單線箱梁YL550型運(yùn)梁車的研制與應(yīng)用

段啟楠

單線箱梁YL550型運(yùn)梁車適用于高速鐵路、客運(yùn)專線550t級(jí)單線混凝土箱梁的運(yùn)輸，能夠方便快捷的把梁片從預(yù)制場(chǎng)地運(yùn)至架梁工位，并能配合JQ55型架橋機(jī)完成架梁作業(yè)，同時(shí)還能馱運(yùn)箱梁和配套架橋機(jī)快速安全地通過時(shí)速250km、斷面半徑R3920mm的單線隧道。運(yùn)梁車具有雙向作業(yè)功能，無需調(diào)頭即可運(yùn)梁和架橋機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)馱運(yùn)。

1 550t級(jí)過隧運(yùn)梁車主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，單線箱梁YL550型運(yùn)梁車主要由車體、走行輪組、拖梁臺(tái)車、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、前后司機(jī)室、動(dòng)力室、液壓支腿等組成。

其中，車體采用單主梁魚腹式結(jié)構(gòu)；支腿設(shè)置在車體前后部主梁下端；走行輪組及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位于車體主梁兩腹板正下方；馱梁臺(tái)車位于車體軌道上方，與車體前端橡膠墊支座配合支撐馱運(yùn)箱梁；司機(jī)室位于車體前后端，且前端的伸出車體外，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。

圖1 YL550型運(yùn)梁車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

單線箱梁YL550型運(yùn)梁車既能滿足20～32m等跨及變跨高速鐵路、客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土單線單箱梁的運(yùn)輸，并配合架橋機(jī)完成架梁作業(yè)，也能滿足馱運(yùn)配套架橋機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 550t級(jí)低位運(yùn)梁車主要技術(shù)參數(shù)

1.1 車體

車體受力惡劣復(fù)雜，要求車體結(jié)構(gòu)必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度，而車體強(qiáng)度和剛度與車體結(jié)構(gòu)形式有很大的關(guān)系。運(yùn)梁車車體結(jié)構(gòu)形式主要有以下2種：

（1）單主梁式車體［1］［2］：由一根主梁和若干懸臂橫梁組成，具有抗扭性能好、承載能力大、抗變形能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn)，主要用在大噸位雙線箱梁運(yùn)梁車車體上。

（2）雙主梁式車體［3］：用焊接或螺栓連接將兩根主梁和中間若干橫梁連接成一個(gè)剛性框架。剛性框架結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)輕、安裝相對(duì)復(fù)雜，但中間空間大，走線布管簡(jiǎn)單，主要用在小噸位單線箱梁運(yùn)梁車車體上。

綜合考慮隧道斷面和實(shí)際受力需求，如圖2所示，單線箱梁YL550型運(yùn)梁車車體采用單主梁魚腹式結(jié)構(gòu)，車體主梁中間高，兩端矮，前后左右對(duì)稱，車體腹板正上方設(shè)有馱梁臺(tái)車走行軌道，前端設(shè)有馱梁支座，正下方設(shè)有與輪組連接的法蘭座。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，能有效控制整車的寬度和高度，滿足馱運(yùn)過隧的要求。

圖2 車體與支腿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采用ANSYS14.0對(duì)車體建立有限元模型。主要結(jié)構(gòu)采用板殼單元shell63模擬。車體材料采用Q345C板，其許用應(yīng)力為250MPa。計(jì)算運(yùn)梁車運(yùn)550t級(jí)箱梁行駛。考慮走行沖擊，取動(dòng)載系數(shù)1.1，通過計(jì)算分析得到：最大應(yīng)力為199MPa，小于許用應(yīng)力，如圖3所示，出現(xiàn)在變截面位置，強(qiáng)度滿足要求。最大靜擾度為152mm，如圖4所示。

圖3 車體單元平均應(yīng)力云圖

圖4 車體剛度云圖

1.2 走行輪組

單線箱梁YL550型運(yùn)梁車輪組布置在車體的兩側(cè)，采用雙胎并置的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)輪組與車體底部通過回轉(zhuǎn)支承螺栓連接；兩兩輪組通過連桿連接并由一個(gè)轉(zhuǎn)向油缸驅(qū)動(dòng)。在考慮到箱梁施工載荷和運(yùn)梁過隧通道限制的基礎(chǔ)上，走行輪組布置在車體底部，每軸輪組與車體通過螺栓連接。運(yùn)梁車共32個(gè)走行輪組通過車體連成一體，液壓懸掛均衡系統(tǒng)保證每個(gè)走行輪組均勻受載，使運(yùn)梁車能在凹凸不平的路面上行走。

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

常見運(yùn)梁車轉(zhuǎn)向按驅(qū)動(dòng)方式分，有獨(dú)立轉(zhuǎn)向和連桿轉(zhuǎn)向，存在以下特點(diǎn)：

（1）獨(dú)立轉(zhuǎn)向：每個(gè)輪組軸線由單獨(dú)的油缸驅(qū)動(dòng)，各油缸之間通過油路連接，實(shí)現(xiàn)全輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)八字、半八字、斜行，但成本高，控制復(fù)雜。

（2）連桿轉(zhuǎn)向：由連桿系連接各輪組軸線，通過油缸帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只能實(shí)現(xiàn)八字轉(zhuǎn)向，但成本低。

單線箱梁YL550型運(yùn)梁車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用獨(dú)立連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，即兩組輪組用連桿連接，用一套轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來完成轉(zhuǎn)向，既擁有獨(dú)立轉(zhuǎn)向的八字轉(zhuǎn)向、半八字轉(zhuǎn)向等功能，又有吸取連桿轉(zhuǎn)向成本低的優(yōu)點(diǎn)，如圖5所示。

1.4 液壓支腿

共設(shè)有2組伸縮油缸支腿：前支腿、后支腿。每個(gè)支腿設(shè)有1個(gè)油缸，通過螺栓與焊接箱型結(jié)構(gòu)成整體。在運(yùn)梁車空載下臨時(shí)停車或檢修，以及配合架橋機(jī)架設(shè)混凝土箱梁時(shí)使用。每個(gè)支腿伸縮油缸采用球鉸與底板相連。支腿底板采用大面積圓形板，保證在架設(shè)混凝土箱梁的正常支承，而且不超過其支撐箱梁的最大許用載荷。

圖5 兩輪組連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1.5 馱梁臺(tái)車

設(shè)1臺(tái)馱梁臺(tái)車，沿運(yùn)梁車主梁軌道走行，與架橋機(jī)吊梁小車同步拖梁走行，完成喂梁作業(yè)。

臺(tái)車總成為板式結(jié)構(gòu)，分為由上下臺(tái)車架組成，臺(tái)車與車體軌道及上下臺(tái)車架之間安裝剪磨板實(shí)現(xiàn)相互滑動(dòng)，下臺(tái)車架上設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)定位銷，實(shí)現(xiàn)上下臺(tái)車架沿中心回轉(zhuǎn)，滿足曲線梁馱運(yùn)喂梁對(duì)臺(tái)車偏轉(zhuǎn)要求；下臺(tái)車架側(cè)面設(shè)有導(dǎo)向板，用于避免臺(tái)車兩側(cè)走行一前一后，保證臺(tái)車在軌道上滑行；上臺(tái)車架上部設(shè)有橡膠座，用于馱運(yùn)箱梁時(shí)提供緩沖和防滑功能。每臺(tái)馱梁臺(tái)車設(shè)置有2個(gè)固定插銷，裝梁前需要將馱梁臺(tái)車與車體固定插銷，防止運(yùn)輸過程中馱梁臺(tái)車滑動(dòng)。

2 工作過程

單線箱梁YL550型運(yùn)梁車主要有運(yùn)梁、喂梁和馱運(yùn)架橋機(jī)3個(gè)功能。

（1）運(yùn)輸箱梁并配合架橋機(jī)喂梁工況。

①運(yùn)梁車走行到裝梁位，運(yùn)梁車輪組均衡升降調(diào)整處于中位狀態(tài)，液壓支腿下支，支撐到位；

②裝載箱梁。裝載箱梁中心相對(duì)整車懸掛合力中心左右偏移不得大于±50mm。

③液壓支腿收縮，運(yùn)梁車馱運(yùn)箱梁走行。

④運(yùn)梁接近架橋機(jī)尾部，用低速繼續(xù)行駛，運(yùn)梁車前司機(jī)室距架橋機(jī)中支腿約2.5m，將前司機(jī)室旋轉(zhuǎn)外折到箱梁側(cè)面，繼續(xù)蠕行。

⑤運(yùn)梁車車體前部距架橋機(jī)中支腿后面約0.44m處停車，運(yùn)梁車液壓支腿油缸下支，支撐到位。

⑥解除馱梁臺(tái)車與車體插銷固定，前小車提梁，與臺(tái)車同步拖拉走行。

⑦前小車與臺(tái)車同步拖拉梁片到位，后小車取梁，運(yùn)梁車返回梁場(chǎng)。

（2）馱運(yùn)架橋機(jī)工況。

運(yùn)梁車的載運(yùn)能力以及托架可支撐在車體軌道梁上，并可在軌道梁上走行，方便整體馱運(yùn)架橋機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)。

3 方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 降低馱梁平面高度及走行寬度

（1）魚腹式車體。車體主梁中間高，兩端低，前后左右對(duì)稱。車體腹板正上方設(shè)有馱梁臺(tái)車走行軌道，正下方設(shè)有與輪組連接的法蘭座。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，能有效控制整車的寬度和高度。

（2）板式馱梁臺(tái)車技術(shù)。馱梁臺(tái)車采用板式結(jié)構(gòu)，鏈牽滑動(dòng)走行，摒棄了以往輪軌走行方式，既省去傳統(tǒng)電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪在軌道上走行的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，又有效降低運(yùn)梁喂梁高度。

（3）懸掛輪組采用雙胎并置結(jié)構(gòu)和寬基小輪胎方案，不僅增大軸線載荷，同時(shí)降低懸掛高度。

以上3種設(shè)計(jì)方案有效降低了馱梁平面高度和走行寬度，滿足馱運(yùn)過隧的要求。如圖6所示，馱運(yùn)550t/32m箱梁過隧道R3920。整車處于中位狀態(tài)，考慮到輪胎重載50mm變形量，馱運(yùn)高度為2.8m。輪組升降調(diào)節(jié)范圍±300mm。

3.2 懸掛鉸點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

輪組懸掛的布置設(shè)計(jì)是運(yùn)梁車設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何在小空間下設(shè)計(jì)出具有承載能力強(qiáng)和滿足整車升降高度范圍的輪組，對(duì)單線箱梁YL550型運(yùn)梁車顯得尤為重要。

傳統(tǒng)輪組鉸點(diǎn)位置的確定是通過個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和不斷的試算得到滿足條件的結(jié)果，難以保證為最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。單線箱梁YL550型運(yùn)梁車根據(jù)實(shí)際需求，結(jié)合以往類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析輪組的已知參數(shù)，以懸掛液壓缸受力最小為目標(biāo)，空間尺寸為約束，建立數(shù)學(xué)模型求解，得到彎臂、擺動(dòng)臂、油缸三者之間的3個(gè)鉸點(diǎn)以及擺動(dòng)臂和車橋連接鉸點(diǎn)的最優(yōu)相對(duì)位置。如圖7為懸掛總成幾何模型和力學(xué)模型，并對(duì)模型的約束條件進(jìn)行了描述。限于篇幅，具體數(shù)學(xué)模型和分析計(jì)算過程見文獻(xiàn)［4］，鉸點(diǎn)相對(duì)位置計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖6 馱運(yùn)550t/32m箱梁過隧道R3920端面圖

圖7 懸掛總成幾何模型和力學(xué)模型

由于運(yùn)梁車輪組調(diào)整量為2815±300mm，所選輪胎直徑為1096mm。回轉(zhuǎn)支承和彎臂擺臂處鉸點(diǎn)結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整范圍為800±300mm。

圖8 為基于VB參數(shù)化設(shè)計(jì)計(jì)算平臺(tái)

4 應(yīng)用

試制的低位過隧運(yùn)梁車于2017年2月在連鎮(zhèn)鐵路得到成功應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用情況證明，運(yùn)梁車各項(xiàng)性能良好，全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高了施工效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 沈超，諶興. 含架梁支撐的900t過隧運(yùn)梁車研制與應(yīng)用［J］. 山東工業(yè)技術(shù)，2016（9）：272-273.

［2］ 李維玲，王英琳. 900t級(jí)低位過隧運(yùn)梁車［J］. 建筑機(jī)械，2014（4）：111-114.

［3］ 魏菲. YLX450輪胎式運(yùn)梁車［J］. 建筑機(jī)械，2012（13）：108-112.

［4］ 羅璞，唐婭玲. 基于VB的模塊運(yùn)輸車輪組結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 工程機(jī)械，2014（3）：26-31.