郭春暉

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

昆侖號架橋機(jī)是為適應(yīng)我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展而研制的新一代鐵路箱梁專用施工裝備，為我國高速鐵路建設(shè)注入新的活力。圖1為昆侖號架橋機(jī)，相較于上一代設(shè)備，其整體載重量增加了100 t，可吊裝箱梁長度增長了8 m，對于高山峽谷地形、橋隧轉(zhuǎn)換頻繁工況，其架設(shè)優(yōu)勢更為突出；同時不可忽略的是經(jīng)濟(jì)效益，采用40 m梁建設(shè)的高速鐵路，每公里可減少6個橋墩，百公里的鐵路預(yù)計節(jié)省造價約3.6億；也為高鐵提供了更靈活的選線，有效節(jié)省建設(shè)用地，減少對生態(tài)環(huán)境的影響［1-3］。

圖1 昆侖號架橋機(jī)

昆侖號架橋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 傳動方式選擇

常規(guī)的傳動方式包括機(jī)械傳動、電氣傳動、氣壓傳動、液壓傳動四種方式［4-5］，各傳動方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 各種傳動方式比較

架橋機(jī)與一般起重設(shè)備相比，其起重量大，對安全性要求高，因此綜合比較各傳動方式特點(diǎn)，并結(jié)合相關(guān)設(shè)備的使用效果，昆侖號架橋機(jī)采用靜液壓驅(qū)動傳動方式，具有動力結(jié)構(gòu)布置靈活、起停平穩(wěn)、速度控制等優(yōu)勢。

昆侖號架橋機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由前車驅(qū)動系統(tǒng)和后車驅(qū)動系統(tǒng)組成。前車驅(qū)動系統(tǒng)和后車驅(qū)動系統(tǒng)的動力流向?yàn)椋喊l(fā)動機(jī)→分動箱→變量泵→液壓閥組→變量馬達(dá)→輪邊減速器，其中變量泵、液壓閥組、變量馬達(dá)組成閉式液壓系統(tǒng)。

3 運(yùn)行阻力與功率計算

在計算運(yùn)行驅(qū)動力時，考慮滿足三種工況的極限驅(qū)動功率：一種工況是在30‰坡度的線路上以最大速度空載運(yùn)行，另一個工況是在30‰坡度的線路上運(yùn)1 000 t梁，還有一個工況是30‰坡度的線路上后車驅(qū)動進(jìn)行喂梁［6-7］。表3為各工況下昆侖號架橋機(jī)的后車、前車及前支腿承受計算情況。

表3 各工況下架橋機(jī)所受反力 kN

架橋機(jī)的動力來源為兩臺柴油發(fā)動機(jī)，合理配置發(fā)動機(jī)的輸出功率，可提高設(shè)備的整體使用可靠性、工作效率及安全性。通常，架橋機(jī)發(fā)動機(jī)的輸出功率配置越大，設(shè)備的動力性能也越好，但如果發(fā)動機(jī)功率配置太大，使得發(fā)動機(jī)的利用比率太低，則燃油經(jīng)濟(jì)性下降，其次由于發(fā)動機(jī)自重及載油量的增加，就會造成設(shè)備的整體重量上升［8］。本文根據(jù)架橋機(jī)在各種工況下的速度要求，經(jīng)過計算優(yōu)化后，得出架橋機(jī)所需要配置的總功率，并對液壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行選型設(shè)計。

架橋機(jī)運(yùn)行時受到的坡道阻力用式（1）計算，結(jié)果如表4所示。

表4 各工況下坡道阻力

架橋機(jī)運(yùn)行時受到的摩擦阻力用式（2）計算：

架橋機(jī)運(yùn)梁路面一般為水泥或壓實(shí)的石子路面，空載滾動阻力系數(shù)取0.02，重載滾動阻力系數(shù)取0.025；喂梁時，主梁與主支腿是鋼對鋼滾動摩擦，滾動阻力系數(shù)取0.006，結(jié)果如表5所示。

表5 各工況下摩擦阻力 kN

架橋機(jī)運(yùn)行時受到的風(fēng)載荷用式（3）計算：

C為風(fēng)力系數(shù)，取1.1，7級風(fēng)的風(fēng)壓大小400 N/m2，綜合受力面積30 m2，計算得風(fēng)載荷為13 kN。

按照設(shè)備試用手冊要求，正常運(yùn)行最大速度不超過設(shè)計速度的80%，在30‰坡道運(yùn)行時平均速度為最大速度的40%，架橋機(jī)在各極限工況下的運(yùn)行阻力與速度如表6所示。

表6 各工況下阻力

液壓傳動系統(tǒng)的整體效率取70%，牽引功率用式（4）計算：

計算出空載運(yùn)行工況下所需最大牽引功率為1 139.8 kW，重載運(yùn)梁工況下所需最大牽引功率為1 201.5 kW，重載喂梁工況下所需最大牽引功率為96.8 kW。綜上可知，架橋機(jī)處于重載爬坡工況下，對應(yīng)的牽引功率達(dá)到最大值為1 201.5 kW。

4 發(fā)動機(jī)選型

4.1 發(fā)動機(jī)總功率計算

發(fā)動機(jī)主要作用為對外做功，其次是對非標(biāo)附件做功，主要的功率消耗非標(biāo)附件有吸氣排氣系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇、空氣壓縮機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等［9］，各附件消耗功率的比值如表7所示。

表7 發(fā)動機(jī)附件消耗功率百分比

發(fā)動機(jī)非標(biāo)附件消耗功率占發(fā)動機(jī)總功率的比值為5.37%，初定發(fā)動機(jī)總功率為：

4.2 發(fā)動機(jī)選型

架橋機(jī)前車和后車分別配置一臺發(fā)動機(jī)，選型應(yīng)符合GB/T6072和ISO3046的相關(guān)要求，根據(jù)康明斯發(fā)動機(jī)參數(shù)，前車配置1臺KTA19-C700型發(fā)動機(jī)，后車配置1臺KTA38-C1080型發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)見表8。

表8 康明斯發(fā)動機(jī)主要性能

5 液壓系統(tǒng)校核

架橋機(jī)采用靜液壓傳動閉式油路驅(qū)動系統(tǒng)，其核心為液壓泵和液壓馬達(dá)組成的容積調(diào)速系統(tǒng)，通過改變液壓泵和液壓馬達(dá)的排量來控制馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩［10-11］。

架橋機(jī)前車第3～8軸為驅(qū)動軸，后車第3～5軸和第7～9軸為驅(qū)動軸，每條軸線有兩組車橋，每個車橋左右各安裝1個液壓馬達(dá)，故整車共有6套變量泵和48套變量馬達(dá)，并聯(lián)在系統(tǒng)的公共回路上，組成閉式液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)各部件配置如表9所示。

表9 液壓系統(tǒng)配置

計算各種典型工況下按設(shè)計要求運(yùn)行時液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和排量［12-13］，如表10所示。

表10 液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和排量

馬達(dá)排量與系統(tǒng)壓強(qiáng)關(guān)系如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)壓強(qiáng)在250 bar時，架橋機(jī)在空載運(yùn)行、重載運(yùn)梁、重載喂梁三種工況下馬達(dá)排量趨于最佳狀態(tài)，因此系統(tǒng)初步調(diào)定壓力250 bar。在此系統(tǒng)壓強(qiáng)下，液壓系統(tǒng)的輸入功率分別為1 025 kW、1 081 kW、81 kW。

6 結(jié)論

動力系統(tǒng)是架橋機(jī)的心臟，其設(shè)計需滿足發(fā)動機(jī)牽引功率，同時符合液壓系統(tǒng)功率的檢算。針對運(yùn)梁車使用工況對液壓系統(tǒng)油泵、馬達(dá)排量進(jìn)行匹配調(diào)整，使發(fā)動機(jī)工作在最大扭矩區(qū)域內(nèi)，利于車輛順利啟動；工作在額定功率區(qū)域附近，功率利用率得到充分發(fā)揮。

昆侖號架橋機(jī)已于2020年6月在福廈鐵路成功試用，現(xiàn)場架梁過程中車輛啟動平穩(wěn)，空載運(yùn)行、重載運(yùn)梁、重載喂梁時性能穩(wěn)定，驅(qū)動系統(tǒng)無過載或功率不足現(xiàn)象，表明驅(qū)動系統(tǒng)滿足設(shè)計需求。下一步，通過分析架橋機(jī)現(xiàn)場數(shù)據(jù)試用參數(shù)，對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以提高架橋機(jī)的運(yùn)行效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。