一種模塊式運梁車動力的設(shè)計研究

張小琴

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福州350007)

隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展,運梁車在橋梁施工中的應(yīng)用越來越廣,箱梁的運輸、架橋機的遠距離轉(zhuǎn)場都是通過運梁車來實現(xiàn)的。運梁車載重大、車身長,隨著構(gòu)件的加大加長,如:混凝土箱梁的重量為900 t,長度為32 m,多個廠家相應(yīng)設(shè)計生產(chǎn)了模塊式運梁車,其動力設(shè)計是否安全直接影響車輛的本質(zhì)安全,影響運梁車正常作業(yè)及運行費用。本文針對某廠家設(shè)計的DCM900型模塊式運梁車的動力設(shè)計方法進行研究,以期提高所設(shè)計運梁車的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性,保證施工安全順利進行。

1 模塊式運梁車基本組成

模塊式運梁車采用模塊化拼裝方式,可根據(jù)需要對多個模塊進行組合,以達到理想的平臺尺寸及載重量,滿足不同長度箱梁架設(shè)的需求。[1]所研究的DCM900模塊式運梁車由2個動力模塊車和多個從動模塊掛車組成,共有84個懸掛,336個輪胎,形成4縱列21軸線承載平臺。動力模塊位于運梁車前端,由機架、發(fā)動機及其附件、聯(lián)軸器、分動箱、液壓泵、液壓油箱、燃油箱、蓄電池等組成。在平臺上放置分載梁,分載梁與車架平臺聯(lián)接成一體式結(jié)構(gòu),車架前后及左右側(cè)均設(shè)聯(lián)接孔位,可左右及前后拼裝。平衡式懸架把車架上的集中載荷平均分配到各個車橋上。運梁車依靠液壓系統(tǒng)將動力傳給車輪,其傳動路線為:發(fā)動機→驅(qū)動油泵→控制閥→液壓馬達→輪邊減速箱→車輪。DCM900型模塊式運梁車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 DCM900型模塊式運梁車主要技術(shù)參數(shù)

模塊式運梁車在施工作業(yè)中,運行速度低、運輸距離長,車輛在橋面行駛時要求行駛路線精確,不允許發(fā)生較大偏差而對橋梁造成損壞。這樣的運輸條件,如果完全由人工駕駛和控制,其勞動強度非常大,而且很難保證作業(yè)的安全性,因此,首先要求模塊式運梁車動力運行必須平穩(wěn)安全,且能根據(jù)工況的變化自動調(diào)節(jié),即使發(fā)動機過載掉速,其輸出轉(zhuǎn)矩也應(yīng)有較多的裕度,確保運梁安全、高效。為此,設(shè)計時就要對發(fā)動機的功率進行合理的計算,并采取先進的控制措施。[2]

2 工作阻力計算

運梁車工作時,受到的阻力主要有運行阻力、坡道阻力、起步加速慣性力,選擇發(fā)動機功率時,應(yīng)考慮它的最大工作阻力工況,[3]其計算公式為:

式中:F——運梁車最大工作阻力;

F1——運行阻力;

F2——坡道阻力;

F3——起步加速慣性力。

式中:G——運梁車的重力,N;

f——車輛的滾動阻力系數(shù);

α——道路的坡道角。

運梁車的坡道阻力F2為:

運梁車的起步加速慣性阻力F3為:

式中 :F31——運梁車平動質(zhì)量的慣性阻力(N);

F32——運梁車轉(zhuǎn)動質(zhì)量的慣性阻力(N)。

一般情況下,運梁車在進行作業(yè)時,行駛速度較小,轉(zhuǎn)動質(zhì)量的慣性阻力可忽略不計。

式中:m——車輛及載荷的質(zhì)量(kg);

a——加速度(m/s2);

Δv——起步速度變化量(m/s);

t——加速時間,一般取t=1.0～1.5(s)。

3 發(fā)動機功率計算

運梁車運行所需發(fā)動機功率為:

式中:F——運梁車運行時的最大工作阻力(N);

V——運梁車的行駛速度(m/s);

η—— 傳動效率,η=0.685。

運梁車主要有空載平地、空載平地加速、空載爬坡、空載爬坡加速、滿載平地、滿載平地加速、滿載爬坡、滿載爬坡加速8種運行工況。廠家在設(shè)計發(fā)動機功率時,通常根據(jù)經(jīng)驗,以滿載平地工況計算。運梁車的負載特性是:滿載時速度較低,運行阻力大;空載時速度較高,運行阻力小,所設(shè)計的發(fā)動機功率比較經(jīng)濟。設(shè)計發(fā)動機的功率時,筆者認為應(yīng)該分析該發(fā)動機的功率是否都滿足8種工況?？蛰d平地加速、空載爬坡加速、滿載平地加速、滿載爬坡加速的末速度相等,滿載爬坡加速時的運行阻力最大,所以只要計算滿載爬坡加速的功率;空載爬坡、滿載爬坡工況都以爬坡最大速度計算,也只要計算滿載爬坡的功率,只要設(shè)計的發(fā)動機功率能滿足以下4種工況需求,就能滿足上面8種工況。

3.1 運梁車滿載平地運行

式(1)中F2=0,F3=0(勻速),G=11 520 000 N(重力加速度g取 10),f=0.03,α=0°

運梁車滿載平地運行時,取最高運行速度V=5 km/h,故所需功率為:

郁達夫與梁實秋論爭時，一開始翻譯了辛克萊Mammonart的第44章的最后五段和第45章的幾乎全部，然后在1928年3月份到1929年8月份的時候持續(xù)翻譯了Mammonart的19個章節(jié)。

3.2 運梁車滿載爬坡運行

式(1)中F3=0,F=F1+F2,G=11 520 000N,f=0.03,坡度按最大縱坡3%換算得:α=1.72°

運梁車滿載爬坡運行時,取最高運行速度V=1.5 km/h,所需功率為:

3.3 運梁車空載平地運行

式(1)中F2=0,F3=0,G=2 520 000 N(運梁車的重量),f=0.03,α=0°

運梁車空載平地運行時,取最高運行速度V=10 km/h,所需功率為:

3.4 運梁車滿載爬坡加速運行

G=11 520 000 N(重力加速度 g取 10),f=0.03,α=0°

運梁車滿載加速運行時,取最長加速時間t=1.5 s,從起步到1.5 s末的速度Vt=at=0.15×1.5=0.225 m/s,所需功率為:

4 功率選配措施

由于運梁車載重大,路面環(huán)境差,復(fù)雜多變的作業(yè)阻力導(dǎo)致功率變化大,容易引起發(fā)動機過載熄火。為了克服這種現(xiàn)象,在發(fā)動機的選型及液壓系統(tǒng)控制上采取了較安全的措施控制功率?？紤]系統(tǒng)其他動力部件的功率消耗及效率,發(fā)動機的選型既要滿足功率大小,又要考慮對工作環(huán)境的適應(yīng)性,[5]通過對幾個主要發(fā)動機廠家參數(shù)調(diào)研,選用2臺相同的DEUTZ公司生產(chǎn)的BF8M1015CP型發(fā)動機,每臺功率為400 kW,轉(zhuǎn)速2 100 r/min,BF8M1015CP型發(fā)動機對復(fù)雜多變的工況適應(yīng)性強,特別適用于工程機械野外作業(yè),在低速時能輸出較大扭矩,其外特性參數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 BF8M1015CP型發(fā)動機外特性參數(shù)

從圖1可以看出:當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速從21 00 r/min降至1 800 r/min的過程中,其輸出功率不變,輸出轉(zhuǎn)矩增加,以平衡運梁車在工作過程中瞬時、小量的過載,保持發(fā)動機工作穩(wěn)定。此外,選用2臺相同的發(fā)動機和并聯(lián)的液壓系統(tǒng)相匹配,可以實現(xiàn)功率互補。

DCM900型模塊式運梁車是重載工程機械,模塊多,驅(qū)動輪多,工況又多變,如果采用傳統(tǒng)的機械傳動或液力機械傳動,有級變化的檔位不能與負荷要求實現(xiàn)最合理匹配,同時,操作復(fù)雜,容易發(fā)生事故,無法保證運梁車安全作業(yè)。采用液壓傳動,并采用適當(dāng)?shù)目刂蒲b置與其進行配合,就可以得到理想的傳動系統(tǒng),它能夠使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及其輸出轉(zhuǎn)矩因適應(yīng)外部負載的變化而連續(xù)變化,并且保持較高效率。[6]DCM900型模塊式運梁車的行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)采用變量泵、變量馬達組成的閉式系統(tǒng),具有精細的無級速度調(diào)節(jié)和良好的控制性能,能防止發(fā)動機超載而熄火。泵的變量采用電子控制,根據(jù)車輛的實際負載,改變主泵或馬達的壓力或流量,從而實現(xiàn)恒功率控制,并能夠有效地改善整車的牽引動力特性,擴大行走速度的調(diào)節(jié)范圍。液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

每一個驅(qū)動輪由一個液壓馬達和行走減速機驅(qū)動,所有的液壓馬達并聯(lián),并由并聯(lián)的液壓泵合流驅(qū)動,與2臺相同的發(fā)動機連接。系統(tǒng)中采用DA控制功率變化,DA控制閥通過一個三位四通換向閥作用在液壓泵的變量油缸上,變量泵的斜盤傾角由變量油缸的位移調(diào)節(jié),而其位移是靠DA閥輸出的壓力控制,這樣,斜盤與泵的排量可無級調(diào)節(jié),隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升,DA閥產(chǎn)生的控制壓力增大,變量泵的排量增大,車輛行駛速度逐漸增大。當(dāng)液壓系統(tǒng)功率超出發(fā)動機最大輸出功率后,發(fā)動機失速,DA閥產(chǎn)生的壓力減小,液壓泵排量減小,車輛行駛速度下降,實現(xiàn)了恒功率驅(qū)動。如果運梁車增加了其他的外負載,導(dǎo)致負載總功率超過發(fā)動機最大輸出功率時,DA閥控制壓力下降,液壓泵排量減小,車輛行駛速度將下降,實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

運梁車采用2臺400 kW的發(fā)動機,耗油量大,從圖1可以看出,BF8M1015CP型發(fā)動機,滿負荷時,油量消耗較經(jīng)濟,而在最小負荷時,油量消耗并不是最低的,考慮到運梁車空載平地運行時所需的功率僅有307 kW,為了降低油耗,采用電比例控制技術(shù),即根據(jù)電氣信號無級控制馬達排量,在空載行駛以及其他負荷比較小的工況下,將液壓馬達的排量減小,提高運梁車的速度,同時提高液壓系統(tǒng)的工作壓力,從而加大液壓系統(tǒng)的吸收功率,將發(fā)動機轉(zhuǎn) 速控制在油耗最低的位置,節(jié)約能源。

圖2 行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)原理

5 結(jié)語

根據(jù)DCM900型模塊式運梁車技術(shù)參數(shù)的要求,在設(shè)計時,全面系統(tǒng)地分析了各種工況下的行走驅(qū)動功率,以最大功率作為發(fā)動機選擇的依據(jù),并采取先進的措施控制功率,實踐表明,該發(fā)動機在運梁車作業(yè)過程中能在各種工況下安全平穩(wěn)運行,極少發(fā)生熄火,與國內(nèi)其他同類產(chǎn)品相比,運行費用低。

[1]唐經(jīng)世.高速鐵路900噸級輪胎式運梁車的設(shè)計思考[J].工程機械,2005,36(6):36-38.

[2]朱學(xué)斌,南松,谷寶南,等.420t輪胎式箱梁運輸車設(shè)計研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2000(3):5-8.

[3]余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:17-31.

[4]陳宗好.汽車動力傳動系分析、優(yōu)化匹配的研究及軟件開發(fā)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2006:6-21.

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[6]張延.sxl384BP366載重車動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化匹配[D].長春:吉林大學(xué),2006:45-52.