引言

鐵路是國民經濟大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程。黨中央、國務院高度重視鐵路發(fā)展,2016年7月,國家發(fā)展改革委、交通運輸部、中國鐵路總公司聯(lián)合發(fā)布了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,勾畫了新時期"八縱八橫"高速鐵路網(wǎng)的宏大藍圖。

橋梁設計與建造是高速鐵路建設的關鍵,橋梁建造過程中會應用大量的混凝土預制梁,在梁場內澆筑混凝土預制梁常使用龍門吊作為運輸和澆筑載具,混凝土料斗盛滿混凝土后用龍門吊吊起,移動到預制梁模板上方,再進行澆筑。采用此種方式,在實踐過程中存在幾個缺點:料斗在攪拌站接料后無法直接吊起,需要轉運:由于龍門吊沿軌道行走,對梁廠的布置空間有硬性要求:龍門吊移動速度慢,澆筑效率低:龍門吊體積大,多臺同時運行時易發(fā)生干涉:料斗吊至指定位置時,閘門開合的操作需要人工完成,極為不便。

在梁場內澆筑混凝土預制梁也會使用混凝土泵車作為運輸和澆筑載具,其運輸速度快,揚程高,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,影響梁場布置的緊湊性:泵車無法邊行走邊澆筑,且輸送管道移動不便: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)展有限公司為國內某工程研發(fā)了一款用于鐵路混凝土預制梁澆筑的工程車輛,用于梁場內從混凝土攪拌站到混凝土梁澆筑地點的混凝土運輸和澆筑,應用新工法,實現(xiàn)在狹小空間內高效率地完成澆筑作業(yè)。

1主要技術參數(shù)

鐵路混凝土預制梁澆筑車(以下簡稱"臺車")是"機一電一液"相結合的高技術產品,采用液壓驅動、全橋剛性懸掛、獨立轉向,采用工業(yè)級微機來控制驅動、轉向,同時能夠實現(xiàn)直行、斜行、原地轉向等多種運行模式。整車運行靈活,可以在較小的場地完成工作任務,其技術參數(shù)如表1所示。

2主要結構組成及特點

臺車由車架結構、下料系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、動力系統(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。臺車車架呈雙門字結構,發(fā)電機組和動力艙位于兩肩,料倉中置。臺車有兩軸線,驅動軸線前置(駕駛室側),從動軸線后置,輪胎采用4條12.00-24實心輪胎。臺車采用剛性懸掛、液壓驅動、電液轉向,控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制模式。臺車如圖1所示。

2.1車架結構

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

圖2 臺車車架結構圖

2.2下料系統(tǒng)

下料系統(tǒng)包括料斗、閘門和攪拌裝置,料斗內部設置高分子耐磨材料,閘門采用插板形式,設置提升壓緊密封結構,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)

臺車有兩軸線,驅動軸線包含兩個驅動單元,從動軸線包含兩個從動單元。臺車采用全剛性懸掛,抑制車輛行駛過程中的震顫,并將驅動軸線前置,提高整車動力性能。

驅動單元主要由懸掛架、驅動馬達與減速機、輪胎、輪錮構成。液壓系統(tǒng)帶動馬達轉動,通過減速機最終將動力傳遞到輪胎上,實現(xiàn)行走功能,從動軸采用階梯軸形式,優(yōu)化受力。驅動單元如圖3所示。

圖3 驅動單元

2.4轉向系統(tǒng)

臺車采用全輪獨立轉向,轉向系統(tǒng)包括馬達、減速機、小齒輪、回轉支撐、編碼器等,馬達通過減速機帶動小齒輪,小齒輪與回轉支撐的外齒嚙合傳遞扭矩,實現(xiàn)轉向,結構如圖4所示。

上層PLC按照運行模式和轉向指令,解析出各輪組轉角,下層控制器按照轉角指令值控制轉向系統(tǒng),安裝在轉向系統(tǒng)上的角度傳感器實時測量當前轉角,反饋給控制器,構成閉環(huán)控制,實現(xiàn)精確的轉向控制,單軸轉向精度為0.5°。

2.5液壓系統(tǒng)

臺車行走驅動系統(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),采用恒功率和負荷傳感控制,系統(tǒng)的外負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)需要自動調節(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)

臺車的微電控系統(tǒng)采用基于CAN總線的分布式控制,選用進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雜性,控制器防護等級達到IP67,可用在振動、潮濕等工作環(huán)境,可靠性極高。

3臺車關鍵部位有限元仿真計算

3.1車架仿真計算

車架為臺車的承載結構,負載大,形狀復雜,采用有限元仿真計算的方法對其進行強度分析與校核計算,充分保障設備運行的安全性,仿真結果如圖5所示。

圖5 車架強度仿真結果

如圖5所示,車架主梁應力分布較為集中,最大應力點在主梁與支腿接觸處,約為114MPM,小于許用應力,因此設計滿足強度要求。

3.2懸掛架強度仿真計算

懸掛架負載大,形狀復雜,存在拐點,容易產生應力集中,且常規(guī)計算方法難以準確反映其受力狀態(tài),因此采用有限元仿真計算的方法進行強度校核計算,充分保障設備運行的安全性,仿真結果如圖6所示。

圖6 懸掛架仿真結果

如圖6所示,懸掛架在額定載荷狀態(tài)下主體應力較小,應力最大點出現(xiàn)在轉角處,其應力最大值為a93MPM,小于許用應力,因此設計滿足強度要求。

3.3車架模態(tài)仿真計算

臺車在行駛過程中,受到各種復雜載荷作用,周期性變化的載荷成為激振源會引起臺車震動,當激振頻率與臺車固有頻率相等或相近時,臺車會出現(xiàn)共振現(xiàn)象,嚴重影響臺車的正常工作。通過對臺車的模態(tài)分析計算出臺車固有頻率,可以對臺車的振動性進行校核,模態(tài)仿真結果如圖7所示。

圖7 車架模態(tài)仿真結果

經過仿真計算,車架的1~4階固有頻率依次為16.03Hz、19.76Hz、20.91Hz、26.63Hz?；炷僚_車行駛速度緩慢,車輪轉速為0.1~1.2r/s,從地面和輪胎上產生的激振頻率遠小于金屬結構一階固有頻率,不會引起共振現(xiàn)象。動力艙電機轉速為24.5r/s,發(fā)電機組柴油機轉速為25r/s,距離四階固有頻率較近,由于二者激振能量較小,金屬結構不會發(fā)生明顯共振現(xiàn)象,因此臺車的振動特性滿足使用要求。

4結語

本鐵路混凝土預制梁澆筑車是機電液一體化的高科技產品,屬于創(chuàng)新型設備,其技術達到國內先進水平。鐵路混凝土預制梁澆筑車的成功研制,對各種鐵路施工非標車輛的研制具有指導意義,具有廣闊的應用前景。