混凝土泵车臂架系统折叠型式和机构分析

张竟　黎华　田润利

三一汽车制造有限公司　湖南长沙　410100

摘 要：泵车臂架系统总体设计受倾翻力矩、质量、结构力学性能、空间布置、臂架操控性等诸多因素的制约。在臂架系统总体方案设计阶段，针对特定的设计要求，合理地选取臂架折叠型式和连杆机构型式至关重要。针对现有泵车的臂架折叠型式和连杆机构进行了系统总结，同时分析了不同结构型式的优缺点和应用范围，对泵车臂架系统新产品开发具有一定的借鉴作用。

关键词：混凝土泵车　臂架折叠型式　连杆机构

混凝土泵车是集行驶、泵送、布料功能于一体的混凝土输送设备。适用于城市建设、住宅小区、体育场馆、立交桥、机场等建筑施工时的混凝土输送。混凝土泵车主要由底盘、臂架系统、转塔、底架、泵送系统、液压系统和电气系统七大部分组成[1]。臂架系统则由臂架、连杆、油缸和销轴等组成，主要用于混凝土的输送和布料。

臂架系统总体设计由于受倾翻力矩、质量、结构力学性能、空间布置、臂架操控性等多重因素的制约，并且需要兼顾客户操作习惯、布料效率等因素[2]。因此，臂架系统设计的合理性在一定程度上决定了整个项目的成败；而在臂架系统总体方案设计阶段，确定臂架折叠型式和连杆机构型式至关重要。

臂架系统各部件组成了多个可折叠和展开的平面四连杆机构。根据各臂架间转动方向和顺序的不同，臂架有多种折叠型式，如：R型、Z型或M型、RZ型等。各种折叠方式都有其独到之处R型臂架结构紧凑；Z型或M型臂架在打开和折叠时动作迅速；RZ型臂架则由于其兼顾了R型和Z型两种折叠型式的优点而被广泛应用。

1.1　R型臂架

R型臂架结构紧凑，一般适用于3节或4节短臂架泵车，其相邻两节臂架的旋转角度一般≤180°。近年来也用于桥长比和臂架轻量化要求极高的产品，如3桥50 m泵车（图1）。其臂架布置的特点是臂架的空间布局非常紧凑，几乎利用了竖直平面内所有能利用的空间。臂架3为侧向弯曲臂架、臂架4绕转到臂架3下方，臂架5、6则在臂架3上方，充分利用了臂架3上方和下方的空间。此种折叠型式臂架的收展需要严格遵照一定的顺序，臂架收展操作难度大、耗时长；并且整套臂架折叠状态下的质心靠后，存在后桥超重的隐患。

图1　三一重工3桥50 m泵车

1.2　倒置R型臂架

倒置R型臂架（即臂架1位于臂架2下方）。其特点是臂架1的收展需要通过连杆机构实现，臂架1旋转角度一般为175°左右。在施工工况下，油缸1承受拉力；臂架2、3可置于驾驶室正上方甚至超出驾驶室；臂架3一般为侧弯臂架。此种折叠型式在SCHWING泵车上应用较多（如图2）。

图2　SCHWING　倒置R型臂架泵车

1.3　Z型臂架

Z型臂架收展动作十分迅速。在折叠状态下，整套臂架通常呈一字排列布置，臂架节数一般为4节或5节。常用于短臂架和中长臂架泵车，如36 m、42 m、45 m等。在长臂架泵车上也有应用，如Putzmeister的52 m泵车为5节Z型臂架，其臂架2和臂架4为侧弯臂架（如图3）。其最大的优势是整套臂架的展开和折叠动作十分迅速：臂架1展开到一定角度（约80°~90°）后，后续臂架可同步收展；而臂架2、3与臂架4、5之间需要安装两个反折大三角连杆，机构偏重；臂架2、3之间的连杆布置要特别注意避免与转台和1号油缸发生干涉。

图3　Putzmeister 52 m泵车

1.4　RZ型臂架

RZ型臂架兼具R型和Z型的优点，为泵车中最常见的臂架折叠型式。三一重工的49C8系列、56C8系列和62C8系列泵车臂架均为此种类型。其基本特征是臂架1、2、3为R型，臂架3、4、5为Z型，如图4所示。其布置特点是臂架3为侧向弯曲臂架，臂架4、5布置于臂架3上方；臂架1展开至90°、臂架2展开至水平后，臂架3、4、5可快速联动。此种折叠型式设计时需要重点考虑整套臂架竖直状态下，快速收展臂架2时臂架4与转台或臂架1不发生干涉。

图4　RZ型臂架

1.5　倒置RZ型臂架

在倒置RZ型臂架中，SCHWING的6桥52 m泵车便是其典型代表，如图5所示。其特点是臂架3为侧弯臂架，臂架2、3、4、5均可置于驾驶室上方，臂架1的收展需要通过连杆机构实现。

图5　SCHWING 6桥52 m泵车

1.6　ZR型臂架

ZR型臂架，常用于短臂架泵车（如Putzmeister 20 m泵车、SCHWING的28 m泵车）。为方便布料作业，最后一节臂架的旋转角度一般为270°。主要特点是臂架展开高度极低，特别适合于厂房内布料作业，如图6所示。

图6　SCHWING泵车室内布料作业

1.7　折叠伸缩型臂架

折叠伸缩型臂架在SCHWING的泵车上应用较多（如图7），两节伸缩臂之间的输送管配管一般布置为“Z”字形。

图7　SCHWING 伸缩臂架泵车

1.8　RZR型臂架

RZR型臂架适用于桥长比要求极高的泵车，整套臂架折叠状态下，占用的高度空间很多。臂架2一般位于固定转塔上表面以下，3#臂架油缸一般为内藏式油缸，代表车型为三一的4桥60 m泵车（如图8）。设计时应特别注意校核行驶状态下臂架与斜拉梁及固定转塔之间的间隙。

图8　三一重工4桥60 m泵车

1.9　全回转型臂架

全回转型臂架结构一般体现在最后一节臂架是360°全回转的型式，如图9所示。CIFA的35 m泵车臂架5由液压马达驱动，可实现360°旋转。

图9　全回转型臂架

连杆机构作用于臂架各种姿态的运动实现，并与相关部件保持合理的空间位置。四连杆机构是目前臂架连杆机构唯一采用的一种结构。根据臂架空间结构布置、机构驱动力、输送管布置等需要，衍生出不同的结构型式。在设计时采用何种型式，则需要根据具体的要求和情况而定。

2.1　直连杆+直连杆(www.xing528.com)

这类连杆机构在中联重工的泵车产品上应用较多，臂架展开角度一般为0°~180°。此连杆机构结构尺寸较小、空间布置较为紧凑，适用于桥长比要求高的产品。主要是可以将连杆机构节约的高度空间用于增加臂架箱体截面高度，以改善臂架的受力工况。如中联重工5桥的63 m泵车，臂架2、3之间就是采用该类机构。

根据实际结构和布置需要，连杆可以内置或外置。如中联3桥的47 m泵车（如图10），连杆1、2全部内置；连杆8为单板结构外置。

图10　直连杆+直连杆

部分厂家为了满足输送管的布置需要（输送管从臂架连接部位横穿而过），将一根连杆设计为弯连杆（如图11），则属于“直连杆+直连杆”的变型，然而这种弯连杆受力较直连杆差。

2.2　三角连杆+直连杆

这类连杆机构在目前应用得最为普遍[3]。在用于正折臂架时，展开角度一般为0°~180°；用于反折臂架时，展开角度一般为0°~240°。在正常施工工况下，直连杆为受压二力杆；三角连杆主要承受拉力，且由于其受拉横截面积较大，受力较好。

图11　“直连杆+直连杆”的变型

此种连杆机构型式在三一、Putzmeister和CIFA泵车上应用普遍，C I FA一般采用外置结构（图1 2）；而三一和实际设计中，由于输送管需要穿管等，该类连杆机构还可以适当变型，如图14所示。

图12　“三角连杆+直连杆”外置结构

图13　“三角连杆+直连杆”内置结构

图14　“三角连杆+直连杆”的变型

“三角连杆+直连杆”的连杆机构用于反折臂架的优点是折叠状态下臂架连接销轴安装及拆卸方便；而缺点是在臂架展开过程中，油缸推力波动范围大，即推力曲线不平缓，油缸利用率较低，不利于减重设计。

2.3　直连杆+三角连杆

该类连杆机构展开角度范围为0°~245°，油缸力随臂架展开角度的变化曲线平缓，臂架操纵平顺性好，且有利于轻量化设计。

该机构既可以用于正折臂架，又可以用于反折臂架。用于反折臂架时，相似于“三角连杆+直连杆”的连杆机构，而油缸力曲线平缓，机构轻量化程度更高[4]，但是存在臂架连接部位销轴拆装困难的问题。

该连杆机构一般为外置式（如图15），需要特别指出的是，Putzmeister的42 m泵车臂架为混合型，其优点是臂架连接部位横向空间更为紧凑。

图15　直连杆+三角连杆

有时输送管需要从臂架连接部位横穿而过，这只需对该连杆机构尺寸和结构型式进行相关调整即可实现“直连杆+三角连杆”的变型，如图16所示。

图16　“直连杆+三角连杆”的变型

本文针对现有泵车的臂架折叠型式和连杆机构进行了系统的归纳和总结，同时分析了不同机构型式的优缺点及应用范围，对泵车臂架系统的开发具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1]　陈宜通.混凝土机械[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]　魏雪玲,徐怀玉,程桦等.市场变化催生技术变革国产臂架式混凝土泵车发展趋势谈[J].工程机械与维修,2006(03):52-59.

[3]　陈万权.浅谈国产混凝土泵车的新技术应用及发展趋势[J].科技创新导报,2011 (36):13-13.

[4]　徐鑫,陈先,赵玉坤等.混凝土泵车长臂架布置型式的分析研究[J].混凝土,2012 (07):142-144.

Analysis on　Arm Folding Type and Link Mechanism of Concrete Pump Truck

ZHANG Jing et al

Abstract：The overall design of concrete pump truck are constrained by many factors, such as tilting moment, mass, the structure mechanical properties, space layout and the handling properties of arm. In the stage of overall program design of arm system, select the type of arm folding and link reasonably is crucial to special design requirements. The article systematic summarizes the existing types of arm folding and link mechanism of concrete pump truck. Meanwhile, the advantages and disadvantages and the application range of different types of arm structure are analyzed. These conclusions can provide some guidance to the design of arm system.

Key words：concrete pump truck; arm folding type; link mechanism

中图分类号：U469.4.03

文献标识码：B

文章编号：1004-0226(2016)07-0107-04

第一作者：张竟，男，1983年生，工程师，现从事专用车设计工作。

收稿日期：2016-05-10