TLC1000吨级凹体型运输车转向设计

张 杨 刘培勇 杜宝凤

（1.秦皇岛天业通联重工科技有限公司，河北 秦皇岛 066004；2.河北省重型装备工程技术研究中心，河北 秦皇岛066004）

随着中国高铁建设规模的不断扩大，施工中所面临的地形、地质、环境条件越来越复杂，高铁桥梁箱梁技术也在不断地提升和突破。第1 次是600t、24m；第2 次是900t、32m；目前提升到了1000t、40m 及以上。

TLC1000 吨级凹体型运输车是秦皇岛天业通联重工科技有限公司针对我国西南地区水域多、丘陵、山地多、隧道多的施工特点设计制造的一款新产品，车长60m，宽8.8m，承载面高度1.3m，自重460t，额定载质量1000t，是目前国内单体最大的运梁车。该设备含有31 条轴线、248 条轮胎，适用于1000t 重、40m 长混凝土箱梁的运输作业，能够把混凝土箱梁从预制场地通过便道、铁路路基、桥梁运至架梁工位，与架桥机配合完成相应的架梁工作。此外，这个千吨级设备能够驮运架桥机实现桥间短途转场，还可驮运混凝土箱梁及架桥机通过客运专线双线隧道及隧道口喂梁。

1 TLC1000吨级凹体型运输车结构形式与运行工况

TLC1000 吨级凹体型运输车采用油缸驱动多连杆分组转向模式，每组由4～6 个轮组组成，共计12 组，并按照轮组位置和转向角度关系进行计算，设计各个连杆长度及连接位置，由液压油缸推动连杆实现走行过程中的转向动作。该运输车油缸驱动多连杆分组转向模式采用开式系统供油，转向电磁阀控制液压油缸驱动多连杆实现轮组转向。为了在多轮转向时轮胎不磨胎、不干涉，该运输车采用转向编码器实时反馈转向角度信号、上层PLC 控制器精准控制转向电磁阀、下层转向电磁阀控制液压油缸伸缩量、液压油缸驱动连杆的模式，可实现多种转向方式，如直线、八字、半八字及小角度斜行等。

2 TLC1000吨级凹体型运输车转向系统的设计计算

2.1 单个轮组转向力矩的计算

当TLC1000 吨级凹体型运输车的轮组转向时，轮胎相对于回转支承呈旋转状态，兼有滑动摩擦和滚动摩擦，如图1 所示。

图1 轮组转向结构图

根据轮胎式转向阻力矩“雷索夫推荐公式”，可以计算出该运输车转向时单个轮组的转向阻力矩。

单个悬挂轮组的最大转向阻力矩Mz 如公式（1）所示。

式中：为单个悬挂轮组的最大承载，32 t；为滚动阻力系数，0.06；为轮距，625 mm；为轮胎与地面的滑动摩擦系数，0.55；为轮胎的自由半径，460 mm；R为轮胎的承载半径，405 mm；为机械效率，0.95。

经计算，该运输车转向时单个悬挂轮组的最大转向阻力矩M为32212 N·m。

2.2 液压转向油缸的计算

TLC1000 吨级凹体型运输车采用油缸驱动多连杆分组转向模式，每组由4～6 个轮组组成，共计12 组。其中A分组形式包括4 个轮组，共计6 组；B 分组形式包括5 个轮组，共计2 组；C 分组形式包括6 个轮组，共计4 组。

A 分组结构形式如图2 所示，分组最大转向阻力矩为4 倍的M（128848 N·m）。液压系统提供的过液压转向油缸的压力为28 MPa，液压转向油缸的最小转向力臂为570 mm。选择140/80 的转向油缸（缸径为140 mm，杆径为80 mm），经计算油缸推力为431026 N，拉力为290283 N。可以提供的最小转向驱动力矩为165461 N·m，大于分组

图2 A 分组结构形式示意图

最大转向阻力矩，满足使用要求。

B 分组结构形式如图3 所示，分组最大转向阻力矩为5 倍的M（161060 N·m）。液压系统提供的过液压转向油缸的压力为28 MPa，液压转向油缸的最小转向力臂为598 mm。选择160/90 的转向油缸（缸径为160 mm，杆径为90 mm），经计算油缸推力为562973 N，拉力为384845 N。可以提供的最小转向驱动力矩为230137 N·m，大于分组最大转向阻力矩，满足使用要求。

图3 B 分组结构形式示意图

C 分组结构形式如图4 所示，分组最大转向阻力矩为6 倍的M（193272 N·m）。液压系统可以提供过液压转向油缸的压力为28 MPa，液压转向油缸的最小转向力臂为536mm。选择160/90 的转向油缸（缸径为160mm，杆径为90mm），经计算油缸推力为562973 N，拉力为384845N。可以提供的最小转向驱动力矩为206277N·m，大于分组最大转向阻力矩，满足使用要求。

图4 C 分组结构形式示意图

2.3 转向连杆的计算

根据阿克曼转向理论，可以得出同一轴线上各轮的理论转角关系如公式（2）和图5 所示。

图5 阿克曼转向理论图

式中：为未知轮转角，单位为DEG；为基准轮转角，单位为DEG；为未知轮与基准轮的轮距，单位为mm；为轴线与回转中心的距离，单位为mm。

根据三角函数关系，可以得出不同轴线上各轮的理论转角关系如公式（3）和图6 所示。

图6 转向三角函数关系图

式中：为未知轮转角，单位为DEG；为基准轮转角，单位为DEG；为未知轮与基准轮的轮距，单位为mm；为轴线与回转中心的距离，单位为mm。

通过以上关系以及运输车实际工况与转向要求，以分组内第一轴线的内侧悬挂轮组为基准轮，通过基准轮的转角变化，笔者可以求出整个转向系统内各个悬挂轮组的理论转角。

由于该运输车采用油缸驱动多连杆分组转向模式，根据图7 可知各轮的实际转角与理论转角并不相同。实际转角的逻辑关系如图7 所示。

根据图7 可知，内外轮组的前后轮实际转角的逻辑关系并不相同。如图7 ①中的转向板与连杆的情况，其基准轮组与未知轮组的实际转角逻辑关系如图8 所示。

图7 转向关系图

结合图8，根据余玄定理可得出公式（4）、公式（5）。

图8 ①型转向关系图

如图7 ②中的转向板与连杆的情况，其基准轮组与未知轮组的实际转角逻辑关系如图9 所示。

结合图9，根据余玄定理可得出公式（6）～公式（8）。

按照上述逻辑关系，通过调整转向连杆的长度与转向连杆孔相对回转中心的位置，可以得出一组近似于理论转角的实际转角。

分别调整转向A、B、C 组的转向连杆的长度与转向连杆孔相对于回转中心的位置，得到了一套最为理想的转向连杆杆系。这套杆系保证了该运输车的最大转向角度为±30°，八字、半八字及小角度斜行等各种转向工况下，上层PLC 控制器一旦接受到方向盘指令，便进行转向程序计算，并同时控制12 片转向电磁阀，12 片转向电磁阀控制12 根液压转向油缸伸缩不同的长度，12 组转向连杆杆系分别驱动62 组轮组同时转向，62 组轮组的实际转角与理论转角偏差最大可以控制在0.8°以内。

考虑到该运输车使用的是重载宽基轮胎，0.8°的转向误差在多轴转向的重型运输车设计使用中是完全可以接受的。

该文通过研究阿克曼转向理论，模拟转向轮组之间三角函数关系，应用雷索夫推荐公式计算转向力矩设计出来的油缸驱动连杆带动多轮组转向系统，最大限度地保证了转向平稳顺滑，有效地降低了重载宽基轮胎在转向时的磨损，满足了施工要求。

3 结语

TLC1000 吨级凹体型运输车共计31 个轴线，62 组悬挂。转向系统如果采用油缸驱动单独轮组转向模式，共需要62根转向油缸，62 个转向编码器，上层PLC 控制器需要同时控制62 个转向电磁阀。转向系统如果采用油缸驱动连杆带动多轮组的设计，只需要12 根转向油缸，12 个转向编码器，上层PLC 控制器需要同时控制的转向电磁阀数量也减少到12 个。通过二者的比较可知，油缸驱动连杆带动多轮组的设计比油缸驱动单独轮组转向模式减少了转向油缸、转向编码器及转向电磁阀的数量，降低了硬件成本。减少上层PLC控制器需要同时控制的转向电磁阀数量，可简化转向控制程序，减少可能发生故障的点位。在满足施工需求的前提下，施工单位也可降低施工设备的采购成本，简化保养维修程序，减少维修保养人员数量。

图9 ②型转向关系图

该运输车已于2021 年4 月份运达南昌-景德镇-黄山高铁建设工程施工现场，并于当月组装调试完成。客户验收测试表明该设备完全能够满足目前1000t/40m 混凝土箱梁的运输及对架桥机作业工况的配合。目前该设备已经架梁70 余片，施工作业过程可靠、稳定，客户给予了高度评价。该设备的成功研制推动了我国高端桥梁施工装备技术的发展，实现了我国高铁技术的提升再创新，为推动我国高铁迈向400km/h 提供了技术支持与装备保障。