劉培勇,張 楊,杜寶鳳,馮 旭,王金祥
(秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司,河北 秦皇島 066000;河北省重型裝備技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 秦皇島 066000)
截至2020年底,中國高速鐵路運(yùn)營里程達(dá)到近40 000 km,橋梁的比例占比約50%~60%,甚至高達(dá)80%,這其中大部分是32 m/900 t級別的混凝土箱梁。目前,高速鐵路發(fā)展比較集中在丘陵、軟土、西南山系較為復(fù)雜的地區(qū),混凝土箱梁的跨度加大成為必然趨勢,從2016年開始,中國就開始進(jìn)行1 000 t/40 m級別的大跨度簡支梁關(guān)鍵技術(shù)研究,在降低橋梁修建成本的同時(shí)也節(jié)約了國家的土地資源。
該1 000 t級運(yùn)輸設(shè)備可把1 000 t/40 m混凝土預(yù)制箱梁從預(yù)制場地運(yùn)至架梁工位,配合架橋機(jī)完成箱梁架設(shè)作業(yè);可馱運(yùn)1 000 t/40 m架橋機(jī)進(jìn)行橋間短距離轉(zhuǎn)場作業(yè);可馱運(yùn)預(yù)混凝土箱梁及架橋機(jī)通過雙線隧道及隧道口喂梁。
運(yùn)輸車主要包括主梁結(jié)構(gòu)、車輪組總成、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、馱載機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等零部件,TLC1 000 t運(yùn)輸車三維模型如圖1所示。
圖1 TLC1 000 t運(yùn)輸車三維模型
整機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)如下:額定裝載質(zhì)量為1 000 t,軸線/懸掛為31/62,驅(qū)動軸/從動軸數(shù)量為9/22,空載車速為10 km/h、滿載車速為5 km/h,縱坡爬坡能力為4%、橫坡爬坡能力為4%,輪胎規(guī)格/數(shù)量為355/65R18/248,發(fā)動機(jī)TCD2015V08功率為500 kW,平臺升降行程為±220 mm,轉(zhuǎn)向角度為±25°,環(huán)境溫度為﹣20~50℃,車輛自身質(zhì)量為460 t。
主梁結(jié)構(gòu)由兩側(cè)邊縱梁、中間縱梁、八道橫梁組成,形成三縱八橫的網(wǎng)格狀槽型式結(jié)構(gòu)。
車架形式均為箱型梁結(jié)構(gòu),兩側(cè)邊縱梁材質(zhì)為Q355,中間縱梁及八道橫梁材質(zhì)為Q550,其承載結(jié)構(gòu)具有很高的強(qiáng)度和剛度,經(jīng)過三維仿真分析其剛度變形控制在90 mm以內(nèi);兩側(cè)邊縱梁和中間縱梁均分成5段,各分段采用高強(qiáng)度螺栓連接;同樣,橫梁和縱梁均設(shè)置法蘭采用螺栓連接,各段結(jié)構(gòu)分解后的最小單元滿足公路、鐵路運(yùn)輸限界要求。
車輪組主要分為驅(qū)動懸架結(jié)構(gòu)和從動懸架結(jié)構(gòu),是主要的承載部件,由回轉(zhuǎn)軸承、懸掛體、懸掛油缸、驅(qū)動單元或者從動單元、輪胎等元件構(gòu)成。
驅(qū)動懸架結(jié)構(gòu)主要是由液壓馬達(dá)+減速機(jī)形成驅(qū)動組件,為運(yùn)輸車提供走行的動力;從動懸架結(jié)構(gòu)主要是承載車橋隨動走行單元,部分車橋裝有制動元件,可以滿足運(yùn)輸車輛制動性能的要求。
懸架結(jié)構(gòu)采用鉸接形式,通過機(jī)械軸的擺動適應(yīng)橫披的變化;懸掛油缸串聯(lián)后可以起到減振緩沖的作用,可適應(yīng)縱向坡度的變化;通過設(shè)置液壓系統(tǒng),可單個(gè)車輛上下調(diào)節(jié)或者多個(gè)輪組同時(shí)調(diào)節(jié)。懸掛油缸分組串聯(lián)的另外一個(gè)作用是保證每個(gè)懸掛車輛的承載基本相同,當(dāng)運(yùn)輸車行駛在縱向或者橫向不規(guī)則路面時(shí),油缸的行程會根據(jù)路面高低進(jìn)行自動伸縮補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車水平狀態(tài)的行走,提高運(yùn)輸設(shè)備的通過性能。
液壓懸掛的串聯(lián)分組,可避免混凝土預(yù)制箱梁在運(yùn)輸過程中受扭,通過液壓懸掛分組串聯(lián),形成3個(gè)或4個(gè)理論支承點(diǎn),組成一個(gè)穩(wěn)定的三點(diǎn)受力體系,運(yùn)輸車和混凝土箱梁均為對稱結(jié)構(gòu),裝載時(shí)只要保證其幾何中心與運(yùn)輸車中心保持基本一致,混凝土箱梁便不會產(chǎn)生軸向扭矩,保證運(yùn)輸?shù)陌踩阅堋?/p>
當(dāng)運(yùn)輸車配合架橋機(jī)進(jìn)行喂梁時(shí),運(yùn)輸車便會由三點(diǎn)或四點(diǎn)支承體系轉(zhuǎn)換為多點(diǎn)超靜定支承體系,受力支點(diǎn)縮小或增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時(shí)也降低了縱向鋼結(jié)構(gòu)的彎矩和剛度;同時(shí)由于是在靜止?fàn)顟B(tài)下從靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成超靜定結(jié)構(gòu),箱混凝土箱梁對運(yùn)輸車的支反力并沒發(fā)生變化,因此仍能保持箱梁的受力狀態(tài)。
本車采用獨(dú)立+連桿分組轉(zhuǎn)向模式,每組由4~6個(gè)懸架組成,共分成12組,按照輪組位置和轉(zhuǎn)向角度關(guān)系進(jìn)行差分計(jì)算,設(shè)計(jì)各個(gè)連桿角度及連接點(diǎn),由液壓油缸推動連桿完成轉(zhuǎn)向動作。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角度由駕駛員在司機(jī)室中操縱方向盤進(jìn)行控制,方向盤下端連接角度傳感器,轉(zhuǎn)向指令信號進(jìn)入控制程序中,上層PLC按照轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)定的運(yùn)行模式進(jìn)行解析計(jì)算,得出各個(gè)輪組實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角,下層控制器按照轉(zhuǎn)角指令控制液壓比例閥組,以推動轉(zhuǎn)向油缸伸縮,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向功能。同時(shí),轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角度傳感器可以進(jìn)行實(shí)時(shí)角度信號反饋,與控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)角指令進(jìn)行對比和PID控制,形成閉環(huán)控制系統(tǒng),此轉(zhuǎn)向模式精度可最小為0.5°。根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置和轉(zhuǎn)角模式控制,可實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)向模式,如直線、八字、半八字及小角度斜行等。
馱載機(jī)構(gòu)設(shè)置了前后2套馱梁系統(tǒng),前部機(jī)構(gòu)為循環(huán)拖鏈系統(tǒng),馱載小車可在0~8 m范圍內(nèi)前后移動;后部馱載小車可在0~40 m范圍內(nèi)移動,以滿足混凝土箱梁配合架橋機(jī)的喂梁作業(yè)。
馱載小車均由車架、重物移位器及動力裝置組成。小車車架主要由1件橫梁、2件縱梁組成,橫梁直接承載混凝土箱梁的質(zhì)量,縱梁安裝重物移位器。每馱載小車均配有4個(gè)重物移位器,由電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動鏈條,鏈條的末端帶動馱載小車沿鋪設(shè)在運(yùn)輸車中間縱梁上的鋼軌滾動,馱載小車的移動速度與架橋機(jī)小車速度一致,可以進(jìn)行同步聯(lián)動作業(yè)。
運(yùn)輸車運(yùn)梁到架橋機(jī)后端停穩(wěn)后,前后頂升油缸同時(shí)頂起混凝土梁。馱載小車進(jìn)入混凝土梁下部支撐位置,收回頂升油缸,將混凝土梁落到小車上。運(yùn)梁車支撐油缸支撐到位,馱梁小車配合架橋機(jī)進(jìn)行喂梁作業(yè)。
TLC1 000 t運(yùn)輸車配備2臺500 kW道依茨發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)后端連接分動箱,各自帶2臺動驅(qū)動閉式油泵和1臺轉(zhuǎn)向開式油泵,并聯(lián)后形成液壓動力系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)由閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)組成,閉式系統(tǒng)主要是行走系統(tǒng),開式系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向、懸掛、支腿、冷卻、制動等工作系統(tǒng)組成。
在行走閉式系統(tǒng)中,液壓泵的進(jìn)油管和行走執(zhí)行元件(液壓馬達(dá))的回油管直接相連,工作液壓油在系統(tǒng)的管路中進(jìn)行封閉循環(huán),形成由電液比例閥控制的閉式油路。執(zhí)行元件的變速和換向調(diào)節(jié)均可通過調(diào)節(jié)液壓泵或者液壓馬達(dá)的變量機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),具有傳動緊湊、平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)。液壓開式系統(tǒng)采用恒功率+負(fù)荷傳感控制技術(shù),外負(fù)荷的變化可通過系統(tǒng)壓力元件感知并反饋到液壓系統(tǒng),根據(jù)外負(fù)載的需求可自動調(diào)節(jié)變量泵的輸出流量和工作壓力,使各個(gè)子系統(tǒng)總保持在需求和輸出的最佳匹配狀態(tài)。
液壓系統(tǒng)所選元件具有很強(qiáng)的替換性能,泵站、閥組布置合理,維修拆洗簡單方便,在液壓泵站的上方安裝壓力表,可以方便觀察系統(tǒng)壓力。
電氣控制系統(tǒng)是基于智能化的CAN-BUS(Control Area Network控制器局域網(wǎng))總線控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)主要由多個(gè)控制器、編碼器及多個(gè)信號感知元件等組成,2個(gè)顯示器分別位于主、副駕駛室,控制器、顯示器和編碼器采用總線形式連接。
控制器選用進(jìn)口品牌工程機(jī)械專業(yè)產(chǎn)品,使運(yùn)輸車具有操作靈活、轉(zhuǎn)向反應(yīng)快速、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。該控制器防護(hù)級別達(dá)到IP67級,非常適合在大范圍溫度變化、強(qiáng)烈電磁干擾、激烈震動、鹽霧侵蝕等惡劣條件下工作,該控制器可以集邏輯編程、比例放大、模擬量輸入輸出等多功能于一體,其高性能的控制可以為特種運(yùn)輸設(shè)備帶來更方便、更可靠的使用體驗(yàn)。
顯示屏為彩色圖形文本混合顯示器,它用CAN-BUS接口與控制器通過CAN總線相連,可以使用屏幕上的功能鍵進(jìn)行翻屏,顯示電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等的實(shí)時(shí)參數(shù),并可對相應(yīng)動作進(jìn)行現(xiàn)場操作等。
整車?yán)^續(xù)沿用凹體型截面設(shè)計(jì),承載主梁為三縱八橫梁格柵式結(jié)構(gòu)。整機(jī)的液壓傳動系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備行走驅(qū)動、載荷支撐、行走轉(zhuǎn)向、懸架起升和下降等作業(yè)動作,控制系統(tǒng)具有失速保護(hù)和調(diào)速功能,能保證施工作業(yè)對象姿態(tài)正確及準(zhǔn)確對位作業(yè)對象,可保證運(yùn)輸車和架橋機(jī)裝備協(xié)同作業(yè),通過對液壓系統(tǒng)液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸、液壓控制閥及散熱系統(tǒng)等液壓元件的選型與匹配,提高液壓系統(tǒng)的可靠性[1]。
電氣系統(tǒng)基于穩(wěn)定的策略控制電氣與液壓驅(qū)動系統(tǒng),通過調(diào)速、連鎖、互鎖、失速保護(hù)等功能,避免設(shè)備出現(xiàn)誤動作,減少各系統(tǒng)啟制動時(shí)的沖擊,解決設(shè)備協(xié)同作業(yè)同步問題,準(zhǔn)確對位作業(yè)對象。
開發(fā)“架運(yùn)提”的安全監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng),通過檢測結(jié)構(gòu)應(yīng)力、部件姿態(tài)與位置、運(yùn)行速度、風(fēng)速、磨損、振動等指標(biāo)參數(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)測“架運(yùn)提”的工作狀態(tài),及時(shí)對裝備的安全狀態(tài)作出正確評判,通過對監(jiān)測信號的分析,對故障及隱患進(jìn)行診斷與預(yù)判,為“架運(yùn)提”裝備的維修和維護(hù)提供依據(jù),避免“架運(yùn)提”裝備帶病作業(yè),引發(fā)重大安全事故。同時(shí)采用無線傳輸技術(shù)、云平臺技術(shù)實(shí)時(shí)傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)到施工管理部門、技術(shù)部門以及生產(chǎn)單位的監(jiān)測系統(tǒng),以利于對“架運(yùn)提”的施工管理。
TLC1 000 t運(yùn)輸車屬于大型運(yùn)輸裝備,其安全性能至關(guān)重要,也是衡量運(yùn)輸車輛重要性能的關(guān)鍵技術(shù),主要體現(xiàn)在硬件和軟件方面,具體如下。
運(yùn)輸車配置了安全有效的制動系統(tǒng),包括行車制動、駐車制動與緊急制動3種制動模式,該系統(tǒng)除了能夠提供足夠的制動力外還對制動減速度進(jìn)行了控制。行車制動主要通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),由于液壓油的不可壓縮性能,當(dāng)司機(jī)緩慢抬起腳踏板時(shí),液壓泵的排量隨之減少,馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低,在液壓阻尼的作用下,運(yùn)輸車緩慢降速實(shí)現(xiàn)制動;駐車用行星減速機(jī)的多片式常閉制動器進(jìn)行制動,當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力到達(dá)2~33.5 MPa時(shí),制動腔的液壓力會克服彈簧力使疊片分開,制動隨之解除;緊急制動采用氣制動模式,緊急情況下,司機(jī)踩下緊急制動踏板,制動輪系統(tǒng)快速減速實(shí)現(xiàn)緊急制動。
運(yùn)輸車安裝了防撞和定位系統(tǒng)。為了精確測量前面架橋機(jī)的距離,在運(yùn)輸車的主梁前端配備了激光測距儀,運(yùn)輸車距離架橋機(jī)10 m范圍內(nèi),司機(jī)室內(nèi)會報(bào)警提示運(yùn)輸車減速行駛,緩慢行至300 mm時(shí)停車。此控制模式可以實(shí)現(xiàn)提前減速和制動控制,從而避免運(yùn)輸車和架橋機(jī)發(fā)生碰撞,增加了設(shè)備作業(yè)的安全性能。
配備了胎壓監(jiān)測系統(tǒng),利用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測輪胎的充氣氣壓,防止輪胎氣壓偏低或突然漏氣,借助壓力信號,將信息傳送到控制系統(tǒng)的中央接收器中,系統(tǒng)對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,出現(xiàn)異常給予報(bào)警提醒,駕駛員可以根據(jù)報(bào)警信息快速鎖定故障輪胎位置,停車檢查輪胎或者進(jìn)行維修更換[2-3]。
液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用牽引力分配及超速保護(hù)控制,對所有的驅(qū)動馬達(dá)進(jìn)行并聯(lián)方式連接,并輔以數(shù)字差速方式使各驅(qū)動單元輸出的牽引力基本接近,并能有效地進(jìn)行防打滑控制。每個(gè)驅(qū)動輪胎裝1個(gè)變量的液壓馬達(dá),通過輪邊減速器對輪胎進(jìn)行驅(qū)動,馬達(dá)內(nèi)置轉(zhuǎn)速傳感器,轉(zhuǎn)速信號可以進(jìn)入控制器。當(dāng)液壓馬達(dá)的排量相等時(shí),其輸出的扭矩也相等,所以各輪牽引力相等。當(dāng)某個(gè)車輪因附著力不夠或者陷入泥濘坑洼時(shí),輪胎發(fā)生打滑而高速轉(zhuǎn)動,液壓馬達(dá)的瞬間轉(zhuǎn)速會大大超過設(shè)定的平均轉(zhuǎn)速,此時(shí)比例閥會自動減小此馬達(dá)流量并加大其排量,車輪轉(zhuǎn)速立即降低,直至到達(dá)其容許轉(zhuǎn)速。
懸掛升降管路設(shè)計(jì)中采用雙防爆安全閥對管道防爆進(jìn)行保護(hù),當(dāng)升降的管路爆裂或油缸出現(xiàn)故障時(shí),防爆閥可迅速關(guān)閉故障的油路及其支路,懸掛油缸可以繼續(xù)起到載荷支撐的作用,從而避免車輛因局部下降導(dǎo)致其他危險(xiǎn)的發(fā)生。
運(yùn)輸車配備了視頻監(jiān)控系統(tǒng),駕駛室觸摸屏與PLC系統(tǒng)相連,可監(jiān)視車輛運(yùn)行過程中各種參數(shù)變化,為操作者快速提供信息及報(bào)警故障文字信息。同時(shí),駕駛室內(nèi)設(shè)置有蜂鳴及聲光報(bào)警裝置,當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測出操作故障后故障報(bào)警系統(tǒng)會自動啟動。操作人員在司機(jī)室內(nèi)可以清楚地看到運(yùn)輸車四周情況,以便于駕駛員人員執(zhí)行各種動作,提高行駛的安全性,降低駕駛?cè)藛T的工作強(qiáng)度[4]。
運(yùn)輸車上多處設(shè)置急停開關(guān)和限位開關(guān),運(yùn)輸車四角和司機(jī)室內(nèi)都設(shè)置了急停開關(guān),當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)拍下急停開關(guān),運(yùn)輸車可以快速停止運(yùn)動,保護(hù)操作人員及設(shè)備安全;運(yùn)輸車上設(shè)聚氨酯緩沖器和行走限位開關(guān),馱梁臺車行走到喂梁位置時(shí)自動停止。
TLC1 000 t運(yùn)輸車于2021年4月在昌景黃項(xiàng)目施工現(xiàn)場開始組裝并完成調(diào)試,試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果證明該設(shè)備完全能夠滿足目前1 000 t/40 m混凝土箱梁的運(yùn)輸及配合架橋機(jī)作業(yè)工況。目前該設(shè)備已經(jīng)架梁70余片,施工作業(yè)過程可靠、穩(wěn)定,施工單位給予了高度評價(jià)。該設(shè)備的成功研制推動了中國高端橋梁施工裝備技術(shù)的快速發(fā)展,具有較大的市場潛力。