TLC1000噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)

張 楊 劉培勇 杜寶鳳

（1.秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司，河北 秦皇島 066004；2.河北省重型裝備工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島066004）

隨著中國(guó)高鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，施工中所面臨的地形、地質(zhì)、環(huán)境條件越來(lái)越復(fù)雜，高鐵橋梁箱梁技術(shù)也在不斷地提升和突破。第1 次是600t、24m；第2 次是900t、32m；目前提升到了1000t、40m 及以上。

TLC1000 噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車是秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)水域多、丘陵、山地多、隧道多的施工特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造的一款新產(chǎn)品，車長(zhǎng)60m，寬8.8m，承載面高度1.3m，自重460t，額定載質(zhì)量1000t，是目前國(guó)內(nèi)單體最大的運(yùn)梁車。該設(shè)備含有31 條軸線、248 條輪胎，適用于1000t 重、40m 長(zhǎng)混凝土箱梁的運(yùn)輸作業(yè)，能夠把混凝土箱梁從預(yù)制場(chǎng)地通過(guò)便道、鐵路路基、橋梁運(yùn)至架梁工位，與架橋機(jī)配合完成相應(yīng)的架梁工作。此外，這個(gè)千噸級(jí)設(shè)備能夠馱運(yùn)架橋機(jī)實(shí)現(xiàn)橋間短途轉(zhuǎn)場(chǎng)，還可馱運(yùn)混凝土箱梁及架橋機(jī)通過(guò)客運(yùn)專線雙線隧道及隧道口喂梁。

1 TLC1000噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)行工況

TLC1000 噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車采用油缸驅(qū)動(dòng)多連桿分組轉(zhuǎn)向模式，每組由4～6 個(gè)輪組組成，共計(jì)12 組，并按照輪組位置和轉(zhuǎn)向角度關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)各個(gè)連桿長(zhǎng)度及連接位置，由液壓油缸推動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)走行過(guò)程中的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。該運(yùn)輸車油缸驅(qū)動(dòng)多連桿分組轉(zhuǎn)向模式采用開(kāi)式系統(tǒng)供油，轉(zhuǎn)向電磁閥控制液壓油缸驅(qū)動(dòng)多連桿實(shí)現(xiàn)輪組轉(zhuǎn)向。為了在多輪轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎不磨胎、不干涉，該運(yùn)輸車采用轉(zhuǎn)向編碼器實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)向角度信號(hào)、上層PLC 控制器精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)向電磁閥、下層轉(zhuǎn)向電磁閥控制液壓油缸伸縮量、液壓油缸驅(qū)動(dòng)連桿的模式，可實(shí)現(xiàn)多種轉(zhuǎn)向方式，如直線、八字、半八字及小角度斜行等。

2 TLC1000噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 單個(gè)輪組轉(zhuǎn)向力矩的計(jì)算

當(dāng)TLC1000 噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車的輪組轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎相對(duì)于回轉(zhuǎn)支承呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，兼有滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦，如圖1 所示。

圖1 輪組轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)輪胎式轉(zhuǎn)向阻力矩“雷索夫推薦公式”，可以計(jì)算出該運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向時(shí)單個(gè)輪組的轉(zhuǎn)向阻力矩。

單個(gè)懸掛輪組的最大轉(zhuǎn)向阻力矩Mz 如公式（1）所示。

式中：為單個(gè)懸掛輪組的最大承載，32 t；為滾動(dòng)阻力系數(shù)，0.06；為輪距，625 mm；為輪胎與地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，0.55；為輪胎的自由半徑，460 mm；R為輪胎的承載半徑，405 mm；為機(jī)械效率，0.95。

經(jīng)計(jì)算，該運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向時(shí)單個(gè)懸掛輪組的最大轉(zhuǎn)向阻力矩M為32212 N·m。

2.2 液壓轉(zhuǎn)向油缸的計(jì)算

TLC1000 噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車采用油缸驅(qū)動(dòng)多連桿分組轉(zhuǎn)向模式，每組由4～6 個(gè)輪組組成，共計(jì)12 組。其中A分組形式包括4 個(gè)輪組，共計(jì)6 組；B 分組形式包括5 個(gè)輪組，共計(jì)2 組；C 分組形式包括6 個(gè)輪組，共計(jì)4 組。

A 分組結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示，分組最大轉(zhuǎn)向阻力矩為4 倍的M（128848 N·m）。液壓系統(tǒng)提供的過(guò)液壓轉(zhuǎn)向油缸的壓力為28 MPa，液壓轉(zhuǎn)向油缸的最小轉(zhuǎn)向力臂為570 mm。選擇140/80 的轉(zhuǎn)向油缸（缸徑為140 mm，桿徑為80 mm），經(jīng)計(jì)算油缸推力為431026 N，拉力為290283 N?？梢蕴峁┑淖钚∞D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩為165461 N·m，大于分組

圖2 A 分組結(jié)構(gòu)形式示意圖

最大轉(zhuǎn)向阻力矩，滿足使用要求。

B 分組結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示，分組最大轉(zhuǎn)向阻力矩為5 倍的M（161060 N·m）。液壓系統(tǒng)提供的過(guò)液壓轉(zhuǎn)向油缸的壓力為28 MPa，液壓轉(zhuǎn)向油缸的最小轉(zhuǎn)向力臂為598 mm。選擇160/90 的轉(zhuǎn)向油缸（缸徑為160 mm，桿徑為90 mm），經(jīng)計(jì)算油缸推力為562973 N，拉力為384845 N?？梢蕴峁┑淖钚∞D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩為230137 N·m，大于分組最大轉(zhuǎn)向阻力矩，滿足使用要求。

圖3 B 分組結(jié)構(gòu)形式示意圖

C 分組結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示，分組最大轉(zhuǎn)向阻力矩為6 倍的M（193272 N·m）。液壓系統(tǒng)可以提供過(guò)液壓轉(zhuǎn)向油缸的壓力為28 MPa，液壓轉(zhuǎn)向油缸的最小轉(zhuǎn)向力臂為536mm。選擇160/90 的轉(zhuǎn)向油缸（缸徑為160mm，桿徑為90mm），經(jīng)計(jì)算油缸推力為562973 N，拉力為384845N?？梢蕴峁┑淖钚∞D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩為206277N·m，大于分組最大轉(zhuǎn)向阻力矩，滿足使用要求。

圖4 C 分組結(jié)構(gòu)形式示意圖

2.3 轉(zhuǎn)向連桿的計(jì)算

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向理論，可以得出同一軸線上各輪的理論轉(zhuǎn)角關(guān)系如公式（2）和圖5 所示。

圖5 阿克曼轉(zhuǎn)向理論圖

式中：為未知輪轉(zhuǎn)角，單位為DEG；為基準(zhǔn)輪轉(zhuǎn)角，單位為DEG；為未知輪與基準(zhǔn)輪的輪距，單位為mm；為軸線與回轉(zhuǎn)中心的距離，單位為mm。

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，可以得出不同軸線上各輪的理論轉(zhuǎn)角關(guān)系如公式（3）和圖6 所示。

圖6 轉(zhuǎn)向三角函數(shù)關(guān)系圖

式中：為未知輪轉(zhuǎn)角，單位為DEG；為基準(zhǔn)輪轉(zhuǎn)角，單位為DEG；為未知輪與基準(zhǔn)輪的輪距，單位為mm；為軸線與回轉(zhuǎn)中心的距離，單位為mm。

通過(guò)以上關(guān)系以及運(yùn)輸車實(shí)際工況與轉(zhuǎn)向要求，以分組內(nèi)第一軸線的內(nèi)側(cè)懸掛輪組為基準(zhǔn)輪，通過(guò)基準(zhǔn)輪的轉(zhuǎn)角變化，筆者可以求出整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)懸掛輪組的理論轉(zhuǎn)角。

由于該運(yùn)輸車采用油缸驅(qū)動(dòng)多連桿分組轉(zhuǎn)向模式，根據(jù)圖7 可知各輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角并不相同。實(shí)際轉(zhuǎn)角的邏輯關(guān)系如圖7 所示。

根據(jù)圖7 可知，內(nèi)外輪組的前后輪實(shí)際轉(zhuǎn)角的邏輯關(guān)系并不相同。如圖7 ①中的轉(zhuǎn)向板與連桿的情況，其基準(zhǔn)輪組與未知輪組的實(shí)際轉(zhuǎn)角邏輯關(guān)系如圖8 所示。

圖7 轉(zhuǎn)向關(guān)系圖

結(jié)合圖8，根據(jù)余玄定理可得出公式（4）、公式（5）。

圖8 ①型轉(zhuǎn)向關(guān)系圖

如圖7 ②中的轉(zhuǎn)向板與連桿的情況，其基準(zhǔn)輪組與未知輪組的實(shí)際轉(zhuǎn)角邏輯關(guān)系如圖9 所示。

結(jié)合圖9，根據(jù)余玄定理可得出公式（6）～公式（8）。

按照上述邏輯關(guān)系，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)向連桿的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)向連桿孔相對(duì)回轉(zhuǎn)中心的位置，可以得出一組近似于理論轉(zhuǎn)角的實(shí)際轉(zhuǎn)角。

分別調(diào)整轉(zhuǎn)向A、B、C 組的轉(zhuǎn)向連桿的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)向連桿孔相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心的位置，得到了一套最為理想的轉(zhuǎn)向連桿桿系。這套桿系保證了該運(yùn)輸車的最大轉(zhuǎn)向角度為±30°，八字、半八字及小角度斜行等各種轉(zhuǎn)向工況下，上層PLC 控制器一旦接受到方向盤指令，便進(jìn)行轉(zhuǎn)向程序計(jì)算，并同時(shí)控制12 片轉(zhuǎn)向電磁閥，12 片轉(zhuǎn)向電磁閥控制12 根液壓轉(zhuǎn)向油缸伸縮不同的長(zhǎng)度，12 組轉(zhuǎn)向連桿桿系分別驅(qū)動(dòng)62 組輪組同時(shí)轉(zhuǎn)向，62 組輪組的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角偏差最大可以控制在0.8°以內(nèi)。

考慮到該運(yùn)輸車使用的是重載寬基輪胎，0.8°的轉(zhuǎn)向誤差在多軸轉(zhuǎn)向的重型運(yùn)輸車設(shè)計(jì)使用中是完全可以接受的。

該文通過(guò)研究阿克曼轉(zhuǎn)向理論，模擬轉(zhuǎn)向輪組之間三角函數(shù)關(guān)系，應(yīng)用雷索夫推薦公式計(jì)算轉(zhuǎn)向力矩設(shè)計(jì)出來(lái)的油缸驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)多輪組轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，最大限度地保證了轉(zhuǎn)向平穩(wěn)順滑，有效地降低了重載寬基輪胎在轉(zhuǎn)向時(shí)的磨損，滿足了施工要求。

3 結(jié)語(yǔ)

TLC1000 噸級(jí)凹體型運(yùn)輸車共計(jì)31 個(gè)軸線，62 組懸掛。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如果采用油缸驅(qū)動(dòng)單獨(dú)輪組轉(zhuǎn)向模式，共需要62根轉(zhuǎn)向油缸，62 個(gè)轉(zhuǎn)向編碼器，上層PLC 控制器需要同時(shí)控制62 個(gè)轉(zhuǎn)向電磁閥。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如果采用油缸驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)多輪組的設(shè)計(jì)，只需要12 根轉(zhuǎn)向油缸，12 個(gè)轉(zhuǎn)向編碼器，上層PLC 控制器需要同時(shí)控制的轉(zhuǎn)向電磁閥數(shù)量也減少到12 個(gè)。通過(guò)二者的比較可知，油缸驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)多輪組的設(shè)計(jì)比油缸驅(qū)動(dòng)單獨(dú)輪組轉(zhuǎn)向模式減少了轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向編碼器及轉(zhuǎn)向電磁閥的數(shù)量，降低了硬件成本。減少上層PLC控制器需要同時(shí)控制的轉(zhuǎn)向電磁閥數(shù)量，可簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向控制程序，減少可能發(fā)生故障的點(diǎn)位。在滿足施工需求的前提下，施工單位也可降低施工設(shè)備的采購(gòu)成本，簡(jiǎn)化保養(yǎng)維修程序，減少維修保養(yǎng)人員數(shù)量。

圖9 ②型轉(zhuǎn)向關(guān)系圖

該運(yùn)輸車已于2021 年4 月份運(yùn)達(dá)南昌-景德鎮(zhèn)-黃山高鐵建設(shè)工程施工現(xiàn)場(chǎng)，并于當(dāng)月組裝調(diào)試完成。客戶驗(yàn)收測(cè)試表明該設(shè)備完全能夠滿足目前1000t/40m 混凝土箱梁的運(yùn)輸及對(duì)架橋機(jī)作業(yè)工況的配合。目前該設(shè)備已經(jīng)架梁70 余片，施工作業(yè)過(guò)程可靠、穩(wěn)定，客戶給予了高度評(píng)價(jià)。該設(shè)備的成功研制推動(dòng)了我國(guó)高端橋梁施工裝備技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高鐵技術(shù)的提升再創(chuàng)新，為推動(dòng)我國(guó)高鐵邁向400km/h 提供了技術(shù)支持與裝備保障。