李艷兵，陳學(xué)斌，馮海青，夏剛睿

(湖北三江航天萬山特種車輛有限公司重型工程裝備研究所，湖北孝感 432000)

0 引言

平板運(yùn)輸車是一種自帶動(dòng)力、靜液壓驅(qū)動(dòng)[1]、液壓懸掛升降、可實(shí)現(xiàn)多車組合并車的重型運(yùn)輸設(shè)備，應(yīng)用于各種大型設(shè)備運(yùn)輸。重型裝備運(yùn)輸車廣泛應(yīng)用于各種大件的運(yùn)輸，因此其安全性設(shè)計(jì)[2]就顯得尤為重要。

為保證運(yùn)輸車安全運(yùn)輸，本文作者對(duì)某重型平板車的安全性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從冗余設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)、容錯(cuò)安全性設(shè)計(jì)、安全報(bào)警裝置設(shè)計(jì)和安全可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)等方面總結(jié)安全性設(shè)計(jì)要點(diǎn)，有利于改進(jìn)完善和提高設(shè)備安全性，并且對(duì)其他液壓系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)也提供一些借鑒和參考。

1 某重型裝備運(yùn)輸車系統(tǒng)組成

某型號(hào)平板車總長(zhǎng)為14 600 mm 、寬度為5 500 mm、正常行駛的高度為1 940 mm，該型號(hào)平板車主要由動(dòng)力系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓提升系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、車架、微控系統(tǒng)、儀表電氣系統(tǒng)、駕駛室等部分組成，其二維模型總圖如圖1所示。

圖1 某型號(hào)平板車二維模型總圖

該平板車主要通過內(nèi)部的微控系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)外界使用需求，通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力和流量，對(duì)外實(shí)現(xiàn)油路的壓力和流量輸出。平板車的車架總成、液壓系統(tǒng)和微控系統(tǒng)三大部分組成及功能如下：

(1)車架作為承載單元，采用工字型鋼、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，主要由左右邊梁、兩件橫梁總成、兩件前橫梁等組成，材料采用Q345B。剛性高，抗彎矩能力強(qiáng)；在受到扭力作用時(shí)，柔性好。整車能承載1.1倍動(dòng)載荷和1.25倍靜載荷；

(2)液壓系統(tǒng)主要由液壓提升系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓冷卻系統(tǒng)組成。液壓提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛載貨平臺(tái)升降功能，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛懸架轉(zhuǎn)向功能，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛行駛功能，液壓冷卻系統(tǒng)組成實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)和液壓油冷卻功能；

(3)微控系統(tǒng)主要由人機(jī)操控面板、控制箱、控制開關(guān)、電纜等組成。微控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)平板車多模式轉(zhuǎn)向(包括普通駕駛模式、汽車駕駛模式、斜向駕駛模式、橫向駕駛模式、原地轉(zhuǎn)圈模式、角向90°駕駛模式和復(fù)位)控制，完成平板車行走時(shí)的速度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板車升降功能的控制，實(shí)時(shí)對(duì)平板車工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和越限報(bào)警。

2 某平板車液壓提升控制系統(tǒng)原理

2.1 液壓系統(tǒng)提升原理

液壓提升系統(tǒng)[3]由液壓懸架、液壓提升泵、液壓油箱、同步提升液壓閥組、提升油缸等組成。工作原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)泵帶動(dòng)轉(zhuǎn)向提升泵旋轉(zhuǎn)，將液壓能通過液壓油傳遞到液壓油缸，通過提升油缸的伸縮推動(dòng)擺動(dòng)臂回轉(zhuǎn)，擺動(dòng)臂與旋轉(zhuǎn)架、輪胎相連，受擺動(dòng)臂的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)整車升降如圖2所示。

圖2 液壓懸架示意

液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 某平板車液壓系統(tǒng)頂升原理

圖3中，液壓頂升系統(tǒng)主要由油箱總成、壓力傳感器、液壓泵、馬達(dá)、溢流閥、單向閥、防爆閥、緊急下降閥組、高壓球閥、升降閥組等組成。其液壓系統(tǒng)工作原理如下：主油路電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)變量泵轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電磁換向閥(右邊)的電磁鐵得電，進(jìn)油口P開始進(jìn)油，通過三位四通電磁換向閥右位，再通過單向閥和調(diào)速閥，調(diào)速閥調(diào)節(jié)液壓油的快慢，最后到達(dá)頂升油缸，推動(dòng)頂升油缸運(yùn)動(dòng)，整車上升。其中安全溢流閥高于壓力30 MPa將會(huì)發(fā)生溢流現(xiàn)象，從而保護(hù)液壓管路，壓力傳感器用來在面板上直觀顯示。若液壓管路系統(tǒng)中某個(gè)管路發(fā)生破裂，導(dǎo)致液壓油壓力急劇下降，這時(shí)防爆閥將開始工作，鋼球直接堵死破裂的管路而從防止管路壓力急劇下降，管路壓力急劇下降會(huì)導(dǎo)致升降不平，貨物發(fā)生傾斜，導(dǎo)致重大安全事故。當(dāng)控制管路失效時(shí)，可使用緊急下降閥組來達(dá)到整車快速下降的目的。當(dāng)某個(gè)輪子出現(xiàn)故障時(shí)，可使用高壓球閥控制該輪子的液壓油路，使該輪無效。

當(dāng)電磁換向閥(左邊)的電磁鐵得電時(shí)，進(jìn)油口P開始進(jìn)油，通過三位四通電磁換向閥左位，液壓油將頂起單向閥的鋼球，這時(shí)油路開始泄油，液壓油缸慢慢開始復(fù)位，整車下降。

2.2 控制系統(tǒng)原理

本車擁有整車上升、整車下降、整車中位、單點(diǎn)升降功能：

(1)整車上升：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，按下整升按鈕，按鈕集成的指示燈亮起，整升就被選定了，平臺(tái)就被均勻舉升起來了，可通過踩油門踏板和按下滿載按鈕來提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而加快升降速度，松開整升按鈕或平臺(tái)到達(dá)最高點(diǎn)后，平臺(tái)停止上升。

(2)整車下降：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，按下整降按鈕，按鈕集成的指示燈亮起，整降就被選定了，平臺(tái)就被均勻降下了，松開整降按鈕或平臺(tái)到達(dá)最低點(diǎn)后，平臺(tái)停止下降。

(3)整車中位：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，按下中位按鈕，按鈕集成的指示燈亮起，中位就被選定了，平臺(tái)到達(dá)升降行程的中位處。

(4)單點(diǎn)升降：?jiǎn)?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，確定需要升/降的角，選擇將要操作的開關(guān)，集成指示燈亮起，該單角往上升，開關(guān)往后按住，該單角往下降，開關(guān)松開后，升/降停止，不可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)(大于等于2個(gè))角的單點(diǎn)升降操作。

人機(jī)操控面板參考示意圖如圖4所示。

圖4 人機(jī)操控面板參考示意

人機(jī)操控面板上分別設(shè)置有油門、轉(zhuǎn)速限制調(diào)速電位計(jì)、左前支撐升降開關(guān)、右前支撐升降開關(guān)、左后支撐升降開關(guān)、右后支撐升降開關(guān)、整升/整降開關(guān)、電源(24 V)上電指示、警燈開、底照燈開關(guān)、中位調(diào)平開關(guān)、駐車開關(guān)、模式選擇按鈕、急停開關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火開關(guān)以及電源開關(guān)等。界面操作簡(jiǎn)單方便，具有較好的人機(jī)交互性。

3 某液壓平板車的安全性設(shè)計(jì)

3.1 冗余設(shè)計(jì)和裕度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

(1)液壓系統(tǒng)都有獨(dú)立的過載保護(hù)裝置；

(2)設(shè)備所有升降液壓油缸均具有獨(dú)立雙管路保護(hù)回路；

(3)任一懸掛機(jī)構(gòu)若有超載，設(shè)備應(yīng)能立即自動(dòng)報(bào)警；

(4)任一轉(zhuǎn)向輪組其轉(zhuǎn)向角誤差超過6°時(shí)，操縱室內(nèi)儀表板上的警示燈會(huì)閃動(dòng)，轉(zhuǎn)向器將被制動(dòng)；其轉(zhuǎn)向角誤差大于8°時(shí)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉不能動(dòng)作；

(5)裝置的四角安裝緊停開關(guān)；

(6)配設(shè)備夜間運(yùn)輸警示燈,配外接工作照明燈,并在車架底部配接頭插座；

(7)緊急裝置采用紅色或紅色標(biāo)識(shí)(按鈕等)。

3.2 容錯(cuò)安全性設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)，消除影響系統(tǒng)安全的單點(diǎn)故障模式。

在該平板車中，為了避免使用時(shí)將電機(jī)接線錯(cuò)誤導(dǎo)致電機(jī)反轉(zhuǎn)損壞液壓泵，在平板車調(diào)試過程中都會(huì)應(yīng)用程序直觀地觀察線路的接線情況，若接線錯(cuò)誤，對(duì)應(yīng)的程序?qū)⒊霈F(xiàn)錯(cuò)誤代碼，指示燈不亮，此時(shí)操控其他按鈕都無效，這樣會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到保護(hù)作用，只有更正線路的連接情況才能進(jìn)行下一步操作，若某個(gè)控制器接反，也可通過程序直觀地看出來。

3.3 安全報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

對(duì)于關(guān)系行車安全的系統(tǒng)，即安裝報(bào)警裝置。主操縱室內(nèi)設(shè)有多功能中文液晶顯示裝置，有置負(fù)載重力中心(COG)顯示；質(zhì)量顯示；設(shè)有如下狀態(tài)顯示：四點(diǎn)懸掛支承壓力狀況、重心位置、重心臨界點(diǎn)、負(fù)載質(zhì)量和超載臨界點(diǎn)、故障自動(dòng)診斷顯示與報(bào)警；偏載顯示與報(bào)警、超載顯示與自鎖；轉(zhuǎn)向模式顯示。設(shè)有多功能故障報(bào)警控制系統(tǒng)：柴油機(jī)滑油低壓報(bào)警、冷卻水高溫、空氣濾器狀況、高壓油濾器狀況、吸油管和回油管濾器狀況、液壓油油位低、液壓油油溫；還設(shè)有狀態(tài)顯示與報(bào)警、平臺(tái)承重超載預(yù)報(bào)警、重心超越臨界范圍預(yù)報(bào)警、液壓油壓力和燃油油位等的監(jiān)控與報(bào)警(儀表顯示)。

3.4 使用安全性設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步保證該平板車安全使用，文中編制了技術(shù)說明書和維護(hù)說明書，說明書明確了行車安全操作規(guī)程及注意事項(xiàng)，將行駛和操作可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)降至最低，例如：

(1)駕駛室內(nèi)部裝有滅火器；

(2)運(yùn)輸車安裝緊急下降按鈕；

(3)為保證車內(nèi)人員安全，駕駛室內(nèi)部凸出物、儀表裝置均避免出現(xiàn)尖角和銳邊。

3.5 安全可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)后，就要驗(yàn)證系統(tǒng)安全性要求是否得到滿足；通過硬件FMECA來計(jì)算各個(gè)附件的實(shí)際失效率[4]。根據(jù)可靠性預(yù)估值進(jìn)行定量和定性分析，驗(yàn)證可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)。

液壓系統(tǒng)可靠性預(yù)估值計(jì)算公式為

R(t)=e-λth

式中：R(t)為元件的可靠性預(yù)估值；λ為元件的故障率；t為工作時(shí)間；h為環(huán)境因素，根據(jù)環(huán)境惡劣程度取h=3。

其中，元件失效率是根據(jù)《液壓工程手冊(cè)》[5]取得，平板車車每次啟動(dòng)工作時(shí)間約為60 min，計(jì)算結(jié)果見表1。

根據(jù)上表數(shù)據(jù)及可靠性框圖串并聯(lián)關(guān)系，計(jì)算平板車的可靠性預(yù)估值為

R(t)=R(1)×R(2)×R(3)×R(4)×R(5)×R(6)×R(7)=0.999 770 7

平均無故障時(shí)間MTBF：

根據(jù)上述可靠性計(jì)算結(jié)果為，平均無故障時(shí)間為MTBF=4 360.6 h，滿足液壓系統(tǒng)平均無故障時(shí)間分配指標(biāo)MTBF≥4 000 h的要求。

表1 元件可靠性預(yù)估值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

該平板車設(shè)計(jì)過程中采用WTW系列平板運(yùn)輸車中的成熟結(jié)構(gòu)、技術(shù)，保證其方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性、維修性、安全性、保障性等能夠滿足總體要求，無技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

文中介紹了某重型平板運(yùn)輸車的液壓控制系統(tǒng)原理，對(duì)其原理進(jìn)行了分析，總結(jié)安全性設(shè)計(jì)要點(diǎn)，能很好地保障車輛的安全，同時(shí)對(duì)其他液壓系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)也提供一些借鑒和參考。