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工业再设计案例 ：混凝土泵车臂架优化设计 2015 年 8 月，安世亚太和苏氏集团结为战略联盟，正式启动了工业品再设 计战略，共同打造基于工程仿真和精密铸造工艺的工业品再设计体系。 再设计是一种全新的设计思想和方法，指的是让设计回归市场客户需求本源， 重新审视原始设计，以最自然的方式来探索设计的本质。再设计包括对已知产品 改良和从无到有的创造，之所以能做到再设计，往往是由于突破性的新技术和新 工艺的出现和成熟。 那么，再设计体系到底有什么不同于传统设计的神奇之处？是如何帮助和促 进企业实现设计的跨越式创新？又会给企业带来什么样的经济效益？下面就让 我们通过一个真实的工程案例，来感受一下再设计的作用和效果。 1.项目背景 图1 臂架式混凝土泵车 臂架式混凝土泵车 （图1，以下简称泵车）是一种专门用于输送混凝土的特 种工程车辆，一般由汽车底盘、混凝土泵送系统、布料臂架系统、液压系统、回 转机构以及底架等六大部分组成。 泵车借助臂架系统将混凝土的水平输送以及垂直输送结合在一起，其工作原 理是：将混凝土泵和液压折叠式臂架都安装在汽车底盘上，沿着臂架架设输送的 管道，通过最末端的软管，最终向一定距离之外或一定高度之上的施工作业现场 输出混凝土的设备。泵车性能优越，效率高，机动性好，在现代建筑施工等诸多 领域中有着不可替代的作用。 臂架系统是泵车中最为重要的核心部件之一，泵车臂架具备折叠、回转、变 幅等功能，在臂架所能到达的区域内进行布料，实现了布料范围广、浇筑速度快、 浇筑质量高、机动性好、工人工作强度低等目标。 2.面临挑战 臂架结构是否合理将直接影响泵车的工作性能和作业稳定性。臂架系统不仅 需要具备相当的整体刚度和强度，还必须具备出众的工作适应性和可靠性，因此， 泵车臂架的设计和制造就需要有严格的要求，对泵车臂架的研究和探索是十分必 要的。 传统的机械设计中，一般认为臂架是一种细长的悬臂梁，非作业状态下，其 主要载荷为自重，工作状态下，其主要载荷还要加上混凝土的重量，因此为了确 保臂架的机械性能，使其满足施工的需要，特别是要实现强度大、刚度好、重量 轻的要求，臂架结构一般设计为四块钢板搭接拼焊的箱型梁，材料多选择高强度 合金钢。 臂架改进前的原始模型和局部的细节如图2 、3 所示 图2 改进前设计 图3 改进前局部细节 传统设计中，臂架多采用等强度设计，从上面的图表看出，由于必须要满足 稳定性、刚性等要求，同时满足经济性要求，因此臂架设计一般选用钢材料。 过早地出现疲劳是臂架最常见的失效形式，这是因为钢的比重比较大，出于 最大限度地提高材料利用率的考虑，传统设计会采取变截面、变材料厚度等来减 轻整体臂架的重量，也就出现了一些孔洞、沟槽、凹角等截面突变的结构，从而 不可避免地出现钢材应力集中等问题。同时传统设计无法摆脱旧有工艺的限制， 必须采用诸如焊接等加工方法，导致结构可靠性进一步下降，也对结构形式提出 了新的要求，即必须保证在相关部位不出现过高的应力集中的状况。 3.解决方案 再设计是如何做到这一点的呢？在本案例中，钢材之所以无法替换为其他材 料，主要的原因是要么是找不到同样机械性能的材料，要么是找到的材料无法加 工，或需要很复杂的结构才能实现，或者在旧有工艺条件下无法加工。而再设计 所依赖的苏氏精密铸造技术历经二十余年的发展，在传统失蜡熔模精密铸造工艺 基础上对所有工艺流程经过100 多项微创新，最大限度地杜绝了传统铸造工艺容 易产生的所有质量问题，尺寸精度和内部质量方面均全面超越国内外标准，实现 了“无论产品结构怎样复杂皆可制造”这一目标。 臂架再设计后的模型如图 5 所示，主要是铸造铝合金材料（ZL114A ）替代 原有的高强度焊接结构钢 （Q690D ），同时在壁板内壁增加了加强筋，采用苏氏 精铸技术进行一体化制造成型。 图5 改进后设计 改进后，一体化设计比原始设计减重54%，且一体化成型避免了焊接，其强 度更为可靠，有限元仿真结果也更加精确，能够更准确地预测结构的力学性能。 同时仿真分析表明，新的臂架设计应力水平下降，强度储备提高。分析结果如图 6 所示。 图6