1 800 噸級(jí)運(yùn)梁車總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

唐婭玲

中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430066

0 概述

作為道路交通的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，跨江河、跨海灣等特大型橋梁的建設(shè)得到了日益重視。相比起重機(jī)架設(shè)，采用大噸位大跨度箱梁運(yùn)架成套設(shè)備施工受地理環(huán)境和天氣因素影響小，已逐步成為跨江河、跨海灣等特大型橋梁上部分施工的一種首推方案。

另外，隨著內(nèi)陸高等級(jí)公路的不斷發(fā)展，特別是在對(duì)交通影響大的城市內(nèi)施工時(shí)，其高架段逐漸采用大型預(yù)制箱梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)段拼裝梁和小型箱梁。大型預(yù)制箱梁采用了整體預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，整體剛度大，工程質(zhì)量和耐久性好；而且，預(yù)制箱梁采用工廠集中預(yù)制可實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)檢修，質(zhì)量安全統(tǒng)一管理，工程質(zhì)量可控。因此，大型雙幅箱梁的運(yùn)架設(shè)備施工是今后跨江海大橋和高等級(jí)公路橋梁建設(shè)發(fā)展的新方向，這種工法的推廣使用必然會(huì)推動(dòng)此類設(shè)備往小曲線、小限界、大跨度、大坡度的高要求方向發(fā)展。

所以，跨海大橋大跨度、大噸位、高等級(jí)公路預(yù)制箱梁采用梁上運(yùn)梁、架梁的規(guī)?；僮?，并采用沿線制梁場(chǎng)集中預(yù)制、運(yùn)梁車移運(yùn)，架橋機(jī)架設(shè)的施工模式，將擴(kuò)大跨海大橋高等級(jí)公路預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支橋梁的適用范圍，提高此功法的外部環(huán)境包容性，減少線路現(xiàn)澆段的占比，提高了施工工藝性和經(jīng)濟(jì)性。

某跨海大橋橋梁部結(jié)構(gòu)采用左右幅分離式整孔預(yù)制箱梁，線路設(shè)計(jì)最大縱坡為19‰，最大橫坡為40‰，最小曲線半徑為1 800 m，小曲線路段疊加漸變橫坡。標(biāo)準(zhǔn)跨箱梁跨度為50 m，調(diào)整跨箱梁跨度為40 m，箱梁最重達(dá)1 800 t。針對(duì)線路情況，安全運(yùn)輸箱梁到位并配合架橋機(jī)架設(shè)是本項(xiàng)目的重難點(diǎn)。

1 項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)

1.1 安全高效運(yùn)輸技術(shù)

傳統(tǒng)的多車組通過前后承載橫梁再加上同步控制系統(tǒng)進(jìn)行大噸位箱梁的運(yùn)輸，然而這種傳統(tǒng)的組合式運(yùn)梁車對(duì)控制的要求非常高，現(xiàn)有技術(shù)所存在的多車組同步控制困難，不準(zhǔn)確率高且整車運(yùn)輸效率低，安全可靠性能低。鑒于此，減少對(duì)控制的依賴，提高多車同步控制性能，并在保證安全的同時(shí)提高重載速度，提高設(shè)備的安全性和運(yùn)輸效率是整車設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。

1.2 小曲線漸變橫坡段安全高效的馱運(yùn)技術(shù)

在跨海大橋施工線路上存在最小1 800 m 的小曲線段，在此小曲線彎道上設(shè)置了最大為40‰橫坡的超高段及超高緩和段，同時(shí)這段線路需要跨過通航航道，所以整個(gè)橋梁梁面不僅存在上下波浪起伏，同時(shí)還伴有空間的扭轉(zhuǎn)。運(yùn)梁車需要在適應(yīng)橋面不斷變化的縱橫坡疊加的小曲線段運(yùn)輸箱梁。在通過超高段和超高緩和段時(shí)，整車能否根據(jù)橋面的橫坡情況實(shí)現(xiàn)運(yùn)梁車運(yùn)梁中的動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證整個(gè)車組與承載橫梁的基本水平，確保運(yùn)輸箱梁的平穩(wěn)不受路面橫向坡度的影響，是需要突破的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

1.3 超高段配合架橋機(jī)架設(shè)技術(shù)

當(dāng)假設(shè)小曲線超高段的箱梁時(shí)，需要將箱梁橫向旋轉(zhuǎn)一定角度放置在橋墩上，以滿足橋面橫坡為超高單向坡?，F(xiàn)有方法是在橋墩上放置超高壓液壓油頂通過伸縮使其與梁片進(jìn)行接觸后，調(diào)整液壓油頂進(jìn)行調(diào)平后緩慢放在橋墩上，其缺點(diǎn)是：1）由于超高壓大噸位液壓油頂?shù)纳炜s距離短，只能進(jìn)行微調(diào)，無法進(jìn)行大坡度調(diào)整；2）如果液壓油頂伸出距離過長(zhǎng)，則安全性越差。目前的箱梁架設(shè)方法只能將箱梁平放置在橋墩上，無法滿足架設(shè)要求，故運(yùn)梁車必須在喂梁時(shí)就調(diào)整好轉(zhuǎn)體梁姿態(tài)。

1.4 自動(dòng)駕駛技術(shù)

現(xiàn)有的運(yùn)梁車主要為人工駕駛，由于運(yùn)梁車經(jīng)常24 h 不停地運(yùn)行，可能會(huì)因司機(jī)疲勞駕駛及誤操作等因素導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。本文所述運(yùn)梁車采用4 臺(tái)單車抬運(yùn)的方式運(yùn)梁，4 臺(tái)單車走行的同步性要求更高，故運(yùn)梁車的自動(dòng)駕駛顯得尤為重要。

2 運(yùn)梁車總體方案和作業(yè)原理

1 800噸級(jí)運(yùn)梁車由4 臺(tái)單車、前承載橫梁、后承載橫梁和連接左右單車的鋼桁架等組成，箱梁通過前后承載橫梁作用于4 臺(tái)單車，符合跨海大橋及接線工程40 m、50 m 整體箱梁的運(yùn)輸要求，能夠方便快捷地將箱梁從預(yù)制場(chǎng)地運(yùn)至架梁工位，并配合架橋機(jī)完成相應(yīng)的架梁作業(yè)，且能馱運(yùn)架橋機(jī)實(shí)現(xiàn)橋間短途運(yùn)輸。

1 800噸級(jí)運(yùn)梁車采用分組模塊化設(shè)計(jì)，即整車采用4 臺(tái)單車成矩形分布結(jié)構(gòu)，1 號(hào)車、4 號(hào)車通過前承載橫梁以及鋼桁架聯(lián)接組成前車組，2 號(hào)車、3 號(hào)車通過后承載橫梁以及鋼桁架聯(lián)接組成后車組，前后車組之間通過控制實(shí)現(xiàn)軟剛性聯(lián)接。

前后承載橫梁上端均有前后回轉(zhuǎn)橫梁，前后回轉(zhuǎn)橫梁可相對(duì)于橫梁旋轉(zhuǎn)，從而完成曲線運(yùn)梁工況。后回轉(zhuǎn)橫梁內(nèi)部設(shè)置有互通式液壓油頂，將2 支點(diǎn)轉(zhuǎn)換成1 支點(diǎn)，前回轉(zhuǎn)梁上部的2 個(gè)固定支座在重載馱運(yùn)時(shí)形成3支點(diǎn)系統(tǒng)，既能滿足道路不平、縱坡和橫坡等特殊路況，又能滿足前后車組通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)梁。

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，主要由前后車體、前后輪組及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、前后承載橫梁、鋼桁架、動(dòng)力室和前后司機(jī)室等組成，如圖1 所示。

圖1 1 800 噸級(jí)運(yùn)梁車結(jié)構(gòu)示意圖

表1 1 800 噸級(jí)運(yùn)梁車主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

3 運(yùn)梁車的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 同步控制技術(shù)

傳統(tǒng)的多車組在抬運(yùn)箱梁過程中，每臺(tái)單車均獨(dú)立運(yùn)行，需要同時(shí)控制4 臺(tái)車同步；而控制系統(tǒng)和控制邏輯過于復(fù)雜，既要保證控制左右車同步，又要控制前后車同步，過于依賴控制系統(tǒng)，不僅存在安全隱患，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響整車速度的提升。

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的多車組同步控制系統(tǒng)復(fù)雜、整車的運(yùn)輸效率低、安全可靠性能低等難題，1 800 噸級(jí)運(yùn)梁車結(jié)構(gòu)上的左右單車兩端分別通過鋼桁架半剛性連接，并采用液壓閉式走行系統(tǒng)管路并聯(lián)的方式將左右車連接成一個(gè)整體，即將傳統(tǒng)4 臺(tái)單車的同步控制轉(zhuǎn)換成前、后車組的同步控制。

1）液壓閉式走行系統(tǒng)原理

1 800噸級(jí)運(yùn)梁車左右車同步采用液壓閉式走行系統(tǒng)管路并聯(lián)，同時(shí)增設(shè)1 套輔助抽油系統(tǒng)，一方面通過走行管路并聯(lián)消除左右2 臺(tái)車的壓力差，另一方面也能保證左右2 臺(tái)車液壓油位始終保持在正常油位，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試左右車同步性良好，左右車走行壓力基本保持一致。左右2 臺(tái)車閉式走行系統(tǒng)并聯(lián)和抽油系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 液壓閉式走行系統(tǒng)

2）4 臺(tái)單車同步控制原理

4臺(tái)單車組運(yùn)輸同步控制技術(shù)區(qū)別傳統(tǒng)的控制方式，傳統(tǒng)的同步控制應(yīng)同時(shí)兼顧4 臺(tái)單車行走壓力和設(shè)備姿態(tài)的控制，控制邏輯復(fù)雜，難度大，可靠性差。本項(xiàng)目4 臺(tái)單車組運(yùn)輸時(shí)同步控制僅需控制前后車組的速度，通過閉環(huán)控制算法按照相同速度目標(biāo)驅(qū)動(dòng)行走泵行走，保證前后車組行走速度在允許范圍內(nèi)，行走速度保證通過增減前后車組泵的排量，直至行走速度調(diào)整到給定的范圍值。

3.2 小曲線漸變橫坡段安全高效的馱運(yùn)技術(shù)

前后承載橫梁上端均有回轉(zhuǎn)橫梁，回轉(zhuǎn)橫梁可相對(duì)于橫梁旋轉(zhuǎn)，從而完成小曲線運(yùn)梁工況，回轉(zhuǎn)梁上安裝角度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)向角度。另外，前后承載橫梁上設(shè)置機(jī)械止擋塊，防止回轉(zhuǎn)超限，可起到雙重安全保護(hù)作用。

在前后承載橫梁底部分別設(shè)置傾角傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋一字坡橫向角度，并作為調(diào)整適應(yīng)單向橫坡的依據(jù)，以確保重載運(yùn)梁在單向橫坡時(shí)的安全性。在輪組上安裝升降高度監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)輪組均衡升降高度，通過監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)均衡高度，并設(shè)置高度限制報(bào)警器，一旦高度超過設(shè)置值便發(fā)出報(bào)警提示。

運(yùn)梁車?yán)脵M梁上的傾角傳感器和液壓懸掛處的轉(zhuǎn)角傳感器的綜合數(shù)據(jù)，在運(yùn)行中實(shí)時(shí)分析并判定車組的整體姿態(tài)與左右車高差。在通過超高段和超高緩和段時(shí)，整車能根據(jù)橋面的橫坡情況在運(yùn)動(dòng)中隨時(shí)調(diào)整左右車的懸掛高度，保證整個(gè)車組與承載橫梁的基本水平，確保運(yùn)輸箱梁的平穩(wěn)不受路面橫向坡度的影響。在空間扭轉(zhuǎn)起伏的橋面，利用多機(jī)構(gòu)的復(fù)合數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判定運(yùn)梁車的姿態(tài)，然后通過程序控制左右車的懸掛做出升降動(dòng)作隨時(shí)抵消橫坡的高度變化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)梁車運(yùn)梁中的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.3 超高段運(yùn)梁車喂梁技術(shù)

為了減少預(yù)制梁模板的種類數(shù)量，在線路的超高段，不同的橫坡均通過標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制梁在架設(shè)時(shí)整體旋轉(zhuǎn)不同角度的調(diào)整而實(shí)現(xiàn)。為了形成3%～4%的不同橋面橫坡，需要在喂梁過程中運(yùn)梁車配合，對(duì)預(yù)制箱梁進(jìn)行1%～2%的整體旋轉(zhuǎn)操作。由于在吊裝過程中對(duì)重達(dá)1 800 t 的箱梁進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)操作，風(fēng)險(xiǎn)較大。采用的方案是在運(yùn)梁車車體上，通過輪組升降實(shí)現(xiàn)梁體的整體旋轉(zhuǎn)。

針對(duì)轉(zhuǎn)體梁架設(shè)需求，運(yùn)梁車在1 次喂梁到位后，在2 次喂梁前，前后運(yùn)梁車組同時(shí)做如下調(diào)整：

1）當(dāng)待架梁不需要轉(zhuǎn)體時(shí)，分別升降運(yùn)梁車左右輪組均衡，調(diào)整承載橫梁橫向?yàn)樗?，同時(shí)保證單車車體橫截面方向無傾斜；

2）當(dāng)待架梁需要轉(zhuǎn)體1%時(shí)，分別升降運(yùn)梁車左右輪組均衡，沿待架梁橫向順坡方向調(diào)整承載橫梁帶1%的橫坡，同時(shí)保證單車車體橫截面方向無傾斜；

3）當(dāng)待架梁需要轉(zhuǎn)體2%時(shí)，分別升降運(yùn)梁車左右輪組均衡，沿待架梁橫向順坡方向調(diào)整承載有傾斜（見圖3）。

圖3 待架梁需轉(zhuǎn)體2%調(diào)整到位后的截面示意圖

通過運(yùn)梁車的輪組升降，可實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制梁不同角度的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而滿足了橋面不同的橫坡超高設(shè)計(jì)要求。該操作既簡(jiǎn)單又安全，大大減少了預(yù)制梁模板的種類數(shù)量，節(jié)約了建造成本。

3.4 運(yùn)梁車運(yùn)行路徑規(guī)劃及自動(dòng)駕駛控制技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)運(yùn)梁車的自動(dòng)駕駛必需解決車輛精確定位和路徑規(guī)劃問題。當(dāng)運(yùn)梁車行走于未遮擋路基和橋面線路時(shí)，該運(yùn)梁車用載波相位差分全球衛(wèi)星定位技術(shù)（Real Ttime Kinematic，RTK）設(shè)備獲得運(yùn)梁車頭的實(shí)時(shí)平面坐標(biāo)，再用交點(diǎn)法規(guī)劃運(yùn)梁車的行駛路徑，再計(jì)算出運(yùn)梁車頭的平面坐標(biāo)與規(guī)劃路徑的偏移距離，判斷當(dāng)車頭為左偏移的時(shí)候，控制運(yùn)梁車右轉(zhuǎn)，判斷車頭為右偏移的時(shí)候，控制運(yùn)梁車左轉(zhuǎn)，然后以勻速前進(jìn)，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)梁車的自動(dòng)駕駛。運(yùn)梁車控制方法流程如圖4 所示。

圖4 運(yùn)梁車的自動(dòng)駕駛運(yùn)行控制方法流程圖

4 結(jié)束語

1 800噸級(jí)運(yùn)梁車用于某工程高架橋部分50 m/1 800 t 預(yù)制箱梁的運(yùn)輸，同時(shí)配合架橋機(jī)完成架梁作業(yè)。采用4 臺(tái)但車同步配合跨左右雙幅箱梁運(yùn)梁，運(yùn)梁車通過數(shù)據(jù)通信線、鋼桁架以及液壓閉式系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)將4臺(tái)單車結(jié)合成一個(gè)整體，解決了多車組同步困難、不準(zhǔn)確高的難題。

本文設(shè)計(jì)了一種輪組均衡自動(dòng)升降系統(tǒng)，解決了大橫坡超高段運(yùn)梁梁體受扭的難題；提出了一種運(yùn)梁車運(yùn)行路徑規(guī)劃方法及自動(dòng)駕駛運(yùn)行控制方法，解決了運(yùn)梁車行駛過程中跑偏的問題。其研究成果在某工程投入使用，截止到2022 年8 月底，累計(jì)運(yùn)輸箱梁330 余片，實(shí)現(xiàn)馱運(yùn)過現(xiàn)澆3 次，設(shè)備性能得到成功的驗(yàn)證。本文所述部分關(guān)鍵技術(shù)申請(qǐng)并取得相關(guān)的發(fā)明專利，該設(shè)備的研究成果不僅對(duì)提升國內(nèi)公路、鐵路施工機(jī)械研發(fā)水平有著重要意義，也可用于其他相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域。