第一节 液压载重车的技术特点
改革开放以来,我国国民经济快速发展,特别是进入21世纪以来,国家投入大量人力物力财力进行基础设施建设。造船、建筑、桥梁、高铁以及电力等各个行业都有了跨越式的发展,随之而来的就是巨型、不可拆卸货物的搬运问题。由于普通载货汽车存在载重量小、功率小、搬运装卸不方便等缺点,无法满足工程需要。大吨位、多轴线、可拼接的自行式载重车由于其车身长、载重量大等特点在架桥、高铁、造船等行业正发挥着越来越重要的作用。
一、多样化、大型化
1.多样化
随着国民经济不断增长,我国公路运输物流业也在不断发展,从以前单一模式逐渐转向复合式发展。运输物流业的不断发展就要求运输车辆特别是大型工程运输车辆不仅能满足运输货物的需求,更要做到多样化、节能化和规模化。
(1)挂车的多样化
半挂车和全挂车需要牵引车作为动力头来引导,但半挂车区别于全挂车的地方在于,半挂车的承载部位除了挂车本身之外牵引车也承担部分的载重。根据运输货物的不同可以将半挂车分为多个不同种类,例如自卸式半挂车用于矿石、建筑物料等散装货物的运输;重型低平板半挂车主要用于装载超重超大型物件的运输;鹅颈式半挂车主要用于公路设备、大件罐体、电站设备等大型物件的运输。半挂车与载重汽车相比更具经济性,能够提高40%的运输效率,降低35%的成本,下降25%的油耗。
如今货物种类愈加丰富,客户要求和运输条件限制愈加增多,因此单一机械结构的半挂车已经不能满足超大超重等异形物件的运输要求,重型液压半挂车随之而生。重型液压半挂车不仅具有与普通半挂车一样的机械结构,更将液压系统融入其中,使之具有液压升降、转向等功能,这就让重型液压半挂车具有承载力大、转向精度高、操作简便等优点。如今重型液压半挂车在异形货物运输中的作用和地位愈加明显,因此有必要对其进行设计和分析,使之具有更加广泛的应用,对我国公路运输物流业的发展起到促进作用。针对客户要求设计出一种车架可伸缩的、具有液压转向和升降功能的凹式重型液压半挂车。
目前我国半挂车已形成产业化,在市面上常见的是自卸式半挂车、重型低平板半挂车、厢式半挂车、罐式半挂车等。虽然半挂车数量在不断攀升,但其所占市场份额仍然不高。物流业的迅速发展势必会对运输类车辆产生新的刺激,也会应运而生一些特殊的半挂车来满足不同的需求。
半挂车依靠运输成本低、效率高、适应性强的优点得到了广泛的应用,除此之外还具有周转速度快的特点。对于超重、超长等特殊货物的运输更是体现了其灵活性,这是常规货车无法比拟的。图2⁃1所示为多轴线组合半挂车,可根据客户需要运输40~15000t以上货物;图2⁃2所示为凹式半挂车,车架具有可伸缩功能,可以运输10~16m长的罐状货物。
图2⁃1 多轴线组合半挂车
图2⁃2 凹式半挂车
用于运输类和作业类的半挂车具有经济性好、轻量化、方便快捷、灵活多变等特点,承担着港口运输、内陆货运等任务。在欧美、澳大利亚等发达国家和地区随处可见多样化和个性化的半挂车,这些半挂车不仅给人耳目一新的感觉,更给国内设计者提供了开阔的思路。在发达国家的公路运输网络系统中,半挂车运输量占总运输量的70%~80%。随着全球物流业的迅速扩张,半挂车所占的市场份额会更加猛烈地增长并对运输业发展起到促进作用。图2⁃3所示为固定鹅颈低平板半挂车,图2⁃4所示为SMS混凝土搅拌运输半挂车。
图2⁃3 固定鹅颈低平板半挂车
图2⁃4 SMS混凝土搅拌运输半挂车
北美半挂车通常是铰接式车头或牵引车和半挂车的组合,结构相对简单。平板挂车材质分为铝合金钢材和复合材料,前者面世较早,有广泛应用,后者出现较晚,因此应用范围也较小。集装箱运输车具有方便、安全、灵活的特点,不仅有通用标准化的产品,也有具有特殊用途的个性产品。现场搅拌混凝土运输半挂车具有节约原材料的特点,不会产生预拌混凝土搅拌车的离析现象。此外它可以根据订货量的多少随时工作,不用提前预订以至于支付额外的费用,更具经济性。此种搅拌车可以进行头身分离,混凝土半挂车闲置时车头可以进行其他工作,提高了利用率。腹卸式自卸半挂车不但可以将原材料运输至施工现场,而且可以直接将路基材料进行现场倾卸,减少工人工作劳动强度,提高筑路效率。
欧洲半挂车具有小而精的特点,把轻量化、灵活化、标准化发挥到极致,设计人员不仅完成零部件的通用化、标准化,更通过设计专属化、个性化零部件来提高产品性能和竞争力。欧洲路面较窄,因此平板半挂车多采用整轴转盘转向式,运输高密度货物。
欧洲低平板半挂车既有普通货台又有特殊结构货台,不仅具有上述欧洲挂车特点,其扩展性也极佳。集装箱运输半挂车与北美相比更是种类繁多,伸缩式车架、固定式车架、拆装式车架等应有尽有。在进行桥梁检修时通常需要将维修人员送至桥下,普通车无法完成此类工作,桥梁维修半挂车应运而生。欧洲地域的特色半挂车为混凝土板运输半挂车,车架为外独立框架,车轮安装在框架两侧,有独立液压悬挂,内部装载作业,混凝土板通过专用托盘装运。澳大利亚半挂车做工精细,整体结构特点趋于中间位置,最主要特点是应用范围广。半挂车自带牵引座,可以形成多节挂车组。
(2)模块车的多样化
与常规载重平板挂车不同,自行式模块轴线运输车简称为模块车,其载重量通常在50t以上,采用闭式泵带动马达减速器的驱动方式,转向方式通常为液压缸助力转向。模块车为多轴线、多悬挂、多轮驱动的运输车辆,主要用在码头、船厂、架桥和高铁等专用场地。具有机动性强、无需牵引、自行驶、载重量大、拼接方式多样化等优点。图2⁃5为湖北万山公司生产的十轴线模块运输车。
图2⁃5 湖北万山公司的十轴线模块车
图2⁃6为模块车的拼车使用。船厂需要搬运的船体,码头需要搬运的货物等物件,其形状大多不规则,体积或重量通常都很大,单辆模块车难以满足运输的需要,为保证物件的顺利运输,可将多辆模块车进行横向或纵向拼车使用,可以满足多样化的要求。
图2⁃6 三辆模块车的拼车
2.大型化
针对特定工程进行有针对性的总体设计,装备技术与施工工法相融合,才能发挥运输装备的最大功效,从可靠性、安全、节能的角度对大型液压载重车进行系统优化理论设计,运用现代优化设计方法对大型运载平台(如大型精密装备快速运输车、运梁车、矿用平板动力运输车等)电液系统可靠性性能进行改善,通过大型化提高产品质量和市场竞争力。
(1)液压载重车单体的大型化
随着社会的发展、重大工程的出现、施工工艺的创新,大型构件也越来越多,20世纪几十吨、上百吨的设备就被认为是大负载,而现在,动辄就是上千吨或上万吨且体积庞大的需运输的构件或设备,只能通过运载施工装备的大型化来实现。国内特车企业研制生产的民用重型平板运输车已达五大系列50多个品种,单车载重吨位涵盖35t至1000t级(图2⁃7、图2⁃8)。
图2⁃7 万山1000t“巨无霸”运抵外高桥交付使用
图2⁃8 通联为加拿大研发的1000t桥墩运输车
(2)联合作业的大型化
道路桥梁对于经济发展起着重要的支撑作用。随着人们生活水平的提高,人们和社会对桥梁建设提出了更高的要求。桥梁施工技术在全球范围内处于蓬勃发展期,反映到桥梁技术参数上来,这种要求主要体现于自身减重和加大跨度,而在众多桥梁类型中,大跨径简支箱梁逐渐成为世界各国桥梁结构的主要形式。
近年来世界范围内大量的跨海、连岛桥梁项目逐渐增多,对于跨海、连岛桥梁建设,一般具有截面尺寸大、吨位大、跨度大、工程所处地形及地质条件复杂等特点,采用传统的满堂支架施工工法已很难满足工程要求。
科威特海湾大桥(图2⁃9、图2⁃10)集中体现了此发展趋势,其跨度达60m、重量达1800t,跨度和重量双双创下了世界范围内简支箱梁的新纪录,远超杭州湾大桥、韩国仁川大桥(1400t)和港珠澳大桥(1600t)。该技术的成功应用,刷新了该工法在世界范围内预制简支箱梁的跨度和吨位纪录,将我国千吨级大型箱梁提、运、架配套装备的自主研发水平提升到了新的高度。它不仅可以节约大量的人力、物力及财力,而且使得工程质量容易控制、安全可靠;同时缩短了施工周期,提高了作业效率;也利于提高施工管理水平,具有很好的经济效益、社会效益和环境效益。
图2⁃9 科威特海湾大桥二桥(多哈大桥)1700t运梁车
图2⁃10 科威特海湾大桥一桥1800t架桥机与运梁车联合作业
二、定制化、协同化
由于大型液压载重车应用领域广泛,不同的应用领域的工作要求不一样,如运载不同结构、不同体积、不同重量的装备,就要准备不同的解决方案,是单车运输,还是联合作业等。车身的几何元素、装载能力和控制方式都不是一成不变的,而是多样化的,已经生产出的现有产品通常难以满足要求,生产厂家要按客户要求进行定制化设计和生产。
1.定制化
应用于城市高架、轻轨、大型跨江海桥梁施工的多种成套大型架桥机主要依靠提梁机、运梁车和架桥机协同作业进行整跨混凝土预制箱梁的架设工作。不同场合对设备要求不同,均需要定制完成。
图2⁃11 中国苏通长江大桥预制节段箱梁拼装工艺运梁车
提梁机负责梁场提梁,运梁车负责梁场取梁和运送混凝土预制箱梁到架桥机位置,运梁车喂梁后,架桥机开始架梁。架梁完毕,架桥机简单拆解,可通过运梁车运送到下一个架梁区段,或通过运梁车驮运通过隧道(图2⁃11)。
大型电缆盘、海底油气软管卷盘的搬运中转,利用线盘专用车可以不用其他辅助设备,可以按要求定制设计,见图2⁃12。不同的火箭、导弹系统也需要定制不同的特种运输车,如图2⁃13所示。
图2⁃12 线盘专用车
图2⁃13 火箭发射车
2.协同化
在许多场合,联合作业需要不同类型的液压载重车产品协同配合工作,互相之间,要通过协调控制技术实现协同化联合作业。
2019年8月4日,广州南沙区龙穴岛黄埔文冲造船厂。深中通道海底沉管隧道第二节钢壳管节(E2),长165m、宽46m、高10.6m,重达1.2万吨,将转运至江岸边的“黄船030”号。整条隧道由
图2⁃14 万山模块车协同作业的大件运输
32个这样的“大家伙”连接而成。湖北三江航天万山特种车辆有限公司(简称万山特车)研发生产的28台自行式模块运输车主担本次搬运。只见模块车自由组合、步调一致,钻入支架下方托起“大家伙”,从船厂平稳驶出,抵达“黄船030”号,“大家伙”稳稳地坐在了船体的支架上,整个运输时间在3个小时左右(图2⁃14)。
三、模块化、系列化
模块化、系列化是液压载重车的发展趋势。要适应液压载重车随承载吨位、外形尺寸、功能要求及使用场合的变化,模块化、系列化设计是解决问题的最佳途径。对悬挂、转向机构、动力系统、驾驶室和微电控制系统等部件实现模块化设计,不仅可以提高各部件的可靠性,还可以降低液压载重车的生产成本和维护费用。模块化不但可以使液压载重车实现拼接(横向、纵向)组成特大型液压载重车,而且使液压载重车便于运输、拆卸,满足不同吨位和形状的大件货物或不规则货物的运输和装卸。
1.模块化
运输物件的体积过大、形状不规则或重量超过单台液压载重车的承载能力时,为保证该物件的安全运输,可将多台液压载重车纵向或横向拼接并用,这就要求多个液压载重车保持同步作业,如图2⁃15,为模块化液压载重车单车,其工作组合如图2⁃16。
图2⁃15 模块化单车液压载重车
图2⁃16 模块化组合液压载重车
液压载重车的组合拼接,既可以通过机械刚性连接,也可以通过一个控制器控制多台液压载重车实现液压载重车的软连接。机械刚性连接采用机械方式实现同步,而采用软连接方式则需要每台液压载重车的控制精度较高,通过传感器检测各车的位置变化,采用控制器控制所有液压载重车协同工作。目前国内普遍采用机械刚性连接方式组合拼接,软连接方式还有待进一步研究。
这里我们简单介绍一下基于CAN总线的软连接的模块化液压载重车正常工作所需要满足的一些条件,图2⁃17为液压载重车模块化组合应用示意图。
多台载重车的发动机型号相同,车轮轮径相同,驱动泵排量相同,驱动液压马达相同,减速比相同。
多台车同时受控于任意一台车的任意一个驾驶室,当选定某一个驾驶室时,其他车的驾驶室被取消控制功能。
图2⁃17 模块化组合应用示意图
每台车要按规定速度行驶,同时每台车的发动机转速需要同步控制,转向角度需要同步控制,车的高度调整需要同步控制,转向时每台车的行驶速度按照不同的转弯半径进行协调控制。
车与车之间只有数据线连接,没有其他刚性连接。
每台车在空车时候可以独立驾驶,需要并车时,根据工件的大小,调整车的位置,装载工件,然后测量车与车之间的距离,将这些数据按照驾驶室的显示器提供的提示部分输入显示器,以适应工件的不同尺寸。
通过模块化我们可以分别以多种轴线为整体做成各种单个模块,在每个模块的前后左右两侧均配置有便于拼装用的机械、液压、压缩空气及电气接口,可以根据需要进行纵向串联式或者横向并联式拼装组合,以达到对各种不规则形状和不同吨位货物的运输的要求。
2.系列化
系列化是液压载重车发展的重要趋势。当今国外著名液压载重车生产厂家在逐步实现其产品系列化进程,形成了从微型到特大型不同规格的产品系列。同时产品更新换代的周期也明显缩短。
自行式模块轴线运输车是在挂式或半挂式普通轴线车的基础上,随着液压技术的发展而发展起来的。国外对轴线车的研究开始于20世纪30年代,目前轴线车在向大吨位、大型化、超多轴线发展,并且采用模块化的组合方式,可以很好地满足形状不规则、大吨位货物的运输需要。模块车的国外生产厂家目前有法国的Nicolas(尼古拉斯),意大利的COMETTO、NICOLA,德国的GOLDHOFER(歌德浩夫)、KIROW、KAMAG、SCHEUERLE等。图2⁃18所示为国外公司生产的超多轴线模块运输车。
图2⁃18 国外公司生产的超多轴线模块运输车
国外特种车辆生产公司由于涉足模块车领域时间更长,技术更加完善,零部件性能相对更好等原因,产品的可靠性更高,使用寿命更长,性能更好,尤其是在轴线多、载重量大的情况下优势更加明显。但也存在交货时间长、价格昂贵、售后服务跟不上、配件更换不方便等缺点。除此之外,国外模块车的电子化程度较高,很多检测系统和电气设备有了故障后用户往往自行解决不了,只能依靠国外服务人员上门维修,这就导致了维修费用昂贵,维修周期长,有时候还会延误工期。
受广阔市场空间的影响,20世纪末21世纪初国内兴起了很多液压载重车等特种车辆的生产厂家,主要有郑州新大方、秦皇岛天业通联、湖北万山以及江苏海鹏等。其中大部分是从仿制国外的产品开始,后来有了自主知识产权的国产化模块车,但单轴线载重量较国外低,属于轻型板系列。随着我国基础设施的大规模建设,货物的吨位在不断提高,国内厂家纷纷开始研制重型板系列。全国模块车市场,已经研发生产了20多种模块车产品,湖北万山公司开发的重型板系列产品单轴线承载量达到了60t,性能与德国GOLDHOFER公司THP/SL系列相当。图2⁃19为万山特车为船厂研制的自行式液压模块车,图2⁃20为秦皇岛天业通联公司生产的模块车。
图2⁃19 万山特车为船厂研制的自行式液压模块车
图2⁃20 秦皇岛天业通联生产的模块车
四、节能化、轻量化
1.节能化
面对经济性和环境保护问题,节能成为工程机械发展越来越重要的课题。液压载重车等大型工程机械节能主要包括液压系统的节能和从发动机到液压系统的全局功率匹配两方面内容。如果机型相同,装机功率大就意味着总排放量大,不仅浪费能量而且尾气排放也增大。这是我国工程机械存在的问题,必须通过全面推广现有的节能液压元件和系统、减小元件的重量和尺寸、提高功率密度、改进液压传动元件和智能控制系统加以解决。
(1)液压系统的节能
液压系统的节能最基本的技术为负载敏感技术以及抗流量饱和节能高效同步操作系统(LUDV),即根据负载的变化需要改变系统压力和流量。对于使用多路阀的液压系统的节能新亮点是所谓的“负流量控制”。它是通过在多路阀中位回油通道上设置流量检测元件,并将此流量信号引至具有负流量控制功能的变量泵,以改变泵的排量,最终达到控制旁路回油流量为一个较小的恒定值,达到减少旁路损失的目的。
此外,采用双泵⁃双阀结构的液压系统,控制阀实现串并联油路组合,获得较好的操作性,使得两泵能充分利用发动机的能量。
有些工程机械执行机构与液压源距离远而引起的长管道问题,使得无法采用现有负载敏感技术。即使采用非负载敏感式定量泵加电液比例多路阀的控制方式,位于定量泵与电液比例多路阀之间的长管道,仍然会导致作业机构动作滞后或者作业精度差等问题。对此,工程技术人员提出了相应的管道优化设计理论以及电液混合负载敏感系统的解决方案,针对阀控系统提出了用于判断能否忽略其管道效应的理论判据。
(2)发动机与液压系统的功率匹配
发动机与液压系统的功率匹配控制包括局部负载时的模式切换控制和基于发动机转速敏感的全局功率匹配控制。
局部负载时的模式切换控制系统在环境改变时会主动改变发动机的转速和功率,按照多种模式(如强调工作量重要性模式、强调油耗和噪声模式、强调工作精度模式等)工作,微机同时控制发动机和液压泵,微机根据操纵手柄的指令和工作模式的要求,控制调节器和液压泵的排量。
基于发动机转速敏感的全局功率匹配控制是将发动机、液压泵、控制阀及并行作业的液压执行元件作为一个整体来考虑。如为了达到某一作业速度,可以通过改变液压泵排量、液压阀开度、液压马达排量,还可以通过改变发动机油门大小,进而改变发动机转速来实现。通过工程机械全局功率匹配,实现从发动机到液压功率的高效率转化,液压泵可以在保证发动机不熄火的前提下最大限度地吸收发动机的功率。
过去主要是考虑如何实现其功能要求,满足其性能指标,而对系统的节能问题没有引起足够的重视,往往采取以消耗动力的方式来换取较好的工作性能,导致大量能量浪费。液压载重车的无功能耗非常大,这不仅浪费了大量能源,而且由于这些耗费的能量转化为热量,又恶化了系统工况。为了降低系统的“热负荷”,又不得不采取散热措施,再次消耗动力,增加成本,陷入恶性循环。虽然液压载重车的节能问题逐步得到了重视,取得了一些成果,但是还不够完善,液压载重车的节能还有大量的工作需要我们去深入研究。
(3)采用混合动力系统
系统高效节能的设计,如果从减少发动机排放考虑,驱动系统可以采用电机驱动,或选用电控高性能长寿命节能型发动机。通常在保证正常工作的前提下,采用混合动力即电池组与充电内燃机合作驱动是目前环保型机械最常见的方案。
2.轻量化
近年来,国内外模块车生产厂家在以前基础上不断探索研究,采用了一些新的技术,使模块车的自重更低,性能更好,市场竞争力更强,也是节能化的一个重要方面。
(1)更高的轴线承载能力
GOLDHOFER公司的产品在高轴线承载技术方面取得突破,使轴线的承载能力得到了很大提高。GOLDHOFER公司PST/ES⁃E系列产品单轴线承载能力达到了每轴线50t。
他们的产品如液压缸、悬挂、防爆阀、大吨位承载桥及轮胎等关键部件性能好,车辆结构强度高,液压系统性能好。
(2)先进的车架制造工艺
德国的SCHEUERLE公司在车架轻量化的研究方面取得了进展,其车架采用了工装分段组焊和加工技术,刚性大、强度高、重量轻。
(3)微小型液压元件和集成单元
采用数字化和轻量化液压单元,特别是航空航天微小型液压元件的功率密度大的液压系统如电液作动器的应用,对大型液压载重车及其他大型工程机械的轻量化和节能化会有革命性的变革。
五、信息化、安全化
大型液压载重车机械特征是功率大、机重大、机械重要度大和单机价值大。“四大”带来的问题是控制到执行的跨尺度、大延迟和大惯量问题,多动力、多执行部件的耦合和协同控制管理问题,含人及局部智能部件在内信息物理系统的增强智能控管,多方位作业信息的感知困难问题,和大型复杂机电一体化装备如何利用网络化监测数据实现高效可靠运行问题。
1.信息化
在现有能量高效利用技术架构下,应利用信息化技术进一步实现能量高效利用和优化机械动力供给体系。动力供给体系拓扑优化——发动机、泵、作业机构动力供给体系评价及优化,动力协同管理。
将能量回收、混合动力和各机构用能分配通过信息互联进行综合管理,实现能量的存用协调和全局协同,及时对用能方案进行评价和调整,提高机械能效特性。设计合适的状态特征量提取方法,建立评价指标与状态特征量之间的映射。可以分别用FCE⁃AHP法和可拓集合法建立性能退化特征函数,进行故障预示。
采用CAN⁃BUS液压载重车控制和无线数据网与Internet结合的网络监控系统,建立循环作业强度的时间序列模型和健康指数模型,通过大数据方法挖掘运行统计特性,采用可拓集合建立性能退化评价函数和健康指数模型实现健康管理。
大型液压载重车要实现信息化,首先使机械的每个动力与执行机构实现数字化控制和网络化综合,主要被控状态量可以通过传感器网络监测;其次设计网络化控管节点、人机交互节点和调试开发环境;再者开发高效适用的智能控制与管理软件,实现线控、数控、网联(现场总线)、智能化。
信息化管理体系见图2⁃21。
图2⁃21 状态监测、远程控制、健康管理与高效可靠服役的信息化管理
2.安全化
液压载重车机载计算机可根据各种传感器的检测信号,结合专家知识库对机器的运行状态进行评估,预测可能出现的故障;在出现故障时发出故障信息,指导驾驶员查找和排除故障。安全化随着网络技术的发展,实现多专家与多系统的共同诊断,一种有效的解决途径就是建立基于网络的远程故障诊断与监测系统。网络化的远程设备故障诊断系统中储存了多种设备的故障诊断知识和经验,可响应不同监测现场用户的使用要求,不同的监测现场可以与同一个诊断中心建立联系,使得用户的使用频率很高。这样一来可以避免系统的重复开发和维护,显著降低了成本。
基于网络的液压载重车故障诊断与监测系统是安全化的必由之路,可以直接提高企业设备管理和维护水平,对提高企业效益和产品竞争力具有巨大作用。通常可采用下列方法:
① 如增加防撞雷达系统,能在行驶中对前方障碍物进行检测并减速停车(可选);
② 故障诊断系统,整机液压系统的各种压力数据,油温数据,吸油、压油及回油堵塞的数据,发动机的水温、油压、转速、小时计等,总线数据,编码器数据,控制器的总线状态等可实时进行显示及故障报警,并设计了故障报警列表,能及时查看当前的故障及历史故障;
③ 整机采用移动车辆专用控制器及HMI,整机CAN⁃BUS通信。