TLC1 000 t 級凹體型運(yùn)輸車研制＊

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。

1 TLC1 000 t凹體型運(yùn)輸車主要結(jié)構(gòu)

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。

1.1 主梁結(jié)構(gòu)

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。

1.2 車輪組總成

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)。

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

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。

1.4 馱載機(jī)構(gòu)

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)。

1.5 發(fā)動機(jī)及液壓系統(tǒng)

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。

1.6 電氣控制系統(tǒng)

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。

2 1 000 t凹體型運(yùn)輸車的技術(shù)特點(diǎn)

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。

3 1 000 t凹體型運(yùn)輸車的安全性研究

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。

4 結(jié)束語

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。