铁路混凝士预制梁浇筑车的研制

引言

铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程。党中央、国务院高度重视铁路发展,2016年7月,国家发展改革委、交通运输部、中国铁路总公司联合发布了《中长期铁路网规划》,勾画了新时期"八纵八横"高速铁路网的宏大蓝图。

桥梁设计与建造是高速铁路建设的关键,桥梁建造过程中会应用大量的混凝土预制梁,在梁场内浇筑混凝土预制梁常使用龙门吊作为运输和浇筑载具,混凝土料斗盛满混凝土后用龙门吊吊起,移动到预制梁模板上方,再进行浇筑。采用此种方式,在实践过程中存在几个缺点:料斗在搅拌站接料后无法直接吊起,需要转运:由于龙门吊沿轨道行走,对梁厂的布置空间有硬性要求:龙门吊移动速度慢,浇筑效率低:龙门吊体积大,多台同时运行时易发生干涉:料斗吊至指定位置时,闸门开合的操作需要人工完成,极为不便。

在梁场内浇筑混凝土预制梁也会使用混凝土泵车作为运输和浇筑载具,其运输速度快,扬程高,工作效率高,但同样面临诸多问题:泵车需要足够的行车空间,影响梁场布置的紧凑性:泵车无法边行走边浇筑,且输送管道移动不便:泵车容积有限,浇筑成本高。

因此,秦皇岛优益创联科技发展有限公司为国内某工程研发了一款用于铁路混凝土预制梁浇筑的工程车辆,用于梁场内从混凝土搅拌站到混凝土梁浇筑地点的混凝土运输和浇筑,应用新工法,实现在狭小空间内高效率地完成浇筑作业。

1主要技术参数

铁路混凝土预制梁浇筑车(以下简称"台车")是"机一电一液"相结合的高技术产品,采用液压驱动、全桥刚性悬挂、独立转向,采用工业级微机来控制驱动、转向,同时能够实现直行、斜行、原地转向等多种运行模式。整车运行灵活,可以在较小的场地完成工作任务,其技术参数如表1所示。

2主要结构组成及特点

台车由车架结构、下料系统、行走系统、转向系统、动力系统、液压系统、电气系统、控制系统、监控系统和驾驶室等部件组成。台车车架呈双门字结构,发电机组和动力舱位于两肩,料仓中置。台车有两轴线,驱动轴线前置(驾驶室侧),从动轴线后置,轮胎采用4条12.00-24实心轮胎。台车采用刚性悬挂、液压驱动、电液转向,控制系统采用现场总线控制模式。台车如图1所示。

2.1车架结构

车架呈双门架结构,由主梁、支腿、下横梁、托架组成,主梁、支腿、下横梁为箱型结构,刚度大,强度高,承载力大:托架由H型钢拼接而成,便于安装动力舱和发电机组。各部分均采用高强度螺栓连接,分解后的单元外形尺寸满足公路、铁路运输要求。车架结构如图2所示。

图2 台车车架结构图

2.2下料系统

下料系统包括料斗、闸门和搅拌装置,料斗内部设置高分子耐磨材料,闸门采用插板形式,设置提升压紧密封结构,闸门通过油缸开合,通过控制油缸的行程来控制下料速度。

2.3行走系统

台车有两轴线,驱动轴线包含两个驱动单元,从动轴线包含两个从动单元。台车采用全刚性悬挂,抑制车辆行驶过程中的震颤,并将驱动轴线前置,提高整车动力性能。

驱动单元主要由悬挂架、驱动马达与减速机、轮胎、轮锢构成。液压系统带动马达转动,通过减速机最终将动力传递到轮胎上,实现行走功能,从动轴采用阶梯轴形式,优化受力。驱动单元如图3所示。

图3 驱动单元

2.4转向系统

台车采用全轮独立转向,转向系统包括马达、减速机、小齿轮、回转支撑、编码器等,马达通过减速机带动小齿轮,小齿轮与回转支撑的外齿啮合传递扭矩,实现转向,结构如图4所示。

上层PLC按照运行模式和转向指令,解析出各轮组转角,下层控制器按照转角指令值控制转向系统,安装在转向系统上的角度传感器实时测量当前转角,反馈给控制器,构成闭环控制,实现精确的转向控制,单轴转向精度为0.5°。

2.5液压系统

台车行走驱动系统为开式液压系统,电液控制,工作液压系统为开式液压系统,采用恒功率和负荷传感控制,系统的外负荷变化通过传感元件反馈到变量泵的变量控制系统,根据需要自动调节输出流量和工作压力,以使子系统处于最佳功效匹配状态。

2.6 电控系统

台车的微电控系统采用基于CAN总线的分布式控制,选用进口工程车辆专用控制器,具有CAN总线接口,降低了电控部分的复杂性,控制器防护等级达到IP67,可用在振动、潮湿等工作环境,可靠性极高。

3台车关键部位有限元仿真计算

3.1车架仿真计算

车架为台车的承载结构,负载大,形状复杂,采用有限元仿真计算的方法对其进行强度分析与校核计算,充分保障设备运行的安全性,仿真结果如图5所示。

图5 车架强度仿真结果

如图5所示,车架主梁应力分布较为集中,最大应力点在主梁与支腿接触处,约为114MPM,小于许用应力,因此设计满足强度要求。

3.2悬挂架强度仿真计算

悬挂架负载大,形状复杂,存在拐点,容易产生应力集中,且常规计算方法难以准确反映其受力状态,因此采用有限元仿真计算的方法进行强度校核计算,充分保障设备运行的安全性,仿真结果如图6所示。

图6 悬挂架仿真结果

如图6所示,悬挂架在额定载荷状态下主体应力较小,应力最大点出现在转角处,其应力最大值为a93MPM,小于许用应力,因此设计满足强度要求。

3.3车架模态仿真计算

台车在行驶过程中,受到各种复杂载荷作用,周期性变化的载荷成为激振源会引起台车震动,当激振频率与台车固有频率相等或相近时,台车会出现共振现象,严重影响台车的正常工作。通过对台车的模态分析计算出台车固有频率,可以对台车的振动性进行校核,模态仿真结果如图7所示。

图7 车架模态仿真结果

经过仿真计算,车架的1~4阶固有频率依次为16.03Hz、19.76Hz、20.91Hz、26.63Hz。混凝土台车行驶速度缓慢,车轮转速为0.1~1.2r/s,从地面和轮胎上产生的激振频率远小于金属结构一阶固有频率,不会引起共振现象。动力舱电机转速为24.5r/s,发电机组柴油机转速为25r/s,距离四阶固有频率较近,由于二者激振能量较小,金属结构不会发生明显共振现象,因此台车的振动特性满足使用要求。

4结语

本铁路混凝土预制梁浇筑车是机电液一体化的高科技产品,属于创新型设备,其技术达到国内先进水平。铁路混凝土预制梁浇筑车的成功研制,对各种铁路施工非标车辆的研制具有指导意义,具有广阔的应用前景。