引言

鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程。黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視鐵路發(fā)展,2016年7月,國(guó)家發(fā)展改革委、交通運(yùn)輸部、中國(guó)鐵路總公司聯(lián)合發(fā)布了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,勾畫了新時(shí)期"八縱八橫"高速鐵路網(wǎng)的宏大藍(lán)圖。

橋梁設(shè)計(jì)與建造是高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵,橋梁建造過程中會(huì)應(yīng)用大量的混凝土預(yù)制梁,在梁場(chǎng)內(nèi)澆筑混凝土預(yù)制梁常使用龍門吊作為運(yùn)輸和澆筑載具,混凝土料斗盛滿混凝土后用龍門吊吊起,移動(dòng)到預(yù)制梁模板上方,再進(jìn)行澆筑。采用此種方式,在實(shí)踐過程中存在幾個(gè)缺點(diǎn):料斗在攪拌站接料后無法直接吊起,需要轉(zhuǎn)運(yùn):由于龍門吊沿軌道行走,對(duì)梁廠的布置空間有硬性要求:龍門吊移動(dòng)速度慢,澆筑效率低:龍門吊體積大,多臺(tái)同時(shí)運(yùn)行時(shí)易發(fā)生干涉:料斗吊至指定位置時(shí),閘門開合的操作需要人工完成,極為不便。

在梁場(chǎng)內(nèi)澆筑混凝土預(yù)制梁也會(huì)使用混凝土泵車作為運(yùn)輸和澆筑載具,其運(yùn)輸速度快,揚(yáng)程高,工作效率高,但同樣面臨諸多問題:泵車需要足夠的行車空間,影響梁場(chǎng)布置的緊湊性:泵車無法邊行走邊澆筑,且輸送管道移動(dòng)不便:泵車容積有限,澆筑成本高。

因此,秦皇島優(yōu)益創(chuàng)聯(lián)科技發(fā)展有限公司為國(guó)內(nèi)某工程研發(fā)了一款用于鐵路混凝土預(yù)制梁澆筑的工程車輛,用于梁場(chǎng)內(nèi)從混凝土攪拌站到混凝土梁澆筑地點(diǎn)的混凝土運(yùn)輸和澆筑,應(yīng)用新工法,實(shí)現(xiàn)在狹小空間內(nèi)高效率地完成澆筑作業(yè)。

1主要技術(shù)參數(shù)

鐵路混凝土預(yù)制梁澆筑車(以下簡(jiǎn)稱"臺(tái)車")是"機(jī)一電一液"相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品,采用液壓驅(qū)動(dòng)、全橋剛性懸掛、獨(dú)立轉(zhuǎn)向,采用工業(yè)級(jí)微機(jī)來控制驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)直行、斜行、原地轉(zhuǎn)向等多種運(yùn)行模式。整車運(yùn)行靈活,可以在較小的場(chǎng)地完成工作任務(wù),其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2主要結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

臺(tái)車由車架結(jié)構(gòu)、下料系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和駕駛室等部件組成。臺(tái)車車架呈雙門字結(jié)構(gòu),發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力艙位于兩肩,料倉(cāng)中置。臺(tái)車有兩軸線,驅(qū)動(dòng)軸線前置(駕駛室側(cè)),從動(dòng)軸線后置,輪胎采用4條12.00-24實(shí)心輪胎。臺(tái)車采用剛性懸掛、液壓驅(qū)動(dòng)、電液轉(zhuǎn)向,控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制模式。臺(tái)車如圖1所示。

2.1車架結(jié)構(gòu)

車架呈雙門架結(jié)構(gòu),由主梁、支腿、下橫梁、托架組成,主梁、支腿、下橫梁為箱型結(jié)構(gòu),剛度大,強(qiáng)度高,承載力大:托架由H型鋼拼接而成,便于安裝動(dòng)力艙和發(fā)電機(jī)組。各部分均采用高強(qiáng)度螺栓連接,分解后的單元外形尺寸滿足公路、鐵路運(yùn)輸要求。車架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 臺(tái)車車架結(jié)構(gòu)圖

2.2下料系統(tǒng)

下料系統(tǒng)包括料斗、閘門和攪拌裝置,料斗內(nèi)部設(shè)置高分子耐磨材料,閘門采用插板形式,設(shè)置提升壓緊密封結(jié)構(gòu),閘門通過油缸開合,通過控制油缸的行程來控制下料速度。

2.3行走系統(tǒng)

臺(tái)車有兩軸線,驅(qū)動(dòng)軸線包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元,從動(dòng)軸線包含兩個(gè)從動(dòng)單元。臺(tái)車采用全剛性懸掛,抑制車輛行駛過程中的震顫,并將驅(qū)動(dòng)軸線前置,提高整車動(dòng)力性能。

驅(qū)動(dòng)單元主要由懸掛架、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與減速機(jī)、輪胎、輪錮構(gòu)成。液壓系統(tǒng)帶動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),通過減速機(jī)最終將動(dòng)力傳遞到輪胎上,實(shí)現(xiàn)行走功能,從動(dòng)軸采用階梯軸形式,優(yōu)化受力。驅(qū)動(dòng)單元如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元

2.4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

臺(tái)車采用全輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括馬達(dá)、減速機(jī)、小齒輪、回轉(zhuǎn)支撐、編碼器等,馬達(dá)通過減速機(jī)帶動(dòng)小齒輪,小齒輪與回轉(zhuǎn)支撐的外齒嚙合傳遞扭矩,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

上層PLC按照運(yùn)行模式和轉(zhuǎn)向指令,解析出各輪組轉(zhuǎn)角,下層控制器按照轉(zhuǎn)角指令值控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng),安裝在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前轉(zhuǎn)角,反饋給控制器,構(gòu)成閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向控制,單軸轉(zhuǎn)向精度為0.5°。

2.5液壓系統(tǒng)

臺(tái)車行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為開式液壓系統(tǒng),電液控制,工作液壓系統(tǒng)為開式液壓系統(tǒng),采用恒功率和負(fù)荷傳感控制,系統(tǒng)的外負(fù)荷變化通過傳感元件反饋到變量泵的變量控制系統(tǒng),根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量和工作壓力,以使子系統(tǒng)處于最佳功效匹配狀態(tài)。

2.6 電控系統(tǒng)

臺(tái)車的微電控系統(tǒng)采用基于CAN總線的分布式控制,選用進(jìn)口工程車輛專用控制器,具有CAN總線接口,降低了電控部分的復(fù)雜性,控制器防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67,可用在振動(dòng)、潮濕等工作環(huán)境,可靠性極高。

3臺(tái)車關(guān)鍵部位有限元仿真計(jì)算

3.1車架仿真計(jì)算

車架為臺(tái)車的承載結(jié)構(gòu),負(fù)載大,形狀復(fù)雜,采用有限元仿真計(jì)算的方法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核計(jì)算,充分保障設(shè)備運(yùn)行的安全性,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 車架強(qiáng)度仿真結(jié)果

如圖5所示,車架主梁應(yīng)力分布較為集中,最大應(yīng)力點(diǎn)在主梁與支腿接觸處,約為114MPM,小于許用應(yīng)力,因此設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

3.2懸掛架強(qiáng)度仿真計(jì)算

懸掛架負(fù)載大,形狀復(fù)雜,存在拐點(diǎn),容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,且常規(guī)計(jì)算方法難以準(zhǔn)確反映其受力狀態(tài),因此采用有限元仿真計(jì)算的方法進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算,充分保障設(shè)備運(yùn)行的安全性,仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 懸掛架仿真結(jié)果

如圖6所示,懸掛架在額定載荷狀態(tài)下主體應(yīng)力較小,應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角處,其應(yīng)力最大值為a93MPM,小于許用應(yīng)力,因此設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

3.3車架模態(tài)仿真計(jì)算

臺(tái)車在行駛過程中,受到各種復(fù)雜載荷作用,周期性變化的載荷成為激振源會(huì)引起臺(tái)車震動(dòng),當(dāng)激振頻率與臺(tái)車固有頻率相等或相近時(shí),臺(tái)車會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象,嚴(yán)重影響臺(tái)車的正常工作。通過對(duì)臺(tái)車的模態(tài)分析計(jì)算出臺(tái)車固有頻率,可以對(duì)臺(tái)車的振動(dòng)性進(jìn)行校核,模態(tài)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 車架模態(tài)仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真計(jì)算,車架的1~4階固有頻率依次為16.03Hz、19.76Hz、20.91Hz、26.63Hz?；炷僚_(tái)車行駛速度緩慢,車輪轉(zhuǎn)速為0.1~1.2r/s,從地面和輪胎上產(chǎn)生的激振頻率遠(yuǎn)小于金屬結(jié)構(gòu)一階固有頻率,不會(huì)引起共振現(xiàn)象。動(dòng)力艙電機(jī)轉(zhuǎn)速為24.5r/s,發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為25r/s,距離四階固有頻率較近,由于二者激振能量較小,金屬結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯共振現(xiàn)象,因此臺(tái)車的振動(dòng)特性滿足使用要求。

4結(jié)語

本鐵路混凝土預(yù)制梁澆筑車是機(jī)電液一體化的高科技產(chǎn)品,屬于創(chuàng)新型設(shè)備,其技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。鐵路混凝土預(yù)制梁澆筑車的成功研制,對(duì)各種鐵路施工非標(biāo)車輛的研制具有指導(dǎo)意義,具有廣闊的應(yīng)用前景。