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 噸級凹體型運輸車是秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司針對我國西南地區(qū)水域多、丘陵、山地多、隧道多的施工特點設(shè)計制造的一款新產(chǎn)品,車長60m,寬8.8m,承載面高度1.3m,自重460t,額定載質(zhì)量1000t,是目前國內(nèi)單體最大的運梁車。該設(shè)備含有31 條軸線、248 條輪胎,適用于1000t 重、40m 長混凝土箱梁的運輸作業(yè),能夠把混凝土箱梁從預(yù)制場地通過便道、鐵路路基、橋梁運至架梁工位,與架橋機(jī)配合完成相應(yīng)的架梁工作。此外,這個千噸級設(shè)備能夠馱運架橋機(jī)實現(xiàn)橋間短途轉(zhuǎn)場,還可馱運混凝土箱梁及架橋機(jī)通過客運專線雙線隧道及隧道口喂梁。
TLC1000 噸級凹體型運輸車采用油缸驅(qū)動多連桿分組轉(zhuǎn)向模式,每組由4~6 個輪組組成,共計12 組,并按照輪組位置和轉(zhuǎn)向角度關(guān)系進(jìn)行計算,設(shè)計各個連桿長度及連接位置,由液壓油缸推動連桿實現(xiàn)走行過程中的轉(zhuǎn)向動作。該運輸車油缸驅(qū)動多連桿分組轉(zhuǎn)向模式采用開式系統(tǒng)供油,轉(zhuǎn)向電磁閥控制液壓油缸驅(qū)動多連桿實現(xiàn)輪組轉(zhuǎn)向。為了在多輪轉(zhuǎn)向時輪胎不磨胎、不干涉,該運輸車采用轉(zhuǎn)向編碼器實時反饋轉(zhuǎn)向角度信號、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)動連桿的模式,可實現(xiàn)多種轉(zhuǎn)向方式,如直線、八字、半八字及小角度斜行等。
當(dāng)TLC1000 噸級凹體型運輸車的輪組轉(zhuǎn)向時,輪胎相對于回轉(zhuǎn)支承呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài),兼有滑動摩擦和滾動摩擦,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”,可以計算出該運輸車轉(zhuǎn)向時單個輪組的轉(zhuǎn)向阻力矩。
單個懸掛輪組的最大轉(zhuǎn)向阻力矩Mz 如公式(1)所示。
式中:為單個懸掛輪組的最大承載,32 t;為滾動阻力系數(shù),0.06;為輪距,625 mm;為輪胎與地面的滑動摩擦系數(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)計算,該運輸車轉(zhuǎn)向時單個懸掛輪組的最大轉(zhuǎn)向阻力矩M為32212 N·m。
TLC1000 噸級凹體型運輸車采用油缸驅(qū)動多連桿分組轉(zhuǎn)向模式,每組由4~6 個輪組組成,共計12 組。其中A分組形式包括4 個輪組,共計6 組;B 分組形式包括5 個輪組,共計2 組;C 分組形式包括6 個輪組,共計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)計算油缸推力為431026 N,拉力為290283 N??梢蕴峁┑淖钚∞D(zhuǎn)向驅(qū)動力矩為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)計算油缸推力為562973 N,拉力為384845 N??梢蕴峁┑淖钚∞D(zhuǎn)向驅(qū)動力矩為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)計算油缸推力為562973 N,拉力為384845N??梢蕴峁┑淖钚∞D(zhuǎn)向驅(qū)動力矩為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
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。
通過以上關(guān)系以及運輸車實際工況與轉(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,通過基準(zhǔn)輪的轉(zhuǎn)角變化,筆者可以求出整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)各個懸掛輪組的理論轉(zhuǎn)角。
由于該運輸車采用油缸驅(qū)動多連桿分組轉(zhuǎn)向模式,根據(jù)圖7 可知各輪的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角并不相同。實際轉(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,通過調(diào)整轉(zhuǎn)向連桿的長度與轉(zhuǎn)向連桿孔相對回轉(zhuǎn)中心的位置,可以得出一組近似于理論轉(zhuǎn)角的實際轉(zhuǎn)角。
分別調(diào)整轉(zhuǎn)向A、B、C 組的轉(zhuǎn)向連桿的長度與轉(zhuǎn)向連桿孔相對于回轉(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)向程序計算,并同時控制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度,12 組轉(zhuǎn)向連桿桿系分別驅(qū)動62 組輪組同時轉(zhuǎn)向,62 組輪組的實際轉(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)向的重型運輸車設(shè)計使用中是完全可以接受的。
該文通過研究阿克曼轉(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算轉(zhuǎn)向力矩設(shè)計出來的油缸驅(qū)動連桿帶動多輪組轉(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)向時的磨損,滿足了施工要求。
TLC1000 噸級凹體型運輸車共計31 個軸線,62 組懸掛。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如果采用油缸驅(qū)動單獨輪組轉(zhuǎn)向模式,共需要62根轉(zhuǎn)向油缸,62 個轉(zhuǎn)向編碼器,上層PLC 控制器需要同時控制62 個轉(zhuǎn)向電磁閥。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如果采用油缸驅(qū)動連桿帶動多輪組的設(shè)計,只需要12 根轉(zhuǎn)向油缸,12 個轉(zhuǎn)向編碼器,上層PLC 控制器需要同時控制的轉(zhuǎn)向電磁閥數(shù)量也減少到12 個。通過二者的比較可知,油缸驅(qū)動連桿帶動多輪組的設(shè)計比油缸驅(qū)動單獨輪組轉(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控制器需要同時控制的轉(zhuǎn)向電磁閥數(shù)量,可簡化轉(zhuǎn)向控制程序,減少可能發(fā)生故障的點位。在滿足施工需求的前提下,施工單位也可降低施工設(shè)備的采購成本,簡化保養(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
該運輸車已于2021 年4 月份運達(dá)南昌-景德鎮(zhèn)-黃山高鐵建設(shè)工程施工現(xiàn)場,并于當(dāng)月組裝調(diào)試完成。客戶驗收測試表明該設(shè)備完全能夠滿足目前1000t/40m 混凝土箱梁的運輸及對架橋機(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)過程可靠、穩(wěn)定,客戶給予了高度評價。該設(shè)備的成功研制推動了我國高端橋梁施工裝備技術(shù)的發(fā)展,實現(xiàn)了我國高鐵技術(shù)的提升再創(chuàng)新,為推動我國高鐵邁向400km/h 提供了技術(shù)支持與裝備保障。