混凝土湿喷台车小臂系统的有限元分析及优化

李 魁，于 鹏，董 恰，张晓晴

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000)

1 问题的提出

混凝土湿喷台车是一种利用液压力将预拌好的混凝土混合料通过管道输送至喷嘴，在喷嘴处接入压缩空气和速凝剂将混合料高速喷射到受喷面，经快速凝结硬化形成混凝土支护层的工程机械[1]。相对于传统的干、潮喷机，混凝土湿喷台车具有喷射质量好、粉尘污染小、回弹率低、施工效率高等优势，获得了市场的广泛认可，目前已广泛应用于隧道、煤炭、铁路以及水利等各个领域[2-3]。

湿喷台车主要由底盘、泵送系统、臂架系统组成。其中，臂架系统是混凝土湿喷台车的关键部件之一，臂架系统的可靠性及先进性是湿喷台车的核心技术，臂架系统包括喷头、小臂系统、中臂系统及大臂系统，如图1所示。在实际作业过程中，中铁工程装备集团有限公司湿喷台车臂架系统中的小臂折弯处容易产生疲劳破坏的现象，如图2所示为现场施工中损坏修复后的状态。因此很有必要对该位置进行研究分析及优化改进。

图1 湿喷台车臂架系统

图2 小臂折弯处

2 湿喷台车小臂所受载荷的确定

国内对混凝土湿喷台车的研究较少，泵车结构与混凝土湿喷台车结构相类似，因此可参考泵车的研究方法确定最危险工况。对于静强度分析，传统观点认为，臂架水平全伸时为最危险工况，即小臂处于完全伸长状态[4]。

本文选取其最危险工况对小臂架系统进行载荷的施加，即:

载荷=臂架自重×Kd+混凝土重量×K+风载.

其中:Kd为自重动载荷系数；K为振动载荷系数。

在湿喷台车作业时，发动机、振动电机及电控柜都会产生振动，使得小臂系统也产生振动，从而构成动载荷，其值为臂架自重与自重动载荷系数Kd相乘，Kd一般取1.2；混凝土在输送软管里的断续流动会产生冲击，从而产生振动而构成动载荷，该动载荷的值为输送软管中混凝土的重量与冲击系数K的乘积，K一般取1.3[5]。

3 建立有限元模型

3.1 模型的简化

模型在三维软件SolidWorks中建立，在仿真前应根据实际情况进行适当的简化，把模型中的间隙去除，同时去除螺栓、螺母及不受力的附件，并将去除的零件转换成等效力施加到小臂中，这样既能达到有限元分析的目的，又能降低计算机的工作量。小臂简化模型如图3所示。

图3 小臂简化模型

3.2 材料模型

小臂系统的板材为Q345B，根据材料定义其密度为7.85×10-6kg/mm3,弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。

3.3 网格的划分及约束的施加

在Workbench中模型的网格可根据设定进行自动划分，在强度校核的重点区域进行网格细化处理，零件间的连接方式采用绑定连接。

小臂的自重可根据小臂的结构及密度来实现；风载需要通过施加压力载荷来实现，根据文献设定为250 Pa。

小臂上喷头组件因结构较复杂影响有限元计算，因此没对其进行建模，可以通过力的形式施加;小臂上输送软管中的混凝土也可通过力的形式施加，简化后的混凝土管路及其他简化的附件都以力的形式施加，通过SolidWorks确定这些附件的重心，确定位置和大小后通过力的形式施加在小臂上;小臂末端的两个销轴孔采用圆柱支撑，不约束旋转，只约束轴向及径向。这种工况下小臂的约束和载荷施加形式如图4所示。

图4 小臂的约束和载荷施加

4 小臂的有限元仿真分析

4.1 改进前结构的有限元分析

图5为改进前的小臂结构，通过ANSYS Workbench对改进前结构进行有限元分析计算，得到小臂系统的应力云图，如图6所示。

图5 改进前的小臂结构

图6 改进前小臂的应力云图

根据计算结果可知，应力最大值出现在小臂外套和折弯部分的连接处，靠近销轴孔位置处应力也较大，实际情况也是此处经常出现焊缝开裂和疲劳变形，因此仿真结果与实际情况一致。仿真得到的最大应力值为337.9 MPa，Q345B的屈服极限为345 MPa，安全系数为1.02，安全系数过低，不满足结构设计要求。

4.2 改进后结构的有限元分析

针对以上情况在小臂折弯处受力最大的位置增加两块加强筋，如图7箭头所示。

图7 改进后的小臂结构

对改进后的结构施加相同的约束和载荷，并进行有限元仿真计算，得到小臂的应力云图，如图8所示。

图8 改进后小臂的应力云图

图8显示最大应力点出现在小臂外套和折弯部分的连接处，其最大应力值为208.3 MPa小于Q345的屈服极限，安全系数为1.65，结构满足设计要求。

5 结论

混凝土湿喷台车臂架系统是湿喷台车设计和制造的关键，而小臂系统是臂架系统的关键部件之一，小臂系统结构的合理与否影响整车的工作可靠性。通过对混凝土湿喷台车小臂系统的有限元分析，得出在危险工况下小臂系统受力情况和应力集中区域。对应力集中区域进行强度和可靠性评估，并根据结果给出优化改进方案，保证了湿喷台车在作业工程中的安全性和可靠性， 为混凝土湿喷台车小臂系统的设计和优化提供了参考。