郭春暉
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)
昆侖號(hào)架橋機(jī)是為適應(yīng)我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展而研制的新一代鐵路箱梁專用施工裝備,為我國高速鐵路建設(shè)注入新的活力。圖1為昆侖號(hào)架橋機(jī),相較于上一代設(shè)備,其整體載重量增加了100 t,可吊裝箱梁長度增長了8 m,對(duì)于高山峽谷地形、橋隧轉(zhuǎn)換頻繁工況,其架設(shè)優(yōu)勢(shì)更為突出;同時(shí)不可忽略的是經(jīng)濟(jì)效益,采用40 m梁建設(shè)的高速鐵路,每公里可減少6個(gè)橋墩,百公里的鐵路預(yù)計(jì)節(jié)省造價(jià)約3.6億;也為高鐵提供了更靈活的選線,有效節(jié)省建設(shè)用地,減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[1-3]。
圖1 昆侖號(hào)架橋機(jī)
昆侖號(hào)架橋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 主要技術(shù)參數(shù)
常規(guī)的傳動(dòng)方式包括機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)四種方式[4-5],各傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。
表2 各種傳動(dòng)方式比較
架橋機(jī)與一般起重設(shè)備相比,其起重量大,對(duì)安全性要求高,因此綜合比較各傳動(dòng)方式特點(diǎn),并結(jié)合相關(guān)設(shè)備的使用效果,昆侖號(hào)架橋機(jī)采用靜液壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式,具有動(dòng)力結(jié)構(gòu)布置靈活、起停平穩(wěn)、速度控制等優(yōu)勢(shì)。
昆侖號(hào)架橋機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由前車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和后車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。前車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和后車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力流向?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)→分動(dòng)箱→變量泵→液壓閥組→變量馬達(dá)→輪邊減速器,其中變量泵、液壓閥組、變量馬達(dá)組成閉式液壓系統(tǒng)。
在計(jì)算運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力時(shí),考慮滿足三種工況的極限驅(qū)動(dòng)功率:一種工況是在30‰坡度的線路上以最大速度空載運(yùn)行,另一個(gè)工況是在30‰坡度的線路上運(yùn)1 000 t梁,還有一個(gè)工況是30‰坡度的線路上后車驅(qū)動(dòng)進(jìn)行喂梁[6-7]。表3為各工況下昆侖號(hào)架橋機(jī)的后車、前車及前支腿承受計(jì)算情況。
表3 各工況下架橋機(jī)所受反力 kN
架橋機(jī)的動(dòng)力來源為兩臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī),合理配置發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率,可提高設(shè)備的整體使用可靠性、工作效率及安全性。通常,架橋機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率配置越大,設(shè)備的動(dòng)力性能也越好,但如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率配置太大,使得發(fā)動(dòng)機(jī)的利用比率太低,則燃油經(jīng)濟(jì)性下降,其次由于發(fā)動(dòng)機(jī)自重及載油量的增加,就會(huì)造成設(shè)備的整體重量上升[8]。本文根據(jù)架橋機(jī)在各種工況下的速度要求,經(jīng)過計(jì)算優(yōu)化后,得出架橋機(jī)所需要配置的總功率,并對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。
架橋機(jī)運(yùn)行時(shí)受到的坡道阻力用式(1)計(jì)算,結(jié)果如表4所示。
表4 各工況下坡道阻力
架橋機(jī)運(yùn)行時(shí)受到的摩擦阻力用式(2)計(jì)算:
架橋機(jī)運(yùn)梁路面一般為水泥或壓實(shí)的石子路面,空載滾動(dòng)阻力系數(shù)取0.02,重載滾動(dòng)阻力系數(shù)取0.025;喂梁時(shí),主梁與主支腿是鋼對(duì)鋼滾動(dòng)摩擦,滾動(dòng)阻力系數(shù)取0.006,結(jié)果如表5所示。
表5 各工況下摩擦阻力 kN
架橋機(jī)運(yùn)行時(shí)受到的風(fēng)載荷用式(3)計(jì)算:
C為風(fēng)力系數(shù),取1.1,7級(jí)風(fēng)的風(fēng)壓大小400 N/m2,綜合受力面積30 m2,計(jì)算得風(fēng)載荷為13 kN。
按照設(shè)備試用手冊(cè)要求,正常運(yùn)行最大速度不超過設(shè)計(jì)速度的80%,在30‰坡道運(yùn)行時(shí)平均速度為最大速度的40%,架橋機(jī)在各極限工況下的運(yùn)行阻力與速度如表6所示。
表6 各工況下阻力
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的整體效率取70%,牽引功率用式(4)計(jì)算:
計(jì)算出空載運(yùn)行工況下所需最大牽引功率為1 139.8 kW,重載運(yùn)梁工況下所需最大牽引功率為1 201.5 kW,重載喂梁工況下所需最大牽引功率為96.8 kW。綜上可知,架橋機(jī)處于重載爬坡工況下,對(duì)應(yīng)的牽引功率達(dá)到最大值為1 201.5 kW。
發(fā)動(dòng)機(jī)主要作用為對(duì)外做功,其次是對(duì)非標(biāo)附件做功,主要的功率消耗非標(biāo)附件有吸氣排氣系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇、空氣壓縮機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等[9],各附件消耗功率的比值如表7所示。
表7 發(fā)動(dòng)機(jī)附件消耗功率百分比
發(fā)動(dòng)機(jī)非標(biāo)附件消耗功率占發(fā)動(dòng)機(jī)總功率的比值為5.37%,初定發(fā)動(dòng)機(jī)總功率為:
架橋機(jī)前車和后車分別配置一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),選型應(yīng)符合GB/T6072和ISO3046的相關(guān)要求,根據(jù)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),前車配置1臺(tái)KTA19-C700型發(fā)動(dòng)機(jī),后車配置1臺(tái)KTA38-C1080型發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)見表8。
表8 康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能
架橋機(jī)采用靜液壓傳動(dòng)閉式油路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其核心為液壓泵和液壓馬達(dá)組成的容積調(diào)速系統(tǒng),通過改變液壓泵和液壓馬達(dá)的排量來控制馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩[10-11]。
架橋機(jī)前車第3~8軸為驅(qū)動(dòng)軸,后車第3~5軸和第7~9軸為驅(qū)動(dòng)軸,每條軸線有兩組車橋,每個(gè)車橋左右各安裝1個(gè)液壓馬達(dá),故整車共有6套變量泵和48套變量馬達(dá),并聯(lián)在系統(tǒng)的公共回路上,組成閉式液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)各部件配置如表9所示。
表9 液壓系統(tǒng)配置
計(jì)算各種典型工況下按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行時(shí)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和排量[12-13],如表10所示。
表10 液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和排量
馬達(dá)排量與系統(tǒng)壓強(qiáng)關(guān)系如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)在250 bar時(shí),架橋機(jī)在空載運(yùn)行、重載運(yùn)梁、重載喂梁三種工況下馬達(dá)排量趨于最佳狀態(tài),因此系統(tǒng)初步調(diào)定壓力250 bar。在此系統(tǒng)壓強(qiáng)下,液壓系統(tǒng)的輸入功率分別為1 025 kW、1 081 kW、81 kW。
動(dòng)力系統(tǒng)是架橋機(jī)的心臟,其設(shè)計(jì)需滿足發(fā)動(dòng)機(jī)牽引功率,同時(shí)符合液壓系統(tǒng)功率的檢算。針對(duì)運(yùn)梁車使用工況對(duì)液壓系統(tǒng)油泵、馬達(dá)排量進(jìn)行匹配調(diào)整,使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大扭矩區(qū)域內(nèi),利于車輛順利啟動(dòng);工作在額定功率區(qū)域附近,功率利用率得到充分發(fā)揮。
昆侖號(hào)架橋機(jī)已于2020年6月在福廈鐵路成功試用,現(xiàn)場架梁過程中車輛啟動(dòng)平穩(wěn),空載運(yùn)行、重載運(yùn)梁、重載喂梁時(shí)性能穩(wěn)定,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無過載或功率不足現(xiàn)象,表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需求。下一步,通過分析架橋機(jī)現(xiàn)場數(shù)據(jù)試用參數(shù),對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以提高架橋機(jī)的運(yùn)行效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。