第一節　液壓載重車的技術特點

改革開放以來,我國國民經濟快速發展,特別是進入21世紀以來,國家投入大量人力物力財力進行基礎設施建設。造船、建筑、橋梁、高鐵以及電力等各個行業都有了跨越式的發展,隨之而來的就是巨型、不可拆卸貨物的搬運問題。由于普通載貨汽車存在載重量小、功率小、搬運裝卸不方便等缺點,無法滿足工程需要。大噸位、多軸線、可拼接的自行式載重車由于其車身長、載重量大等特點在架橋、高鐵、造船等行業正發揮著越來越重要的作用。

一、多樣化、大型化

1.多樣化

隨著國民經濟不斷增長,我國公路運輸物流業也在不斷發展,從以前單一模式逐漸轉向復合式發展。運輸物流業的不斷發展就要求運輸車輛特別是大型工程運輸車輛不僅能滿足運輸貨物的需求,更要做到多樣化、節能化和規模化。

(1)掛車的多樣化

半掛車和全掛車需要牽引車作為動力頭來引導,但半掛車區別于全掛車的地方在于,半掛車的承載部位除了掛車本身之外牽引車也承擔部分的載重。根據運輸貨物的不同可以將半掛車分為多個不同種類,例如自卸式半掛車用于礦石、建筑物料等散裝貨物的運輸;重型低平板半掛車主要用于裝載超重超大型物件的運輸;鵝頸式半掛車主要用于公路設備、大件罐體、電站設備等大型物件的運輸。半掛車與載重汽車相比更具經濟性,能夠提高40%的運輸效率,降低35%的成本,下降25%的油耗。

如今貨物種類愈加豐富,客戶要求和運輸條件限制愈加增多,因此單一機械結構的半掛車已經不能滿足超大超重等異形物件的運輸要求,重型液壓半掛車隨之而生。重型液壓半掛車不僅具有與普通半掛車一樣的機械結構,更將液壓系統融入其中,使之具有液壓升降、轉向等功能,這就讓重型液壓半掛車具有承載力大、轉向精度高、操作簡便等優點。如今重型液壓半掛車在異形貨物運輸中的作用和地位愈加明顯,因此有必要對其進行設計和分析,使之具有更加廣泛的應用,對我國公路運輸物流業的發展起到促進作用。針對客戶要求設計出一種車架可伸縮的、具有液壓轉向和升降功能的凹式重型液壓半掛車。

目前我國半掛車已形成產業化,在市面上常見的是自卸式半掛車、重型低平板半掛車、廂式半掛車、罐式半掛車等。雖然半掛車數量在不斷攀升,但其所占市場份額仍然不高。物流業的迅速發展勢必會對運輸類車輛產生新的刺激,也會應運而生一些特殊的半掛車來滿足不同的需求。

半掛車依靠運輸成本低、效率高、適應性強的優點得到了廣泛的應用,除此之外還具有周轉速度快的特點。對于超重、超長等特殊貨物的運輸更是體現了其靈活性,這是常規貨車無法比擬的。圖2?1所示為多軸線組合半掛車,可根據客戶需要運輸40~15000t以上貨物;圖2?2所示為凹式半掛車,車架具有可伸縮功能,可以運輸10~16m長的罐狀貨物。

用于運輸類和作業類的半掛車具有經濟性好、輕量化、方便快捷、靈活多變等特點,承擔著港口運輸、內陸貨運等任務。在歐美、澳大利亞等發達國家和地區隨處可見多樣化和個性化的半掛車,這些半掛車不僅給人耳目一新的感覺,更給國內設計者提供了開闊的思路。在發達國家的公路運輸網絡系統中,半掛車運輸量占總運輸量的70%~80%。隨著全球物流業的迅速擴張,半掛車所占的市場份額會更加猛烈地增長并對運輸業發展起到促進作用。圖2?3所示為固定鵝頸低平板半掛車,圖2?4所示為SMS混凝土攪拌運輸半掛車。

北美半掛車通常是鉸接式車頭或牽引車和半掛車的組合,結構相對簡單。平板掛車材質分為鋁合金鋼材和復合材料,前者面世較早,有廣泛應用,后者出現較晚,因此應用范圍也較小。集裝箱運輸車具有方便、安全、靈活的特點,不僅有通用標準化的產品,也有具有特殊用途的個性產品。現場攪拌混凝土運輸半掛車具有節約原材料的特點,不會產生預拌混凝土攪拌車的離析現象。此外它可以根據訂貨量的多少隨時工作,不用提前預訂以至于支付額外的費用,更具經濟性。此種攪拌車可以進行頭身分離,混凝土半掛車閑置時車頭可以進行其他工作,提高了利用率。腹卸式自卸半掛車不但可以將原材料運輸至施工現場,而且可以直接將路基材料進行現場傾卸,減少工人工作勞動強度,提高筑路效率。

歐洲半掛車具有小而精的特點,把輕量化、靈活化、標準化發揮到極致,設計人員不僅完成零部件的通用化、標準化,更通過設計專屬化、個性化零部件來提高產品性能和競爭力。歐洲路面較窄,因此平板半掛車多采用整軸轉盤轉向式,運輸高密度貨物。

歐洲低平板半掛車既有普通貨臺又有特殊結構貨臺,不僅具有上述歐洲掛車特點,其擴展性也極佳。集裝箱運輸半掛車與北美相比更是種類繁多,伸縮式車架、固定式車架、拆裝式車架等應有盡有。在進行橋梁檢修時通常需要將維修人員送至橋下,普通車無法完成此類工作,橋梁維修半掛車應運而生。歐洲地域的特色半掛車為混凝土板運輸半掛車,車架為外獨立框架,車輪安裝在框架兩側,有獨立液壓懸掛,內部裝載作業,混凝土板通過專用托盤裝運。澳大利亞半掛車做工精細,整體結構特點趨于中間位置,最主要特點是應用范圍廣。半掛車自帶牽引座,可以形成多節掛車組。

(2)模塊車的多樣化

與常規載重平板掛車不同,自行式模塊軸線運輸車簡稱為模塊車,其載重量通常在50t以上,采用閉式泵帶動馬達減速器的驅動方式,轉向方式通常為液壓缸助力轉向。模塊車為多軸線、多懸掛、多輪驅動的運輸車輛,主要用在碼頭、船廠、架橋和高鐵等專用場地。具有機動性強、無需牽引、自行駛、載重量大、拼接方式多樣化等優點。圖2?5為湖北萬山公司生產的十軸線模塊運輸車。

圖2?6為模塊車的拼車使用。船廠需要搬運的船體,碼頭需要搬運的貨物等物件,其形狀大多不規則,體積或重量通常都很大,單輛模塊車難以滿足運輸的需要,為保證物件的順利運輸,可將多輛模塊車進行橫向或縱向拼車使用,可以滿足多樣化的要求。

2.大型化

針對特定工程進行有針對性的總體設計,裝備技術與施工工法相融合,才能發揮運輸裝備的最大功效,從可靠性、安全、節能的角度對大型液壓載重車進行系統優化理論設計,運用現代優化設計方法對大型運載平臺(如大型精密裝備快速運輸車、運梁車、礦用平板動力運輸車等)電液系統可靠性性能進行改善,通過大型化提高產品質量和市場競爭力。

(1)液壓載重車單體的大型化

隨著社會的發展、重大工程的出現、施工工藝的創新,大型構件也越來越多,20世紀幾十噸、上百噸的設備就被認為是大負載,而現在,動輒就是上千噸或上萬噸且體積龐大的需運輸的構件或設備,只能通過運載施工裝備的大型化來實現。國內特車企業研制生產的民用重型平板運輸車已達五大系列50多個品種,單車載重噸位涵蓋35t至1000t級(圖2?7、圖2?8)。

(2)聯合作業的大型化

道路橋梁對于經濟發展起著重要的支撐作用。隨著人們生活水平的提高,人們和社會對橋梁建設提出了更高的要求。橋梁施工技術在全球范圍內處于蓬勃發展期,反映到橋梁技術參數上來,這種要求主要體現于自身減重和加大跨度,而在眾多橋梁類型中,大跨徑簡支箱梁逐漸成為世界各國橋梁結構的主要形式。

近年來世界范圍內大量的跨海、連島橋梁項目逐漸增多,對于跨海、連島橋梁建設,一般具有截面尺寸大、噸位大、跨度大、工程所處地形及地質條件復雜等特點,采用傳統的滿堂支架施工工法已很難滿足工程要求。

科威特海灣大橋(圖2?9、圖2?10)集中體現了此發展趨勢,其跨度達60m、重量達1800t,跨度和重量雙雙創下了世界范圍內簡支箱梁的新紀錄,遠超杭州灣大橋、韓國仁川大橋(1400t)和港珠澳大橋(1600t)。該技術的成功應用,刷新了該工法在世界范圍內預制簡支箱梁的跨度和噸位紀錄,將我國千噸級大型箱梁提、運、架配套裝備的自主研發水平提升到了新的高度。它不僅可以節約大量的人力、物力及財力,而且使得工程質量容易控制、安全可靠;同時縮短了施工周期,提高了作業效率;也利于提高施工管理水平,具有很好的經濟效益、社會效益和環境效益。

二、定制化、協同化

由于大型液壓載重車應用領域廣泛,不同的應用領域的工作要求不一樣,如運載不同結構、不同體積、不同重量的裝備,就要準備不同的解決方案,是單車運輸,還是聯合作業等。車身的幾何元素、裝載能力和控制方式都不是一成不變的,而是多樣化的,已經生產出的現有產品通常難以滿足要求,生產廠家要按客戶要求進行定制化設計和生產。

1.定制化

應用于城市高架、輕軌、大型跨江海橋梁施工的多種成套大型架橋機主要依靠提梁機、運梁車和架橋機協同作業進行整跨混凝土預制箱梁的架設工作。不同場合對設備要求不同,均需要定制完成。

提梁機負責梁場提梁,運梁車負責梁場取梁和運送混凝土預制箱梁到架橋機位置,運梁車喂梁后,架橋機開始架梁。架梁完畢,架橋機簡單拆解,可通過運梁車運送到下一個架梁區段,或通過運梁車馱運通過隧道(圖2?11)。

大型電纜盤、海底油氣軟管卷盤的搬運中轉,利用線盤專用車可以不用其他輔助設備,可以按要求定制設計,見圖2?12。不同的火箭、導彈系統也需要定制不同的特種運輸車,如圖2?13所示。

2.協同化

在許多場合,聯合作業需要不同類型的液壓載重車產品協同配合工作,互相之間,要通過協調控制技術實現協同化聯合作業。

2019年8月4日,廣州南沙區龍穴島黃埔文沖造船廠。深中通道海底沉管隧道第二節鋼殼管節(E2),長165m、寬46m、高10.6m,重達1.2萬噸,將轉運至江岸邊的“黃船030”號。整條隧道由

32個這樣的“大家伙”連接而成。湖北三江航天萬山特種車輛有限公司(簡稱萬山特車)研發生產的28臺自行式模塊運輸車主擔本次搬運。只見模塊車自由組合、步調一致,鉆入支架下方托起“大家伙”,從船廠平穩駛出,抵達“黃船030”號,“大家伙”穩穩地坐在了船體的支架上,整個運輸時間在3個小時左右(圖2?14)。

三、模塊化、系列化

模塊化、系列化是液壓載重車的發展趨勢。要適應液壓載重車隨承載噸位、外形尺寸、功能要求及使用場合的變化,模塊化、系列化設計是解決問題的最佳途徑。對懸掛、轉向機構、動力系統、駕駛室和微電控制系統等部件實現模塊化設計,不僅可以提高各部件的可靠性,還可以降低液壓載重車的生產成本和維護費用。模塊化不但可以使液壓載重車實現拼接(橫向、縱向)組成特大型液壓載重車,而且使液壓載重車便于運輸、拆卸,滿足不同噸位和形狀的大件貨物或不規則貨物的運輸和裝卸。

1.模塊化

運輸物件的體積過大、形狀不規則或重量超過單臺液壓載重車的承載能力時,為保證該物件的安全運輸,可將多臺液壓載重車縱向或橫向拼接并用,這就要求多個液壓載重車保持同步作業,如圖2?15,為模塊化液壓載重車單車,其工作組合如圖2?16。

液壓載重車的組合拼接,既可以通過機械剛性連接,也可以通過一個控制器控制多臺液壓載重車實現液壓載重車的軟連接。機械剛性連接采用機械方式實現同步,而采用軟連接方式則需要每臺液壓載重車的控制精度較高,通過傳感器檢測各車的位置變化,采用控制器控制所有液壓載重車協同工作。目前國內普遍采用機械剛性連接方式組合拼接,軟連接方式還有待進一步研究。

這里我們簡單介紹一下基于CAN總線的軟連接的模塊化液壓載重車正常工作所需要滿足的一些條件,圖2?17為液壓載重車模塊化組合應用示意圖。

多臺載重車的發動機型號相同,車輪輪徑相同,驅動泵排量相同,驅動液壓馬達相同,減速比相同。

多臺車同時受控于任意一臺車的任意一個駕駛室,當選定某一個駕駛室時,其他車的駕駛室被取消控制功能。

每臺車要按規定速度行駛,同時每臺車的發動機轉速需要同步控制,轉向角度需要同步控制,車的高度調整需要同步控制,轉向時每臺車的行駛速度按照不同的轉彎半徑進行協調控制。

車與車之間只有數據線連接,沒有其他剛性連接。

每臺車在空車時候可以獨立駕駛,需要并車時,根據工件的大小,調整車的位置,裝載工件,然后測量車與車之間的距離,將這些數據按照駕駛室的顯示器提供的提示部分輸入顯示器,以適應工件的不同尺寸。

通過模塊化我們可以分別以多種軸線為整體做成各種單個模塊,在每個模塊的前后左右兩側均配置有便于拼裝用的機械、液壓、壓縮空氣及電氣接口,可以根據需要進行縱向串聯式或者橫向并聯式拼裝組合,以達到對各種不規則形狀和不同噸位貨物的運輸的要求。

2.系列化

系列化是液壓載重車發展的重要趨勢。當今國外著名液壓載重車生產廠家在逐步實現其產品系列化進程,形成了從微型到特大型不同規格的產品系列。同時產品更新換代的周期也明顯縮短。

自行式模塊軸線運輸車是在掛式或半掛式普通軸線車的基礎上,隨著液壓技術的發展而發展起來的。國外對軸線車的研究開始于20世紀30年代,目前軸線車在向大噸位、大型化、超多軸線發展,并且采用模塊化的組合方式,可以很好地滿足形狀不規則、大噸位貨物的運輸需要。模塊車的國外生產廠家目前有法國的Nicolas(尼古拉斯),意大利的COMETTO、NICOLA,德國的GOLDHOFER(歌德浩夫)、KIROW、KAMAG、SCHEUERLE等。圖2?18所示為國外公司生產的超多軸線模塊運輸車。

國外特種車輛生產公司由于涉足模塊車領域時間更長,技術更加完善,零部件性能相對更好等原因,產品的可靠性更高,使用壽命更長,性能更好,尤其是在軸線多、載重量大的情況下優勢更加明顯。但也存在交貨時間長、價格昂貴、售后服務跟不上、配件更換不方便等缺點。除此之外,國外模塊車的電子化程度較高,很多檢測系統和電氣設備有了故障后用戶往往自行解決不了,只能依靠國外服務人員上門維修,這就導致了維修費用昂貴,維修周期長,有時候還會延誤工期。

受廣闊市場空間的影響,20世紀末21世紀初國內興起了很多液壓載重車等特種車輛的生產廠家,主要有鄭州新大方、秦皇島天業通聯、湖北萬山以及江蘇海鵬等。其中大部分是從仿制國外的產品開始,后來有了自主知識產權的國產化模塊車,但單軸線載重量較國外低,屬于輕型板系列。隨著我國基礎設施的大規模建設,貨物的噸位在不斷提高,國內廠家紛紛開始研制重型板系列。全國模塊車市場,已經研發生產了20多種模塊車產品,湖北萬山公司開發的重型板系列產品單軸線承載量達到了60t,性能與德國GOLDHOFER公司THP/SL系列相當。圖2?19為萬山特車為船廠研制的自行式液壓模塊車,圖2?20為秦皇島天業通聯公司生產的模塊車。

四、節能化、輕量化

1.節能化

面對經濟性和環境保護問題,節能成為工程機械發展越來越重要的課題。液壓載重車等大型工程機械節能主要包括液壓系統的節能和從發動機到液壓系統的全局功率匹配兩方面內容。如果機型相同,裝機功率大就意味著總排放量大,不僅浪費能量而且尾氣排放也增大。這是我國工程機械存在的問題,必須通過全面推廣現有的節能液壓元件和系統、減小元件的重量和尺寸、提高功率密度、改進液壓傳動元件和智能控制系統加以解決。

(1)液壓系統的節能

液壓系統的節能最基本的技術為負載敏感技術以及抗流量飽和節能高效同步操作系統(LUDV),即根據負載的變化需要改變系統壓力和流量。對于使用多路閥的液壓系統的節能新亮點是所謂的“負流量控制”。它是通過在多路閥中位回油通道上設置流量檢測元件,并將此流量信號引至具有負流量控制功能的變量泵,以改變泵的排量,最終達到控制旁路回油流量為一個較小的恒定值,達到減少旁路損失的目的。

此外,采用雙泵?雙閥結構的液壓系統,控制閥實現串并聯油路組合,獲得較好的操作性,使得兩泵能充分利用發動機的能量。

有些工程機械執行機構與液壓源距離遠而引起的長管道問題,使得無法采用現有負載敏感技術。即使采用非負載敏感式定量泵加電液比例多路閥的控制方式,位于定量泵與電液比例多路閥之間的長管道,仍然會導致作業機構動作滯后或者作業精度差等問題。對此,工程技術人員提出了相應的管道優化設計理論以及電液混合負載敏感系統的解決方案,針對閥控系統提出了用于判斷能否忽略其管道效應的理論判據。

(2)發動機與液壓系統的功率匹配

發動機與液壓系統的功率匹配控制包括局部負載時的模式切換控制和基于發動機轉速敏感的全局功率匹配控制。

局部負載時的模式切換控制系統在環境改變時會主動改變發動機的轉速和功率,按照多種模式(如強調工作量重要性模式、強調油耗和噪聲模式、強調工作精度模式等)工作,微機同時控制發動機和液壓泵,微機根據操縱手柄的指令和工作模式的要求,控制調節器和液壓泵的排量。

基于發動機轉速敏感的全局功率匹配控制是將發動機、液壓泵、控制閥及并行作業的液壓執行元件作為一個整體來考慮。如為了達到某一作業速度,可以通過改變液壓泵排量、液壓閥開度、液壓馬達排量,還可以通過改變發動機油門大小,進而改變發動機轉速來實現。通過工程機械全局功率匹配,實現從發動機到液壓功率的高效率轉化,液壓泵可以在保證發動機不熄火的前提下最大限度地吸收發動機的功率。

過去主要是考慮如何實現其功能要求,滿足其性能指標,而對系統的節能問題沒有引起足夠的重視,往往采取以消耗動力的方式來換取較好的工作性能,導致大量能量浪費。液壓載重車的無功能耗非常大,這不僅浪費了大量能源,而且由于這些耗費的能量轉化為熱量,又惡化了系統工況。為了降低系統的“熱負荷”,又不得不采取散熱措施,再次消耗動力,增加成本,陷入惡性循環。雖然液壓載重車的節能問題逐步得到了重視,取得了一些成果,但是還不夠完善,液壓載重車的節能還有大量的工作需要我們去深入研究。

(3)采用混合動力系統

系統高效節能的設計,如果從減少發動機排放考慮,驅動系統可以采用電機驅動,或選用電控高性能長壽命節能型發動機。通常在保證正常工作的前提下,采用混合動力即電池組與充電內燃機合作驅動是目前環保型機械最常見的方案。

2.輕量化

近年來,國內外模塊車生產廠家在以前基礎上不斷探索研究,采用了一些新的技術,使模塊車的自重更低,性能更好,市場競爭力更強,也是節能化的一個重要方面。

(1)更高的軸線承載能力

GOLDHOFER公司的產品在高軸線承載技術方面取得突破,使軸線的承載能力得到了很大提高。GOLDHOFER公司PST/ES?E系列產品單軸線承載能力達到了每軸線50t。

他們的產品如液壓缸、懸掛、防爆閥、大噸位承載橋及輪胎等關鍵部件性能好,車輛結構強度高,液壓系統性能好。

(2)先進的車架制造工藝

德國的SCHEUERLE公司在車架輕量化的研究方面取得了進展,其車架采用了工裝分段組焊和加工技術,剛性大、強度高、重量輕。

(3)微小型液壓元件和集成單元

采用數字化和輕量化液壓單元,特別是航空航天微小型液壓元件的功率密度大的液壓系統如電液作動器的應用,對大型液壓載重車及其他大型工程機械的輕量化和節能化會有革命性的變革。

五、信息化、安全化

大型液壓載重車機械特征是功率大、機重大、機械重要度大和單機價值大。“四大”帶來的問題是控制到執行的跨尺度、大延遲和大慣量問題,多動力、多執行部件的耦合和協同控制管理問題,含人及局部智能部件在內信息物理系統的增強智能控管,多方位作業信息的感知困難問題,和大型復雜機電一體化裝備如何利用網絡化監測數據實現高效可靠運行問題。

1.信息化

在現有能量高效利用技術架構下,應利用信息化技術進一步實現能量高效利用和優化機械動力供給體系。動力供給體系拓撲優化——發動機、泵、作業機構動力供給體系評價及優化,動力協同管理。

將能量回收、混合動力和各機構用能分配通過信息互聯進行綜合管理,實現能量的存用協調和全局協同,及時對用能方案進行評價和調整,提高機械能效特性。設計合適的狀態特征量提取方法,建立評價指標與狀態特征量之間的映射。可以分別用FCE?AHP法和可拓集合法建立性能退化特征函數,進行故障預示。

采用CAN?BUS液壓載重車控制和無線數據網與Internet結合的網絡監控系統,建立循環作業強度的時間序列模型和健康指數模型,通過大數據方法挖掘運行統計特性,采用可拓集合建立性能退化評價函數和健康指數模型實現健康管理。

大型液壓載重車要實現信息化,首先使機械的每個動力與執行機構實現數字化控制和網絡化綜合,主要被控狀態量可以通過傳感器網絡監測;其次設計網絡化控管節點、人機交互節點和調試開發環境;再者開發高效適用的智能控制與管理軟件,實現線控、數控、網聯(現場總線)、智能化。

信息化管理體系見圖2?21。

2.安全化

液壓載重車機載計算機可根據各種傳感器的檢測信號,結合專家知識庫對機器的運行狀態進行評估,預測可能出現的故障;在出現故障時發出故障信息,指導駕駛員查找和排除故障。安全化隨著網絡技術的發展,實現多專家與多系統的共同診斷,一種有效的解決途徑就是建立基于網絡的遠程故障診斷與監測系統。網絡化的遠程設備故障診斷系統中儲存了多種設備的故障診斷知識和經驗,可響應不同監測現場用戶的使用要求,不同的監測現場可以與同一個診斷中心建立聯系,使得用戶的使用頻率很高。這樣一來可以避免系統的重復開發和維護,顯著降低了成本。

基于網絡的液壓載重車故障診斷與監測系統是安全化的必由之路,可以直接提高企業設備管理和維護水平,對提高企業效益和產品競爭力具有巨大作用。通常可采用下列方法:

① 如增加防撞雷達系統,能在行駛中對前方障礙物進行檢測并減速停車(可選);

② 故障診斷系統,整機液壓系統的各種壓力數據,油溫數據,吸油、壓油及回油堵塞的數據,發動機的水溫、油壓、轉速、小時計等,總線數據,編碼器數據,控制器的總線狀態等可實時進行顯示及故障報警,并設計了故障報警列表,能及時查看當前的故障及歷史故障;

③ 整機采用移動車輛專用控制器及HMI,整機CAN?BUS通信。