布料杆关键部件的机械设计创新及工程应用分析

一、引言

混凝土布料臂一般由 3 节臂、4 节臂甚至更多的臂节组成，其执行机构的液压回路较长，且大、小臂的油缸缸径也相差较大，对于定量系统的液压泵站往往会降低工作效率，液压油温度升高，油液变质，从而导致液压设备出现故障[1]。随着工程复杂度提高，布料杆在作业半径、承载能力及动态响应方面面临更高要求。然而传统设计中关键部件存在结构冗余、材料适配性差等问题，导致维护困难与性能瓶颈。同时，设计分析与实际应用脱节，新材料缺乏系统验证，限制了其在高强度工况下的技术突破。

二、布料杆关键部件功能构成与工况特性分析（一）布料杆工作原理及结构组成简述

采用工装焊接立柱设计，具备互换性强、模块化安装特性，支持电梯井、楼面、壁挂等多种安装方式。臂架基于泵车技术开发，运用有限元分析和疲劳试验优化结构，采用进口高强度钢板制造，关键部件实施整体热处理工艺[2]。配备比例控制多路阀与100 米四频段遥控系统，输送管经专利热处理技术处理，寿命为普通管2-3倍。整机结构由塔身总成、回转机构、臂架系统、液压动力单元及控制系统构成，其中回转支承作为连接底盘与转台的核心部件，承担垂直方向的轴向载荷与水平方向的倾覆力矩，实现360 度连续回转运动。臂架系统采用多节折叠式结构，通过液压缸的伸缩驱动实现作业半径的动态调整，各节臂架间通过销轴连接的连杆传递弯矩与扭矩，其结构刚度直接影响末端浇筑精度。转台作为承载臂架与回转机构的中间载体，集成了液压阀组与动力传输元件，在作业过程中需同时承受臂架的自重载荷与混凝土输送时的冲击载荷。液压系统通过比例换向阀控制液压缸的流量与压力，实现臂架运动的无级调速，其响应特性决定布料杆的作业平顺性。

（二）关键部件受力工况与失效模式

HGY 混凝土布料杆是全液压驱动系统，由齿轮泵供油，采用进、回油路双向节流调速形式，目前的液压系统经常存在节流发热、布料臂抖动等问题 影响了臂架系统的工作安全性。液压缸作为臂架驱动的执行元件，活塞杆在伸缩过程中承受轴向压力与侧向弯矩的复合作用 因缓冲结构失效产生的液压冲击，导致缸筒内壁出现塑性变形，配合 糙度增 至 以上时引发密封件过早磨损。转台在承受偏载工况时，其腹板与法兰连接部位产生应力集中，应力集中系数可达2.3-2.8，在交变载荷作用下萌生疲劳裂纹，裂纹扩展方向与焊缝走向呈45 度夹角，最终导致结构整体性破坏。

（三）工程应用环境对关键部件设计性能的影响

液压系统发热是由液压泵和执行器的功率损失以及各种控制阀的功率损失造成的[3]。在高温环境中，环境温度可达40-45℃，导致液压油黏度下降 15‰ ，液压缸的密封件在持续高温下出现老化，体积膨胀率超过 5% ，引发泄漏量增至0.5mL/min 以上。低温工况时，材料的冲击韧性下降 30–40% ，回转支承的滚动体与滚道间的润滑脂流动性变差，启动摩擦力矩增加2-3 倍，易造成冷启动卡滞现象。高湿度环境使关键部件表面形成连续水膜，加速电化学腐蚀进程，转台的碳钢构件年锈蚀速率可达 0.2mm ，镀层防护层在盐雾环境下的腐蚀电流密度增至5μA/cm²以上。粉尘浓度较高的工况中，粒径 0.1-1μm 的粉尘颗粒侵入回转间隙，形成磨粒磨损与黏着磨损的复合失效机制，使部件的摩擦系数从0.01 增至0.08。

三、布料杆关键部件的机械设计创新（一）基于有限元分析的结构优化设计方法

在回转支承设计中，采用壳单元与实体单元的混合建模方法，网格划分尺寸控制在5-10mm，对滚道接触区域进行网格细化至1mm，通过 ANSYS Workbench 的接触分析模块，获取不同工况下的接触应力分布云图，确保最大接触应力控制在材料许用应力的80%以内。通过对不同调速方案的性能价格比分析，决定采用PLC 与变频器结合来实现布料杆不同工况下的调节。运用AME Sim 软件仿真分析改进前后液 压系统的性能变化，通过仿真以及实验结果，分析该方案是否可实现轻载高速和重载低速，并达 到既能保证布料机工作平稳，又能确保工作安全 性的目的。

（二）新型材料与复合结构在关键部件中的应用

回转支承作为布料系统的关键承载部位，其结构与性能已趋于成熟，行业内普遍采用高度标准化、模块化的成熟产品体系，如SANY 集团即采用其子公司索特制造的专用回转支承，具备稳定的承载能力与长期工况适应性。相比之下，臂架结构在满足轻量化、刚度与强度协同的多重性能目标方面仍面临诸多挑战，是当前布料装备优化设计的核心难点之一。为实现结构性能与作业半径的最优匹配，本文将材料创新与结构轻量化策略重点应用于臂架系统。

臂架结构通常采用顶板、底板、左右侧板焊接成箱体结构，箱体内配置加强板以增强承载能力。应力较大的部位通过贴板焊接进行加强。目前，SANY 臂架的主要材料为SG1000，而其他厂家多采用Q960 钢板，这些高强度钢材具有良好的力学性能和耐久性，确保了臂架的稳定性与可靠性。为了实现轻量化与高强度的平衡，采用CFRP 与高强铝合金的混杂结构，并在底板引入蜂窝夹层结构，有效降低了整体面密度至 8kg/m² ，同时保持了70GPa 以上的弹性模量，实现了40%的减重。关键承力部件如连杆和销轴使用 TiC/TC4 金属基复合材料，这种材料通过真空自蔓延高温合成工艺制造，具备高达1100MPa 的抗拉强度和 30GPa 的弹性模量，耐磨性提高了2.5 倍，有效延长了高频率工作下的使用寿命。通过有限元分析与疲劳载荷优化，确保臂架在更大跨度和频次下的高效运行。

（三）模块化与轻量化设计策略与技术路径

回转机构模块采用法兰式标准化接口，定位精度控制在 0.05mm 以内，通过键连接与花键传动实现动力传递，模块重量较传统设计减少 18% ，装配时间缩短至2 小时以内。臂架系统在不同作业半径段采用差异化模块化设计。28–36 米楼面式布料杆采用四节臂架模块化结构，其中第一节臂与第二节臂为通用模块，第三节臂与第四节臂根据具体机型需求灵活配置，实现多型号间的共通性与高效组装。45–51 米塔式布料杆同样采用模块化设计方案，臂架和臂架之间通过销轴和连杆连接，通过油缸伸缩来控制臂架的打开与收拢，提升运输与安装的便捷性与稳定性。液压系统采用集成式阀块模块，将换向阀、溢流阀与单向阀集成于一体，管路连接点减少 60% ，系统响应时间缩短至0.3 秒，泄漏率控制在 0.1mL/min 以下。轻量化设计通过结构拓扑优化与材料替代协同实现，转台的腹板采用变厚度设计，最大厚度25mm，最小厚度8mm，通过拓扑优化去除冗余材料，配合CFRP 材料的应用，整体减重达 32% 。臂架连杆的耳板采用仿生学设计，模拟鸟类骨骼的中空结构，在保持抗弯截面系数不变的情况下，重量减少 25% ，同时通过有限元验证确保一阶固有频率避开工作频率范围，避免共振现象发生。

四、布料杆关键部件的制造工艺与装配精度控制（一）精密加工技术在高强度部件制造中的应用

精密加工技术为高强度部件的性能实现提供工艺保障。回转支承的滚道加工采用超硬刀具进行精密磨削，砂轮线速度控制在45m/s，进给量 0.01mm/r ，通过在线激光测量系统实时监测滚道曲率半径，确保尺寸公差控制在IT5 级范围内，表面粗糙度达 ，接触精度达到GB/T307.1 规定的P4 级标准。液压缸缸筒采用冷拔+珩磨复合工艺，冷拔过程中实现直径公差IT7 级，直线度0.03mm/m，后续珩磨加工采用金刚石砂轮，珩磨头转速 120r/min，进给量 0.005mm/ 行程，使内孔圆度误差 ⩽0.003mm ，表面纹理呈交叉网纹状，利于润滑油膜形成。转台的法兰面加工采用卧式加工中心，配备光栅尺闭环控制系统，定位精度达 0.005mm ，重复定位精度0.003mm ，铣削过程中采用液氮冷却刀具，控制切削温度在200℃以下，避免材料因热变形导致的精度损失。臂架连杆的销轴加工采用数控车床与外圆磨床组合工艺，热处理后进行精密磨削，圆柱度误差 ⩽0.002mm ，表面硬度达HRC58-62，通过磁粉探伤检测表面裂纹，灵敏度达 20μm ，确保无超标缺陷存在。由于臂架在起、停时，换向阀的关闭时间很短，一般为0.025s 左右，此时，系统内部会产生很大的冲击。另外，由于各个执行液压缸的直径相差很大[4]。高强度螺栓的加工采用冷镦成型工艺，螺纹加工采用滚轧工艺，螺纹精度达6H 级，表面进行磷化处理，摩擦系数控制在0.12-0.15 范围内，确保预紧力的均匀性。

（二）装配过程中的误差控制与耦合精度优化

回转支承与转台的装配采用激光跟踪仪进行实时测量，测量精度达 ±0.01mm/m ，通过调整垫片厚度补偿平面度误差，使连接面的接触面积达85%以上，螺栓预紧力采用扭矩-转角法控制，预紧力误差控制在±5%范围内。臂架各节间的装配采用三维坐标测量机进行定位，测量点数不少于 20↑↑ ，通过最小二乘法拟合轴线直线度，确保臂架全长的直线度误差 ⩽0.5mm/m ，各关节轴的平行度误差 ⩽0.1mm/m 。液压管路的装配采用预安装+最终调试的两步法，预安装时通过工装夹具固定管路走向，确保弯曲半径符合设计要求，最终调试阶段采用压力脉冲试验验证管路连接的密封性，同时通过红外热像仪检测管路振动情况，确保振幅≤0.1mm。控制系统的装配涉及传感器与执行元件的精准对接，位移传感器的安装位置误差控制在0.1mm 以内，与臂架运动轴线的平行度误差⩽0.05mm/m ，通过 PLC 程序的参数校准，使位置控制精度达±5mm，速度控制精度±2%FS。

（三）工艺创新对性能一致性与耐久性的提升效果

回转支承的滚道加工引入超声振动辅助磨削工艺，振幅控制在 5-10μm ，频率 20kHz，使表面残余应力从-150MPa 提升至-300MPa，显著改善接触疲劳性能，同批次产品的寿命离散度从15%降至 8%以下[5]。液压缸的密封槽加工采用电解磨削工艺，避免传统机械加工的刀具磨损影响尺寸精度，槽宽公差控制在 ±0.01mm ，密封件装配后的压缩量一致性达 95% ，使同批次液压缸的泄漏率标准差从 0.08mL/min 降至 0.03mL/mir 。转台焊接采用机器人激光焊接工艺，激光功率3kW，焊接速度1.5m/min，热影响区宽度控制在 0.8mm 以内，焊缝硬度与母材差异≤5HRC，焊接变形量减少 70% ，同批次转台的承载能力偏差从 12% 降至 5% 。臂架连杆的销轴采用等离子体表面合金化处理，形成Cr-Ni-Mo 合金层，厚度 50-80μm ，硬度达HV1200，耐磨性提高 3 倍，在1000 小时磨损试验中，磨损量标准差从0.05mm 降至0.02mm。

五、布料杆关键部件设计成果的工程应用分析（一）典型工程项目中关键部件性能验证与运行监测

监测数据显示，回转支承在承受最大倾覆力矩850kN・m 工况下，滚道表面最高温度稳定在58℃，较传统设计降低 12℃，振动加速度有效值控制在0.8g 以内，远低于 1.2g 的报警阈值。液压缸在伸缩频率0.5Hz 的连续作业中，活塞杆的最大挠度为 1.2mm/m ，密封系统无可见泄漏，缸筒内壁的表面粗糙度经检测仍保持 ，未出现明显磨损特。转台在承受350kN 轴向载荷时，法兰连接面的最大变形量 0.15mm ，应力监测值420MPa，处于材料屈服强度的 65% 安全范围内。臂架连杆经过 50000 次全行程摆动后，销轴与轴套的配合间隙从初始0.05mm 增至 0.08mm，仍在设计允许范围内，关节部位的阻尼特性保持稳定，未出现异响或卡滞现象。液压系统的压力波动幅度控制在±2MPa，响应延迟时间 ⩽0.2ℏ} ，满足高精度浇筑作业要求。

（二）与传统设计对比的工作效率、可靠性及经济性分析

工作效率方面，由于臂架系统的轻量化设计与液压响应速度提升，回转和臂架响应就绪时间较传统设计提升 18% ，在相同工作时长内，混凝土浇筑量增加 17% ，尤其在大跨度作业工况下，末端定位时间减少 22% ，有效降低了施工等待时间。可靠性指标上，关键部件的平均无故障工作时间（MTBF）达到850 小时，较传统设计的520 小时提升 63% ，其中回转支承的故障率下降最为明显，从 0.08 次/千小时降至0.02 次/千小时，液压缸的密封系统寿命延长至 1500 小时，是传统方案的 2.3 倍。

（三）布料杆作业性能提升的多目标优化决策路径

以结构轻量化与动力系统能效提升为核心目标，构建包含整机质量、作业半径、液压系统响应速度与能耗指标在内的多目标优化模型。应用非支配排序遗传算法（NSGA-II）对不同臂架结构型式与材料组合方案进行迭代寻优，生成Pareto 最优解集，每个解对应一种可行的臂架结构与驱动配置组合。在决策环节，引入层次分析法，将关键评价维度设置为结构刚度—质量比、液压系统单位能耗、零部件通用性与制造成本，邀请装备设计与施工专家为各维度赋予权重，最终形成可量化的排序依据，以支持方案优选。

（四）布料杆结构—动力系统协同效能的组合优化策略

为实现布料作业系统的综合性能最优，需建立结构参数与液压控制参数之间的协同映射关系。在臂架结构优化方面，选取协同系数高的材料与连接结构组合，如将高模量铝合金与CFRP 构件混杂使用，搭配销轴—连杆式多节伸展结构，实现结构刚度与质量之间的协同优化。在动力系统配置方面，依据作业频率与动作轨迹数据，对液压缸的行程速率与控制阈值进行分阶段拟合，以优化其能耗响应特性。最终通过多工况仿真叠加实际操作周期内的加载序列，采用动态规划算法匹配最优控制路径，实现在确保布料精度的前提下，驱动能耗最小化与机构磨损最小化的双重目标。这一结构—控制组合优化方法为布料杆装备的高频作业环境提供了精度、可靠性与经济性的系统化保障。

六、结语

本文围绕布料杆关键部件的机械设计创新与工程应用展开系统研究，聚焦于臂架、转台、液压缸等核心结构在复杂工况下的力学响应与结构优化路径，通过引入新型复合材料、轻量化拓扑设计与高精度制造工艺，实现了布料杆装备在作业半径、响应速度与疲劳寿命等关键指标上的显著提升。研究不仅构建了以性能协同为核心的结构—控制优化策略，还在实际工程项目中完成性能验证，体现出较高的工程适配性与可靠性。结论表明，面向复杂施工环境的布料杆装备，亟需以机械设计创新为牵引，推动关键部件的系统优