第一章：蜈蚣車總體沒計與結(jié)構(gòu)計算

1 世界蜈蚣式運輸車（SPMT）概述

自是蜈蚣式運輸車即自行式模塊運輸車，它的英文全稱為“self propelled modular transporter”, 世界通稱縮寫“SPMT” 。

這種車輛也被通稱為自動式液壓平板車。

自行式液壓平板車是在70年代中期才出現(xiàn)的，此前需要牽引車拖動。這種車系將大功

率柴油發(fā)動機直接安裝在平板車上，在部分車輪中加裝夜壓馬達來驅(qū)動車輛行駛。到80年代初期，自行式模塊化液壓平板車開始興起，這種采用模塊設(shè)計、電子控制、可以橫向和縱向拼接的車輛，最大載重量已高達萬噸級。

1957年德國索埃勒（Scheuerle）開發(fā)出第一款液壓平板車（須另加牽引車），1972年，索埃勒開發(fā)出電子控制的自行式液壓平板車。1982年，索埃勒研制出世界最大的1800噸級模塊式液壓平板車，1993年，索埃勒開發(fā)了世界第一臺SPMT，總長80m，共有車輪512個（見圖1）。

圖1  索埃勤5200t 自行式液壓平板長車

 1994年，國際工業(yè)運輸車輛集團（TII）成立，成員包括德國索埃勒、克瑪格（Kamag）和法國尼古拉斯（Nicalas），其中后兩者的代表曾分別與筆者有過技術(shù)交流（因京滬高鐵施工裝備研制）。自TII成立后，從此開啟了世界超大件運輸?shù)男聝|元。由他們開發(fā)的SPMT系列由4軸和6軸模塊組合，其特點是：各模塊配置動力頭（PPU），液壓驅(qū)動，液電程序控制，多方位轉(zhuǎn)向，平板靠液壓懸掛系統(tǒng)升降。它尤其適合海洋平臺移位，最大組合噸位可達1萬5千噸。這種組合不管有多少軸線，只需1名工作人員通過遙控器即可實現(xiàn)組合車體各個模塊的同步動作。而模塊可用起重設(shè)備吊裝，可用汽車或集裝箱長途運輸，如圖2、圖3所示。

圖2  模塊車的組合模式（2個模塊組合）

圖3  模塊車的長途汽運（1個模塊車）

2005年，俄羅斯LUKOIL石油公司為北冰洋建造第一座抗冰石油平臺，其底座為一個長

長×寬×高＝53×53×45m的八角形鋼結(jié)構(gòu)，重10200噸。由荷蘭瑪姆特大件運輸公司動用10臺索埃勒和克瑪格的SPMT（總計432軸線）運輸。從2007年7月1日凌晨3點開始到晚上8點運輸裝船工作全部完成。圖4、圖5所示為SPMT馱運整體鋼橋結(jié)構(gòu)的壯觀景象。

圖4  用SPMT整體運輸?shù)聡鴿h堡海港大橋情景

圖5  中國重型吊運公司用SPMT整體運輸鋼橋情景

2 蜈蚣式運輸車的技術(shù)基礎(chǔ).       

蜈蚣式運輸車的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾項：

（1）驅(qū)動方式

靜液壓傳動。用柴油發(fā)動機作為動力驅(qū)動變量液壓泵，用變量泵驅(qū)動液壓馬達，液壓馬達經(jīng)減速機帶動驅(qū)動橋?，F(xiàn)代的SPMT驅(qū)動方式的突出特征是驅(qū)動輪由單獨的液壓馬達驅(qū)動，且液壓馬達與減速機合二為一，稱為車輪液壓烏達，直接安裝到驅(qū)動輪輪輞內(nèi)，成為現(xiàn)代專門的“輪邊驅(qū)動技術(shù)” 。大噸位輪胎式運梁車則直接采用了這一技術(shù)，見圖6。

1－平衡臂；2－懸掛架；3－懸掛油缸；4－減速機馬達；5－擺動橋；6－輪胎輪輞    

圖6  蜈蚣式運輸車的液壓懸掛驅(qū)動輪構(gòu)造圖

   (2) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

為了使SPMT實現(xiàn)全輪多方位轉(zhuǎn)向，系采用了柴油發(fā)動機驅(qū)動變量泵－變量馬達閉式液壓系統(tǒng)，通過微電控制程序控制液壓系統(tǒng)實現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向：在每個懸掛架上都裝有轉(zhuǎn)角傳感器或編碼器，來反饋懸掛架的轉(zhuǎn)向信息(方位座標) 給控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過微電腦計算之后，發(fā)送指令給變量泵或電磁多路閥等來控制液壓油的流量，液壓油經(jīng)油缸推動轉(zhuǎn)向連桿推動車輪轉(zhuǎn)向，或經(jīng)液壓馬達驅(qū)動行星齒輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使車輪轉(zhuǎn)向。而且在微電腦系統(tǒng)的控制下可實現(xiàn)不同模式的轉(zhuǎn)向，例如橫行、移行、八字或原地轉(zhuǎn)向等。大噸位輪胎式運梁車也直接應(yīng)用了上述轉(zhuǎn)向技術(shù)，見圖7。

圖7  蜈蚣式運輸車的連桿式與齒輪式混合轉(zhuǎn)向機構(gòu)

(3) 液壓懸掛系統(tǒng)

 液壓懸掛是利用液壓油缸來實現(xiàn)傳力和減振功能的，釬懸掛通過油路相通來適應(yīng)路面的不平度和坡度(主要是橫坡) ，實現(xiàn)載荷均衡。由于從總體上講車架是一個格柵梁式結(jié)構(gòu)體系，要保持這個體系結(jié)構(gòu)的支承穩(wěn)定性，至少須有不在同一直線上的三點支承，它才是靜定的。所以一輛自行式液壓平板車的車下支承體系應(yīng)由不少于3個懸掛組構(gòu)成，一個懸掛組為一個支承點，在這個組內(nèi)各懸掛的油路相通，組與組之間的油路不相通。在車輛運行時，各組形成一個閉式回路液壓系統(tǒng)，使車輛遇到凹突不平的路況時，可通過油色工的自動伸縮運動，使同一支承組內(nèi)的懸掛均勻受力，即輪胎反力相等，如圖8所示，這也正是蜈蚣式運輸車所采用的液壓懸掛設(shè)計原理之一。    

1－車架；2－懸掛架；3－懸掛液壓缸；4－輪胎；5－地面

圖8  液壓懸掛適應(yīng)凹凸不平路靣的作用原理

采用液壓懸掛系統(tǒng)，另一個重要的功能是，可以提供車輛地板平面的整體升降，這是能夠形成SPTM馱運萬噸大件技術(shù)的核心技術(shù)之一。目前SPTM懸掛油缸的行程通常在正頁350mm以內(nèi)。 

(4) 液電控制系統(tǒng)

自行式平板車的微電腦液壓控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：行走驅(qū)動系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)、防滑差速差力系統(tǒng)、自動調(diào)平系統(tǒng)、重心載重顯示系統(tǒng)、智能故障診斷系統(tǒng)以及遙控技術(shù)等。此外控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳輸采用了當前最為流行的車載CAN 總線技術(shù)，為實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。SPTM車的液電控制系統(tǒng)的傳輸原理如圖9所示。    

圖9蜈蚣式運輸車液電控制傳輸原理圖

3 蜈蚣式運梁車應(yīng)用實例：我國高鐵TLC900型運梁車的研制

3.1  TLC900型運梁車總體設(shè)計

 (1) 整車由車架（含前后輔助支腿）、活動及固定枕梁、懸掛、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及操縱系統(tǒng)（駕駛室）等組成。

（2）TLC900型運梁車主要性能指標

  1 平臺地板尺寸：2.1x35.2m；地板軌頂距地面最低高度：2.5m

  2 額定載重量：900t；適應(yīng)梁型及梁跨：雙線箱梁，32m 、24m 、20m 

  3 軸線/懸掛：16/32 （每懸掛含1對輪胎），輪胎直徑x厚度=1734x698mm

  4 重載速度：0～5km/h ；空載速度：0～10km/h

  5 適應(yīng)路面坡度：縱坡 5% ，橫坡 4 % 

  6 運行模式：直行、斜行、八字轉(zhuǎn)向、半八字轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)向角度：α＝±30°

  7 最小轉(zhuǎn)彎半徑：R ≥35m     

  8 懸掛升降能力：h=±300mm

  9 輪胎接地比壓：P≤0.6Mpa

  10 裝機容量：2x400kw  ； 液壓油箱容積：2400L

  11 自重： 268 t 

3.2  總體結(jié)構(gòu)組成

    在設(shè)計過程中將車架、駕駛室、動力倉、枕梁、懸掛等劃歸為總體結(jié)構(gòu)組成，見圖10所示。

1后駕駛室；2動力倉；3活動枕梁；4車架；5懸掛；6固定枕梁；7前駕駛室

圖10  TLC900型輪胎式運梁車結(jié)構(gòu)總體組成圖

3.3  總體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和整車傾覆穩(wěn)定性設(shè)計

3,3,1 在運梁工況時的力學(xué)行為和整車穩(wěn)定性設(shè)計

根據(jù)橋梁設(shè)計圖紙規(guī)定，高速鐵路雙線整體PC梁在運輸過程中，梁體四點應(yīng)位于同一平面，誤差不應(yīng)大于2mm。這是為了防止箱梁受扭。于是把運梁車的懸掛油缸并聯(lián)起來并進行分組，前端8軸線兩側(cè)共16個懸掛油缸連通，即相當于一個支點（C）,后端8軸線16個懸掛油缸按側(cè)連通（8缸）而兩側(cè)互不連通，則相當于兩個支點（A、B）,如圖11。這樣就形成了典型的格柵梁系平面三點支承的靜定結(jié)構(gòu)體系；同時由于A、B、C三點與車輛中軸對稱，所以只要在裝載時保證PC箱梁的幾何中心與運梁車中心一致，則A、B、C三支點反力恒等于是PC梁體任何截面均不會產(chǎn)生附加彎矩或扭矩。

圖11 運梁工況時懸掛油缸分組形成三支點

由于PC箱梁裝載在車板上時，四個支點位置是固定不變的，而在車輛運行過程中，正如此前關(guān)于液壓懸掛系統(tǒng)所述原理，每個輪胎的反力相等，所以車輛板架結(jié)構(gòu)可采用圖12所示高精度的平面簡支梁模型進行計算。

圖12 車輛板架結(jié)構(gòu)的簡支梁模型

圖12 模型系將實際的車輛運載PC箱梁的情景倒置而來，目的是為了突出按簡支梁模擬的效果。本來是14次超靜定的彈性支承連續(xù)梁的復(fù)雜問題，而轉(zhuǎn)化為高精度（實際上為精確解）的簡支梁模型，極具創(chuàng)造性。由此模型可以直觀地看出，運梁車在運梁工況中，其整車縱向傾覆穩(wěn)定性可得絕對保證。

再從此前分析及圖11所示可知，車輛已形成品字形的三點支承并有電液自動控制的液壓懸掛調(diào)平，同時PC箱形梁總是準確對稱地裝載在車輛平臺地板之上，其十字形中線恒與車輛重合。所以，整車的橫向傾覆穩(wěn)定性亦同樣可得到絕對保證。

二. 配合架梁工況時的整車穩(wěn)定性設(shè)計    

運梁車配合架橋機架梁時，架橋機在后懸臂處將運梁車上PC箱梁的前端吊起，拖著沿架橋機主梁前移，擱在運梁車活動枕梁上的PC箱梁后端沿著運梁車上的軌道同步向前滑行，直至車頭位置，架橋機再將該梁的后端吊起，如圖13所示。

圖13 運梁車配合架橋機架梁后端起吊情形

由上述車上移梁過程可以推知，在PC箱梁后端達到圖13所示位置且架橋機尚未將其吊起時，對車輛的縱向穩(wěn)定性最不利?？梢韵胂螅僭O(shè)16軸全部懸掛并未分組控制，而是油缸全連通，則各輪胎反力基本相同，于是全車就有可能繞其前端(PC箱梁后端壓點)翻起來，即縱傾。為了防止此種危象的發(fā)生，須將懸掛按圖14所示分成2×4組各組獨立連通。

 圖14 架梁工況時懸掛油缸分組形成2×4支點

由以上的分組結(jié)果可知，沿車輛縱軸4組，各輪胎組反力是不相同的，而各組內(nèi)的輪胎反力則是相等的。于是車輛板架結(jié)構(gòu)應(yīng)采用圖15所示的平面彈性支承連續(xù)梁模型進行計算。    

I₁ —板架主梁慣性矩  I₂＝∞ ，虛擬梁慣性矩  K—每軸輪胎剛度系數(shù)

圖15 車輛板架結(jié)構(gòu)的彈性支承連續(xù)梁模型

實際上對圖15所示模型予以進一步簡化后，即可采用經(jīng)典的手算方法進行計算，見圖16。

圖16 車輛板架結(jié)構(gòu)的4跨彈性支承連續(xù)梁模型

由圖15與圖16對比可見，兩者是完全等效的。由圖16所示模型求出每軸線懸掛（輪胎）反力R1～R4 之后，即可按圖17所示模型計算運梁車的縱向傾覆穩(wěn)定性。

圖17 運梁車縱傾計算模型

運梁車繞A點的穩(wěn)定力矩等于運梁車自重（含輪胎重等）對A點的力矩；繞A點的傾覆力矩等于反力R1～R4 分別對A點的力矩之和。前者與后者之比不小于1.3 即為安全。    

3.4  車架結(jié)構(gòu)強度計算

3.4.1  運梁工況時車架主梁結(jié)構(gòu)計算    

運梁工況時車架主梁結(jié)構(gòu)計算可按此前所述方法，系將實際的車輛運載PC箱梁的情景倒置而來，為了按簡支梁模型來計算。本來是14次超靜定的彈性支承連續(xù)梁的復(fù)雜問題，而轉(zhuǎn)化為高精度（實際上為精確解）的簡支梁模型 。則可給出運梁車主梁的彎矩圖如下圖18所示。

圖18  TLC900型輪胎式運梁車運梁時車架主梁結(jié)構(gòu)彎矩圖

接著便可按常規(guī)進行車架主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.4.2  在配合架橋機架梁時車架結(jié)構(gòu)強度計算

以TLC660型輪胎式運梁車為例來說明在配合架橋機架梁時車架結(jié)構(gòu)強度的計算方法。

TLC660型輪胎式運梁車系我們?yōu)轫n國高鐵建設(shè)提供的運、架、提全套施工裝備之一，其總圖示于以下摘錄文檔圖5。注：從下之摘錄文檔從“2.2 關(guān)于運梁車結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制工況說明”開始。    

3.4.3 懸掛結(jié)構(gòu)計算

運梁車的懸掛系統(tǒng)組成見圖16、圖17。    

1－平衡臂；2－懸掛架；3－懸掛油缸；4－減速機馬達；

5－擺動橋；6－輪胎輪輞

圖16 運梁車懸掛架組成實拍圖

圖17 運梁車懸掛架組成設(shè)計圖    

懸掛系統(tǒng)是運梁車最重要的部位，是運梁車的根基和生命。限于篇幅，關(guān)于懸掛架結(jié)構(gòu)強度計算將另在“運梁車懸掛系統(tǒng)設(shè)計”一章中介紹。

（未完 待續(xù)接第二章）