混凝土泵车臂架振动的动态特性的相关探讨

张忠元+沈千里+张颖

摘 要：作为建筑机械的一种，混凝土泵车能够完成混凝土从泵送到浇注的全部任务，因此也被广泛运用在现代工程建设当中。而在混凝土泵车当中最为关键的部分之一便是臂架系统，可用于全面考量泵车的整车性能。但由于混凝土泵车臂架系统在运行当中会受到种种因素的影响而产生振动，尤其是过大的振动将直接影响到混凝土泵车的性能，因此本文将通过从简单分析混凝土泵车臂架系统产生振动的原因作为研究出发点，结合对臂架系统需要承受的载荷分析着重探讨混凝土泵车臂架系统的动态特性。

关键词：混凝土泵车；臂架振动；动态特性

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

0 引言

混凝土的泵送、浇筑等工作对于整个混凝土工程的质量具有重大而直接的影响作用，尤其是受到混凝土自身以及工程施工的影响，其对于时间、速度等要求比较高，特别是在许多大型的混凝土施工工程当中，通过积极运用混凝土泵车能够高效完成混凝土输送、浇注等工作，同时有效减少人力劳动耗损，进一步提升施工效率。但考虑到混凝土泵车中的臂架系统因其有着相对比较复杂的结构，同时常常因需要承受不同的力而产生振动，对泵车的整车性能造成一定影响。基于此，本文将通过简要谈谈混凝土泵车臂架系统的动态特性，希望能够为优化泵车臂架系统提供一定的帮助。

1 混凝土泵车臂架系统产生振动的原因

（1）泵送砼缸作业。在混凝土泵车当中，混凝土泵送砼缸负责向混凝土输送管压送混凝土使其能够达到实际浇注位置，而混凝土泵送砼缸一直处于循环交替的工作状态中，并且其每一次压送混凝土时，混凝土都会受到一种短暂的冲击力，人们也将这种短暂的冲击力称之为瞬态恒力。在时间不断积累增加之下，瞬态恒力的数量越来越多，数值也越来越大，导致混凝土泵车会产生一种类似脉动载荷并且其具有一定的周期性，进而在周期性的冲击力影响之下使得混凝土泵车臂架系统产生振动，尤其是当泵送砼缸工作频率，与臂架系统低阶固有频率相接近甚至是保持一致时，会引发共振情况[1]。

（2）砼的摩擦阻力。混凝土被压送至输送管内，并非始终保持稳定、相同的流速，譬如说在弯管位置处混凝土会受到一定阻力，而在这一阻力的影响之下混凝土的流速将发生变化，此时在混凝土输送管弯位置处，混凝土原本需要受到的压力也发生了一定程度的变化，在同时发生变化的混凝土流速与压力影响之下，会在管壁位置处形成冲击力。而受到周期作业的混凝土泵送影响，管壁在周期内也会一直受到冲击力的影响[2]。

（3）受冲击力影响。从空间上来看，泵车臂架系统位于软管以及出料口位置处的输送管道保持直角形态，因此当混凝土流经此处时，不仅流速将发生巨大变化，使得混凝土难以保持稳定、均匀的速度流出出料口。而泵车臂架系统在这一位置处产生的作用力频率与泵送砼缸的作业频率基本一致。混凝土流经出料口软管位置处产生的摩擦力及其自身重量共同构成了泵车臂架系统需要承受的载荷，进而导致其出现振动情况。

2 混凝土泵车臂架系统承受载荷分析

（1）加载摩擦力。在分析混凝土从匀速压送至输送管到最后准确到达浇注点的时间段内，泵车臂架系统振动情况的过程当中，需要在托架的20个节点位置处加载位于这一时间段内的摩擦力，也就是通过利用相邻两个输送管托架的距离除以混凝土流速，得到混凝土流经这两个托架所用时间，同时在相应位置节点出加载在该时间段内混凝土输送管道受到的摩擦力，在改变该段输送管密度之后即可求得混凝土在第20个节点位置处加载在水平方向上臂架系统末端软管的载荷[3]。

（2）输送管密度。为更好地完成重力加载，需要对输送管以及混凝土的等效密度进行改变，考虑到混凝土泵送的最大密度值为2.4×103kg/m3，因此如果将混凝土以及输送管密度分别用ρc和ρp表示，二者的等效密度用ρ表示，而在单位长度内输送管体积与混凝土体积分别用Vp和Vc表示，则有公式 。

3 混凝土泵车臂架系统振动的动态特性

混凝土泵车上的混凝土排量与换向频率相对应，而本文在分析混凝土泵车臂架系统振动动态特性时选用最为常见的混凝土排量，即120m3/h，这主要是由于在这一排量下混凝土送油缸工作频率基本等同于臂架系统的一阶频率，会在一定程度上导致泵车臂架系统出现振动。为了更好地进行研究，本文将臂架的展开方向设为X轴、垂直方向设为Y轴，而Z轴与XY水平面相垂直。由于臂架系统Y轴往往会在泵送混凝土时产生脉动载荷，进而出现振动情况因此通过Y向位移情况我们可以对臂架系统的振动程度进行科学判断。以臂架系统末端某节点为例，通过测量其速度、位移以及加速度我们可以得知该节点在X轴和Z轴上的位移、速度与加速度均发生一定变化，但变化幅度非常小，几乎不会影响臂架系统的振动。而在检测过程中我们发现观测点在Y轴方向上发生了明显的位移、速度与加速度变化，但在六十秒之后则再次回归稳定状态，其中在3.4米左右的Y向位移有着比较稳定的振幅。因此我们可以认为在启动泵车送砼缸到其保持稳定的过程当中，泵车发生了明显振动且其振动程度比较激烈，需要得到有关人员的注意，通过对这一振幅数值进行有效控制，从而有效缓解泵车臂架系统的振动现象[4]。

4 结论

总而言之，本文通过对混凝土泵车臂架系统进行分析研究，了解到由于送砼缸反复的循环作业，加上混凝土自身的摩擦力和弯管位置以及臂架系统末端出料口位置处会受到冲击力的影响，进而导致混凝土泵车臂架系统产生振动。而在此基础之上，本文进一步分析了泵车臂架系统需要承受的载荷，并结合具体工况了解到臂架系统末端的观测点在水平方向的位移、速度等均发生了一定的变化，但由于变化幅度比较小并未对混凝土泵车臂架系統的振动造成实质性影响，但其在垂直方向上则产生了明显的变化，在位移至3.4米之后振幅则趋于稳定。

参考文献：

[1]陈栋，王刚，谢秀芬.混凝土泵车臂架振动的动态特性[J].机械设计与研究，2014（04）：92-95.

[2]黄毅，郭岗，邝昊，张彬.混凝土泵车臂架系统动力学分析及预测[J].机械强度，2015（02）：300-304.

[3]高凤阳，李继伟，薛凯今，张亚，王珊.混凝土泵车臂架振动分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2015（05）：917-922.

[4]王佳茜，郭岗，黄露，黄毅.混凝土泵车臂架振动的动态特性研究[J].建设机械技术与管理，2016（08）：91-94.