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(yùn)梁車在橋梁施工中的應(yīng)用越來越廣,箱梁的運(yùn)輸、架橋機(jī)的遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場(chǎng)都是通過運(yùn)梁車來實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)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(gè)廠家相應(yīng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了模塊式運(yùn)梁車,其動(dòng)力設(shè)計(jì)是否安全直接影響車輛的本質(zhì)安全,影響運(yùn)梁車正常作業(yè)及運(yùn)行費(fèi)用。本文針對(duì)某廠家設(shè)計(jì)的DCM900型模塊式運(yùn)梁車的動(dòng)力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,以期提高所設(shè)計(jì)運(yùn)梁車的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,保證施工安全順利進(jìn)行。

1 模塊式運(yùn)梁車基本組成

模塊式運(yùn)梁車采用模塊化拼裝方式,可根據(jù)需要對(duì)多個(gè)模塊進(jìn)行組合,以達(dá)到理想的平臺(tái)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(yùn)梁車由2個(gè)動(dòng)力模塊車和多個(gè)從動(dòng)模塊掛車組成,共有84個(gè)懸掛,336個(gè)輪胎,形成4縱列21軸線承載平臺(tái)。動(dòng)力模塊位于運(yùn)梁車前端,由機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件、聯(lián)軸器、分動(dòng)箱、液壓泵、液壓油箱、燃油箱、蓄電池等組成。在平臺(tái)上放置分載梁,分載梁與車架平臺(tái)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(gè)車橋上。運(yùn)梁車依靠液壓系統(tǒng)將動(dòng)力傳給車輪,其傳動(dòng)路線為:發(fā)動(dòng)機(jī)→驅(qū)動(dòng)油泵→控制閥→液壓馬達(dá)→輪邊減速箱→車輪。DCM900型模塊式運(yùn)梁車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 DCM900型模塊式運(yùn)梁車主要技術(shù)參數(shù)

模塊式運(yùn)梁車在施工作業(yè)中,運(yùn)行速度低、運(yùn)輸距離長,車輛在橋面行駛時(shí)要求行駛路線精確,不允許發(fā)生較大偏差而對(duì)橋梁造成損壞。這樣的運(yùn)輸條件,如果完全由人工駕駛和控制,其勞動(dòng)強(qiáng)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(yùn)梁車動(dòng)力運(yùn)行必須平穩(wěn)安全,且能根據(jù)工況的變化自動(dòng)調(diào)節(jié),即使發(fā)動(dòng)機(jī)過載掉速,其輸出轉(zhuǎn)矩也應(yīng)有較多的裕度,確保運(yùn)梁安全、高效。為此,設(shè)計(jì)時(shí)就要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行合理的計(jì)算,并采取先進(jìn)的控制措施。[2]

2 工作阻力計(jì)算

運(yùn)梁車工作時(shí),受到的阻力主要有運(yùn)行阻力、坡道阻力、起步加速慣性力,選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí),應(yīng)考慮它的最大工作阻力工況,[3]其計(jì)算公式為:

式中:F——運(yùn)梁車最大工作阻力;

F1——運(yùn)行阻力;

F2——坡道阻力;

F3——起步加速慣性力。

式中:G——運(yùn)梁車的重力,N;

f——車輛的滾動(dòng)阻力系數(shù);

α——道路的坡道角。

運(yùn)梁車的坡道阻力F2為:

運(yùn)梁車的起步加速慣性阻力F3為:

式中 :F31——運(yùn)梁車平動(dòng)質(zhì)量的慣性阻力(N);

F32——運(yùn)梁車轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的慣性阻力(N)。

一般情況下,運(yùn)梁車在進(jìn)行作業(yè)時(shí),行駛速度較小,轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的慣性阻力可忽略不計(jì)。

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(shí)間,一般取t=1.0～1.5(s)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

運(yùn)梁車運(yùn)行所需發(fā)動(dòng)機(jī)功率為:

式中:F——運(yùn)梁車運(yùn)行時(shí)的最大工作阻力(N);

V——運(yùn)梁車的行駛速度(m/s);

η—— 傳動(dòng)效率,η=0.685。

運(yùn)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(yùn)行工況。廠家在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí),通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn),以滿載平地工況計(jì)算。運(yùn)梁車的負(fù)載特性是:滿載時(shí)速度較低,運(yùn)行阻力大;空載時(shí)速度較高,運(yùn)行阻力小,所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率比較經(jīng)濟(jì)。設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率時(shí),筆者認(rèn)為應(yīng)該分析該發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)的運(yùn)行阻力最大,所以只要計(jì)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(jì)算,也只要計(jì)算滿載爬坡的功率,只要設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)梁車滿載平地運(yùn)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(yùn)梁車滿載平地運(yùn)行時(shí),取最高運(yùn)行速度V=5 km/h,故所需功率為:

郁達(dá)夫與梁實(shí)秋論爭(zhēng)時(shí)，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(shí)候持續(xù)翻譯了Mammonart的19個(gè)章節(jié)。

3.2 運(yùn)梁車滿載爬坡運(yùn)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(yùn)梁車滿載爬坡運(yùn)行時(shí),取最高運(yùn)行速度V=1.5 km/h,所需功率為:

3.3 運(yùn)梁車空載平地運(yùn)行

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

運(yùn)梁車空載平地運(yùn)行時(shí),取最高運(yùn)行速度V=10 km/h,所需功率為:

3.4 運(yùn)梁車滿載爬坡加速運(yùn)行

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

運(yùn)梁車滿載加速運(yùn)行時(shí),取最長加速時(shí)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(yùn)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(dòng)機(jī)過載熄火。為了克服這種現(xiàn)象,在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力部件的功率消耗及效率,發(fā)動(dòng)機(jī)的選型既要滿足功率大小,又要考慮對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性,[5]通過對(duì)幾個(gè)主要發(fā)動(dòng)機(jī)廠家參數(shù)調(diào)研,選用2臺(tái)相同的DEUTZ公司生產(chǎn)的BF8M1015CP型發(fā)動(dòng)機(jī),每臺(tái)功率為400 kW,轉(zhuǎn)速2 100 r/min,BF8M1015CP型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)復(fù)雜多變的工況適應(yīng)性強(qiáng),特別適用于工程機(jī)械野外作業(yè),在低速時(shí)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(dòng)機(jī)外特性參數(shù)

從圖1可以看出:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)梁車在工作過程中瞬時(shí)、小量的過載,保持發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。此外,選用2臺(tái)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)和并聯(lián)的液壓系統(tǒng)相匹配,可以實(shí)現(xiàn)功率互補(bǔ)。

DCM900型模塊式運(yùn)梁車是重載工程機(jī)械,模塊多,驅(qū)動(dòng)輪多,工況又多變,如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)或液力機(jī)械傳動(dòng),有級(jí)變化的檔位不能與負(fù)荷要求實(shí)現(xiàn)最合理匹配,同時(shí),操作復(fù)雜,容易發(fā)生事故,無法保證運(yùn)梁車安全作業(yè)。采用液壓傳動(dòng),并采用適當(dāng)?shù)目刂蒲b置與其進(jìn)行配合,就可以得到理想的傳動(dòng)系統(tǒng),它能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及其輸出轉(zhuǎn)矩因適應(yīng)外部負(fù)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(yùn)梁車的行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)采用變量泵、變量馬達(dá)組成的閉式系統(tǒng),具有精細(xì)的無級(jí)速度調(diào)節(jié)和良好的控制性能,能防止發(fā)動(dòng)機(jī)超載而熄火。泵的變量采用電子控制,根據(jù)車輛的實(shí)際負(fù)載,改變主泵或馬達(dá)的壓力或流量,從而實(shí)現(xiàn)恒功率控制,并能夠有效地改善整車的牽引動(dòng)力特性,擴(kuò)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪由一個(gè)液壓馬達(dá)和行走減速機(jī)驅(qū)動(dòng),所有的液壓馬達(dá)并聯(lián),并由并聯(lián)的液壓泵合流驅(qū)動(dòng),與2臺(tái)相同的發(fā)動(dòng)機(jī)連接。系統(tǒng)中采用DA控制功率變化,DA控制閥通過一個(gè)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(jí)調(diào)節(jié),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)最大輸出功率后,發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)了恒功率驅(qū)動(dòng)。如果運(yùn)梁車增加了其他的外負(fù)載,導(dǎo)致負(fù)載總功率超過發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率時(shí),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(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

運(yùn)梁車采用2臺(tái)400 kW的發(fā)動(dòng)機(jī),耗油量大,從圖1可以看出,BF8M1015CP型發(fā)動(dòng)機(jī),滿負(fù)荷時(shí),油量消耗較經(jīng)濟(jì),而在最小負(fù)荷時(shí),油量消耗并不是最低的,考慮到運(yùn)梁車空載平地運(yùn)行時(shí)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(hào)無級(jí)控制馬達(dá)排量,在空載行駛以及其他負(fù)荷比較小的工況下,將液壓馬達(dá)的排量減小,提高運(yùn)梁車的速度,同時(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)液壓系統(tǒng)原理

5 結(jié)語

根據(jù)DCM900型模塊式運(yùn)梁車技術(shù)參數(shù)的要求,在設(shè)計(jì)時(shí),全面系統(tǒng)地分析了各種工況下的行走驅(qū)動(dòng)功率,以最大功率作為發(fā)動(dòng)機(jī)選擇的依據(jù),并采取先進(jìn)的措施控制功率,實(shí)踐表明,該發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)梁車作業(yè)過程中能在各種工況下安全平穩(wěn)運(yùn)行,極少發(fā)生熄火,與國內(nèi)其他同類產(chǎn)品相比,運(yùn)行費(fèi)用低。

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