混凝土泵车主要技术参数的优化设计

1、收稿日期 :2007-10-23作者简介 :蒋玉杰 (1956- , 女 , 吉林双辽人 , 沈阳航空工业学院副教授 , 博士 ; 张国忠 (1936- , 男 , 山东寿光人 ,原为东北大学教授 , 博士生导师 , 现为沈阳大学特聘教授 第 20卷第 2期 2008年 4月 沈 阳 大 学 学 报J OURNAL OF SHEN YAN G UN IV ERSIT Y Vol 120,No. 2Apr. 2008文章编号 :100829225(2008 0220008203混凝土泵车主要技术参数的优化设计蒋玉杰 1, 张国忠 2, 曾 岑 3(1. 沈阳航空工业学院 机械与汽车学院 , 辽宁

2、 沈阳 110034;2. 沈阳大学 机械工程学院 , 辽宁 沈阳 110044; 3. 江南大学 机械学院 , 江苏 无锡 214122摘 要 :分析了混凝土泵车主要技术指标的影响因素 , 并以最大输送距离和最大混凝土排出量为目标提 出了一种泵车技术参数的优化设计方法 关 键 词 :混凝土泵车 ; 优化 ; 泵送压力 ; 输送距离 中图分类号 :TU 645 文献标识码 :A混凝土泵车属于专用类车辆 , 它将混凝土泵 和液压折叠式臂架都安装在汽车底盘上 , 架铺设输送管道 , , 所 在实际 应用中 , 、 泵送压力和输送距离等性 能指标 , 是衡量混凝土泵车的工作性能的重要标 志 在混凝土

3、泵车的设计中 , 这些指标大小主要取 决于泵车的设计技术参数 本文提出了一种用于 确定泵车主要技术参数的优化设计方法 , 可以使 混凝土泵车获得较高的泵送能力 1 混凝土泵车的主要性能指标与计算公式1. 1 混凝土排出量混凝土排出量是指泵车在单位时间内输送的 混凝土量 , 即混凝土泵车的生产率 一般可以通过 调节发动机转速或主液压泵的流量来改变泵车的 混凝土排出量 活塞式混凝土泵的排出量可用下式 1计算 :Q =6010-6D 2S n 124(1+t 2/t 1 (m 3/h 式中 , Q 为混凝土实际排量 , m 3/h ; D 为混凝土缸 内径 , mm ; S 为混凝土缸活塞有效工作行

4、程 , m ;n 为混凝土缸活塞每分钟往复次数 , 一般在 45次/min 以 下 ; 1、 2分 别 为 液 压 泵 的 容 积 效 率(0951 的 吸 入 效 率 (0181; 2, 一般 t 2/t 1 012 1. 2 泵送压力和输送阻力混凝土泵的泵送压力是指混凝土缸出口处的 混凝土排出压力 , 它取决于混凝土泵液压系统中 主液压泵的额定压力 , 也反映了混凝土泵车输送 距离长短的能力 一般活塞式混凝土泵的最小泵 送压力不小于 2MPa 混凝土泵的出口压力可按下列公式 2计算 :p 1=p 32D 2=316N 032D 2/Q 0 式中 , p 为主液压泵的出口压力 , MPa ;

5、 0, 3分 别为主液压泵容积效率 (01950198 和泵送系统 压力系数 (017018 ; d 为主液压缸内径 , mm ;Q 0为主液压泵理论排量 , Q 0=6010-6d 2S n/4, m 3/h ; N 为泵送系统消耗的功率 , kW , N =3160 混凝土泵的泵送压力主要用来克服混凝土在 输料管中流动时的输送阻力 包括混凝土与管壁 间的摩擦力和粘附力 , 在倾斜和垂直管中混凝土 的重力等 这些输送阻力与管道长度 、 布管状态 、混凝土流速 、 输料管直径 、 混凝土坍落度及混凝土 配料比例等因素有关 实验表明 :混凝土流速越 高 , 则输送阻力越大 ; 输料管直径越大 ,

6、 则输送阻力越小 当混凝土的水灰比或坍落度小时 , 输送阻 力也会增加 3 管道的输送阻力 p s 可以按照下面 的公式计算 :p s =L(R+sin 式中 , p s 为管道的输送阻力 , MPa ; R 为输送管路 半径 , m ; L 为输送管路长度 , m ; k 1为混凝土浆的 粘着系数 , MPa , k 1=(3100-011S t 10-4; k 2为混凝土 浆 的 速 度 系 数 , MPa/(m s -1 , k 2=(4100-011S t 10-4; S t 为混凝土坍落度 , cm ; v , v 分别为混凝土的实际流速和平均流速 , m/s v =1+t 1v ;

7、 为混凝土的容重 ; 为管路的轴线与水平方向倾角 综上所述 , 混凝土的泵送压力应满足下列条 件 :p 1=p s +p k式中 , p 1为混凝土的泵送压力 , MPa ; p 时的液压泵压力 , 、 内压力损失之和 , 2111. 3 能达到的泵送压力可以计算出泵车的输送距离 (即输送管长度 L 为L =p 1-p 2(k 1+k 2v /R +sin (m L 为混凝土泵能够输送的水平直管总长度 ,实际计算中 , 可以按管道布置所用的垂直直管长 度 、 锥形管长度和弯管长度换算出对应的等效水 平直管长度代入上式4 2 计算参数的优化设计2. 1 复合形法复合形法是求解约束优化问题的一种重

8、要的直接解法 它的基本思路 (见图 1 是在可行域内图 1 复合形法的原理图构造一具有 k 个顶点的初始复合形 对该复合形各顶点的目标函数值进行比较 , 找到目标函数值 最大的顶点 (称最坏点 , 然后按一定的法则求出 目标函数值下降方向的新点 , 并用此点代替最坏 点 , 构成新的复合形 , 复合形的形状每改变一次 , 就向最优点移动一步 , 直至逼近最优点 2. 2 建立数学模型(1 目标函数基于对混凝土泵车主要技术参数的了解 , 在 液压泵功率消耗量一定的情况下 , 目标函数可采 取如下两种方式 ;为实现混凝土的远距离输送 , 取最大输送距 离 L 为目标函数 , 即min f (x =

9、1/, Q x 1/Q (在满足混凝土泵车的工作性能要求的同时 , 计算参数的设计还应受到下列条件的限制 泵送压力的限制 p 1 2MPa ;混凝土缸直径的限制 , 常用的混凝土缸直 径 D 在 150230mm 之间 输送管路半径 R 的限制 , 输送管路半径 应在下列范围内选取 :50、 65、 70、 75、 100、 125、 140、 150、 200mm ;冲程长度的限制 ; S 应在 8002000mm 之间 ;坍落度的限制 , S t 的取值在 812cm 之 间 ;泵送能力指数的限制 ; M =p 1Q M min 综上所述 , 建立约束函数 :s. t. g 1(x =R

10、=(0. 05, 0. 065, 0. 07, 0. 075,0. 1, 0. 125, 0. 14, 0. 15, 0. 2 ;g 2(x =(0. 15 D 0, 23 ; g 3(x =p 1 2; g 4(x =p 1Q M min (3 设计变量在混凝土的计算参数中 , R 与 D 对混凝土的 排出量和输送距离影响较大 输送管的内径越小 ,混凝土的流速越快 , 但输送阻力也增加 同理 , 混 凝土缸径也要影响到混凝土的推送压力和阻力 因此 , 可以取混凝土缸直径 D 和输送管半径 R 为设计变量 , 即9第 2期 蒋玉杰等 :混凝土泵车主要技术参数的优化设计X =(x 1, x 2T

11、=(D , R T2. 3 计算步骤框图复合形法的程序框图见图 2 图 2 3 设计举例以某一品牌的泵车为例 , 进行优化设计计算 在这里取混凝土泵最大输送距离 L 为目标函数 , 以混凝土缸直径 D 和输送管半径 R 为设计变量 , 选取基本计算参数如下 :发动机功率 N e =232kW , 泵送系统消耗的 功率 N =018N e , 液压缸直径 d (014016 D , 冲程长度 S =2000mm , 坍落度 S t =10cm , n =25次 /min , 0=0197, 1=0195, 2=0185, 3=0175, =0, p k =118MPa , t 2/t 1=012

12、, v = v/60 用复合形法程序 , 在计算机上运行 9次 , 求得约束最优解为 :当 R 0185D 时 , x 3=D , R T =180, 150T , f (x 3 =01001245, 最大水平输送距离 L max =803m ; 当 R 017D 时 , x 3=D ,R T =180, 125T , f (x 3=0. 001459, 最大水平输送距离 L max =668m . M .北京 :中国 , 2004:90-122., 刘古岷 . 混凝土机械 M .北京 :机械工业出版社 ,2001:46-94.3姜雪梅 . 混凝土泵车总体设计及 CAD 系统开发 D.沈阳 :

13、东北大学 , 2000:4陈宜通 . 混凝土机械 M .北京 :中国建材出版社 , 2002:136-149.Optimizing Design of Concrete 2pump V ehicle s Main T echnicalParametersJ IA N G Y ujie 1, ZHA N G Guoz hong 2, ZEN G Cen 3(1. Shenyang Institute of Aeronautical Engineering , Shenyang 110136, China ; 2. Shenyang University , Shenyang 110044, China ; 3. Jiangnan University , Wuxi 214122, China Abstract :The influencing factors of concrete pump vehicle s main technical indicators are analyzed , with the greatest transmission distance and the biggest concrete emission