器液压缸动作，伸缩式位移传感器信号控制1YA与2YA线圈失电状态来实现液压缸伸出与回缩极限位停止动作；后支腿展开与回摆时，接近开关信号控制1YA与2YA线圈得电状态来实现液压缸的伸出与回缩动作。该系统中各电磁铁及位移传感器动作顺序如表1所示。伸缩式位移传感器液压缸动作实现原理为：1）当三位四通电磁换向阀线圈1YA得电时，液压缸伸出，其进油路线为“过滤器齿轮泵减压阀三位四通电磁换向图3智能楼梯结构爆炸示意图图2智能楼梯结构状态示意图1.伸缩式位移传感器液压缸 2.柄头销钉 3.驱动销钉 4.摆动连杆 5.封盖 6.结构支架 7.驱动连杆 8.楼梯支撑杆 9.下位踏板 10.限位块 11.上位踏板 12.销钉A（a）展开状态（b）收拢状态限位机构101112987654321图4新型智能楼梯动作逻辑流程图判断后支腿状态启动后支腿摆动回摆展开油缸活塞杆伸出油缸活塞杆回缩伸出至工作位置 A回缩至工作位置 B结束1.过滤器 2.齿轮泵 3.溢流阀 4.压力表 5.减压阀 6.三位四通电磁换向阀 7.液控单向阀 8.伸缩式位移传感器液压缸图5新型智能楼梯液压控制原理图87k62YA1YA5至搅拌清洗系统32141表1新型智能楼梯液压控制系统的动作循环表说明：“+”表示动作，“-”表示不动作。动作1YA2YA位移传感器（收缩极限位）位移传感器（伸出极限位）后支腿展开到点+-楼梯踏板展开到位-+后支腿回摆到点-+-楼梯踏板收拢到位-+-（下转第144页）140机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER（上接第140页）阀（左位，其中有一股控制油路开启液控单向阀）液压缸（左腔）”。回油路线为“液压缸（右腔）液控单向阀三位四通电磁换向阀（左位）过滤器油箱”。2）当三位四通电磁换向阀线圈2YA得电时，液压缸缩回，其进油路线为“过滤器齿轮泵减压阀三位四通电磁换向阀（右位）液控单向阀液压缸（右腔）”。回油路线为“液压缸（左腔）三位四通电磁换向阀（右位）过滤器油箱”。3）当三位四通电磁换向阀线圈1YA、2YA同时失电时，液压缸处于伸出或回缩极限位置状态。3结论本文介绍了一款新型智能楼梯结构，很好地解决了目前产品安装空间紧凑的问题，避免产品在制造装配过程中出现干涉现象。该新型智能楼梯踏板能实现自动收拢与展开模式，方便可靠，释放了空间，有利于设计人员设计整体布局。该研究成果对工程机械车辆产品设计有一定的借鉴价值，可推广到其他工程车辆产品上，行驶时作为防护装置，作业时具备楼梯功能，便捷实用，可操作性强。参考文献1周志红,朱奇,刘兆江,等.混凝土泵车输送管路对中装配工装设计与应用J.工程机械,2022,53(5):86-90.2汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值:GB 15892016S.3混凝土泵车:QC/T 7182013S.4周志红,朱奇,宁振.混凝土泵车底盘改装设计与研究J.机械工程师,2021(10):112-113,116.5牛美玲,张兴任.基于安全人机工程学的楼梯设计J.安全与环境工程,2010,17(1):79-81.（编辑邵明涛）作者简介：秦晓峰（1980），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为液压传动控制；周志红（1978），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为机械结构设计、液压传动控制等。通信作者：周志红，。收稿日期：2022-11-22在所考虑的流量范围内，流量系数值在0.300.59之间变化。并且在两个流向上计算的平均值相似：g mean AB=0.48，g mean BA=0.49。4结论本文提出了一种通过对流道进行几何修正来减少可调单向阀压力损失的方案。在分析标准阀体设计时，注意到流体流动中存在横截面的阶跃变化和突然偏转。因此，通过与通道主轴成一定角度进行额外钻孔的方法改进了流道的几何形状。孔的倾角是根据CFD模拟结果确定的。引入的修改使得AB方向的最大流体流速降低约30%，如图5（a）和 8（a）之间的比较所示。同样，改进后的II型相较于I型压力损失降低了30%40%，使得总能耗显着降低，从而使阀门更加环保。基于获得的结果，确定通过阀芯间隙的流量系数g。结果表明，系数值依赖于流速，在0.30.58的范围内变化。本文所提出的阀门设计改进方法可应用于现代数控机床加工，与在传统机床上加工制成的常用阀体相比，可以显着降低阀门的压力损失。参考文献1PAULY C P.Paying Attention to Check Valves J.WorldPumps,2012(12):4243.2GOMEZ I,GONZALEZ-MANCERA A,NEWELL B,et al.Analysis of the Design of a Poppet Valve by Transitory SimulationJ.Energies,MDPI,2019,12(5):1-18.3JIN Z H,HONG W,YOU T,et al.Effect of Multi-Factor Coupling on the Movement Characteristics of the Hydraulic Variable Valve ActuationJ.Energies,MDPI,2020,13(11):1-20.4YE J J,ZHAO Z H,ZHENG J Y,et al.Transient Flow Characteristic of High-Pressure Hydrogen Gas in Check Valve duringthe Opening ProcessJ.Energies,MDPI,2020,13(16):1-16.5QIAN J Y,WEI L,JIN Z J,et al.CFD Analysis on the DynamicFlow Characteristics of the Pilot-control Globe ValveJ.EnergyConversion and Management,2014,87:220226.6SCURO N L,ANGELO E,ANGELO G,et al.A CFD Analysis ofthe Flow Dynamics of a Directly-operated Safety Relief ValveJ.Nuclear Engineering and Design,2018,328:321332.7LIN Z H,LI J Y,JIN Z J,et al.Fluid Dynamic Analysis of Liquefied Natural Gas Flow through a Cryogenic Ball Valve inLiquefied Natural Gas Receiving StationsJ.Energy,2021,226.8ANSYS Inc.ANSYS Fluent Tutorial Guide(Release 18.0)DB/OL.2022-01-28.https:/ Y Y,YU H B,LIAN Z S,et al.Research and Analysis of theHysteresis Characteristics of a Large Flow Directional ValveJ.Strojniski Vestnik-journal of Mechanical Engineering,2015,61:355364.10LISOWSKI E,FILO G.Analysis of a Proportional Control ValveFlow Coefficient with the Usage of a CFD MethodJ.Flow Measurement and Instrumentation,2017,53:269278.（编辑邵明涛）作者简介：季学文（1992）,男,本科,工程师,主要从事科研项目管理工作。收稿日期：2022-03-21图10II型流量系数AB流向BA流向080604020160140120100Q/（dm3 min1）g（）0.20.60.40.50.3144