第一章：蜈蚣車總體沒計與結構計算

1 世界蜈蚣式運輸車（SPMT）概述

自是蜈蚣式運輸車即自行式模塊運輸車，它的英文全稱為“self propelled modular transporter”, 世界通稱縮寫“SPMT” 。

這種車輛也被通稱為自動式液壓平板車。

自行式液壓平板車是在70年代中期才出現的，此前需要牽引車拖動。這種車系將大功

率柴油發動機直接安裝在平板車上，在部分車輪中加裝夜壓馬達來驅動車輛行駛。到80年代初期，自行式模塊化液壓平板車開始興起，這種采用模塊設計、電子控制、可以橫向和縱向拼接的車輛，最大載重量已高達萬噸級。

1957年德國索埃勒（Scheuerle）開發出第一款液壓平板車（須另加牽引車），1972年，索埃勒開發出電子控制的自行式液壓平板車。1982年，索埃勒研制出世界最大的1800噸級模塊式液壓平板車，1993年，索埃勒開發了世界第一臺SPMT，總長80m，共有車輪512個（見圖1）。

圖1  索埃勤5200t 自行式液壓平板長車

 1994年，國際工業運輸車輛集團（TII）成立，成員包括德國索埃勒、克瑪格（Kamag）和法國尼古拉斯（Nicalas），其中后兩者的代表曾分別與筆者有過技術交流（因京滬高鐵施工裝備研制）。自TII成立后，從此開啟了世界超大件運輸的新億元。由他們開發的SPMT系列由4軸和6軸模塊組合，其特點是：各模塊配置動力頭（PPU），液壓驅動，液電程序控制，多方位轉向，平板靠液壓懸掛系統升降。它尤其適合海洋平臺移位，最大組合噸位可達1萬5千噸。這種組合不管有多少軸線，只需1名工作人員通過遙控器即可實現組合車體各個模塊的同步動作。而模塊可用起重設備吊裝，可用汽車或集裝箱長途運輸，如圖2、圖3所示。

圖2  模塊車的組合模式（2個模塊組合）

圖3  模塊車的長途汽運（1個模塊車）

2005年，俄羅斯LUKOIL石油公司為北冰洋建造第一座抗冰石油平臺，其底座為一個長

長×寬×高＝53×53×45m的八角形鋼結構，重10200噸。由荷蘭瑪姆特大件運輸公司動用10臺索埃勒和克瑪格的SPMT（總計432軸線）運輸。從2007年7月1日凌晨3點開始到晚上8點運輸裝船工作全部完成。圖4、圖5所示為SPMT馱運整體鋼橋結構的壯觀景象。

圖4  用SPMT整體運輸德國漢堡海港大橋情景

圖5  中國重型吊運公司用SPMT整體運輸鋼橋情景

2 蜈蚣式運輸車的技術基礎.       

蜈蚣式運輸車的關鍵技術主要有以下幾項：

（1）驅動方式

靜液壓傳動。用柴油發動機作為動力驅動變量液壓泵，用變量泵驅動液壓馬達，液壓馬達經減速機帶動驅動橋。現代的SPMT驅動方式的突出特征是驅動輪由單獨的液壓馬達驅動，且液壓馬達與減速機合二為一，稱為車輪液壓烏達，直接安裝到驅動輪輪輞內，成為現代專門的“輪邊驅動技術” 。大噸位輪胎式運梁車則直接采用了這一技術，見圖6。

1－平衡臂；2－懸掛架；3－懸掛油缸；4－減速機馬達；5－擺動橋；6－輪胎輪輞    

圖6  蜈蚣式運輸車的液壓懸掛驅動輪構造圖

   (2) 轉向系統

為了使SPMT實現全輪多方位轉向，系采用了柴油發動機驅動變量泵－變量馬達閉式液壓系統，通過微電控制程序控制液壓系統實現全輪轉向：在每個懸掛架上都裝有轉角傳感器或編碼器，來反饋懸掛架的轉向信息(方位座標) 給控制系統，該系統通過微電腦計算之后，發送指令給變量泵或電磁多路閥等來控制液壓油的流量，液壓油經油缸推動轉向連桿推動車輪轉向，或經液壓馬達驅動行星齒輪轉向系統使車輪轉向。而且在微電腦系統的控制下可實現不同模式的轉向，例如橫行、移行、八字或原地轉向等。大噸位輪胎式運梁車也直接應用了上述轉向技術，見圖7。

圖7  蜈蚣式運輸車的連桿式與齒輪式混合轉向機構

(3) 液壓懸掛系統

 液壓懸掛是利用液壓油缸來實現傳力和減振功能的，釬懸掛通過油路相通來適應路面的不平度和坡度(主要是橫坡) ，實現載荷均衡。由于從總體上講車架是一個格柵梁式結構體系，要保持這個體系結構的支承穩定性，至少須有不在同一直線上的三點支承，它才是靜定的。所以一輛自行式液壓平板車的車下支承體系應由不少于3個懸掛組構成，一個懸掛組為一個支承點，在這個組內各懸掛的油路相通，組與組之間的油路不相通。在車輛運行時，各組形成一個閉式回路液壓系統，使車輛遇到凹突不平的路況時，可通過油色工的自動伸縮運動，使同一支承組內的懸掛均勻受力，即輪胎反力相等，如圖8所示，這也正是蜈蚣式運輸車所采用的液壓懸掛設計原理之一。    

1－車架；2－懸掛架；3－懸掛液壓缸；4－輪胎；5－地面

圖8  液壓懸掛適應凹凸不平路靣的作用原理

采用液壓懸掛系統，另一個重要的功能是，可以提供車輛地板平面的整體升降，這是能夠形成SPTM馱運萬噸大件技術的核心技術之一。目前SPTM懸掛油缸的行程通常在正頁350mm以內。 

(4) 液電控制系統

自行式平板車的微電腦液壓控制系統主要由以下幾部分組成：行走驅動系統、制動控制系統、轉向控制系統、懸掛系統、發動機監控系統、防滑差速差力系統、自動調平系統、重心載重顯示系統、智能故障診斷系統以及遙控技術等。此外控制系統之間數據的傳輸采用了當前最為流行的車載CAN 總線技術，為實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。SPTM車的液電控制系統的傳輸原理如圖9所示。    

圖9蜈蚣式運輸車液電控制傳輸原理圖

3 蜈蚣式運梁車應用實例：我國高鐵TLC900型運梁車的研制

3.1  TLC900型運梁車總體設計

 (1) 整車由車架（含前后輔助支腿）、活動及固定枕梁、懸掛、動力系統、液壓系統、電氣系統、控制系統、制動系統、轉向系統及操縱系統（駕駛室）等組成。

（2）TLC900型運梁車主要性能指標

  1 平臺地板尺寸：2.1x35.2m；地板軌頂距地面最低高度：2.5m

  2 額定載重量：900t；適應梁型及梁跨：雙線箱梁，32m 、24m 、20m 

  3 軸線/懸掛：16/32 （每懸掛含1對輪胎），輪胎直徑x厚度=1734x698mm

  4 重載速度：0～5km/h ；空載速度：0～10km/h

  5 適應路面坡度：縱坡 5% ，橫坡 4 % 

  6 運行模式：直行、斜行、八字轉向、半八字轉向，最大轉向角度：α＝±30°

  7 最小轉彎半徑：R ≥35m     

  8 懸掛升降能力：h=±300mm

  9 輪胎接地比壓：P≤0.6Mpa

  10 裝機容量：2x400kw  ； 液壓油箱容積：2400L

  11 自重： 268 t 

3.2  總體結構組成

    在設計過程中將車架、駕駛室、動力倉、枕梁、懸掛等劃歸為總體結構組成，見圖10所示。

1后駕駛室；2動力倉；3活動枕梁；4車架；5懸掛；6固定枕梁；7前駕駛室

圖10  TLC900型輪胎式運梁車結構總體組成圖

3.3  總體結構的力學行為和整車傾覆穩定性設計

3,3,1 在運梁工況時的力學行為和整車穩定性設計

根據橋梁設計圖紙規定，高速鐵路雙線整體PC梁在運輸過程中，梁體四點應位于同一平面，誤差不應大于2mm。這是為了防止箱梁受扭。于是把運梁車的懸掛油缸并聯起來并進行分組，前端8軸線兩側共16個懸掛油缸連通，即相當于一個支點（C）,后端8軸線16個懸掛油缸按側連通（8缸）而兩側互不連通，則相當于兩個支點（A、B）,如圖11。這樣就形成了典型的格柵梁系平面三點支承的靜定結構體系；同時由于A、B、C三點與車輛中軸對稱，所以只要在裝載時保證PC箱梁的幾何中心與運梁車中心一致，則A、B、C三支點反力恒等于是PC梁體任何截面均不會產生附加彎矩或扭矩。

圖11 運梁工況時懸掛油缸分組形成三支點

由于PC箱梁裝載在車板上時，四個支點位置是固定不變的，而在車輛運行過程中，正如此前關于液壓懸掛系統所述原理，每個輪胎的反力相等，所以車輛板架結構可采用圖12所示高精度的平面簡支梁模型進行計算。

圖12 車輛板架結構的簡支梁模型

圖12 模型系將實際的車輛運載PC箱梁的情景倒置而來，目的是為了突出按簡支梁模擬的效果。本來是14次超靜定的彈性支承連續梁的復雜問題，而轉化為高精度（實際上為精確解）的簡支梁模型，極具創造性。由此模型可以直觀地看出，運梁車在運梁工況中，其整車縱向傾覆穩定性可得絕對保證。

再從此前分析及圖11所示可知，車輛已形成品字形的三點支承并有電液自動控制的液壓懸掛調平，同時PC箱形梁總是準確對稱地裝載在車輛平臺地板之上，其十字形中線恒與車輛重合。所以，整車的橫向傾覆穩定性亦同樣可得到絕對保證。

二. 配合架梁工況時的整車穩定性設計    

運梁車配合架橋機架梁時，架橋機在后懸臂處將運梁車上PC箱梁的前端吊起，拖著沿架橋機主梁前移，擱在運梁車活動枕梁上的PC箱梁后端沿著運梁車上的軌道同步向前滑行，直至車頭位置，架橋機再將該梁的后端吊起，如圖13所示。

圖13 運梁車配合架橋機架梁后端起吊情形

由上述車上移梁過程可以推知，在PC箱梁后端達到圖13所示位置且架橋機尚未將其吊起時，對車輛的縱向穩定性最不利。可以想象，假設16軸全部懸掛并未分組控制，而是油缸全連通，則各輪胎反力基本相同，于是全車就有可能繞其前端(PC箱梁后端壓點)翻起來，即縱傾。為了防止此種危象的發生，須將懸掛按圖14所示分成2×4組各組獨立連通。

 圖14 架梁工況時懸掛油缸分組形成2×4支點

由以上的分組結果可知，沿車輛縱軸4組，各輪胎組反力是不相同的，而各組內的輪胎反力則是相等的。于是車輛板架結構應采用圖15所示的平面彈性支承連續梁模型進行計算。    

I₁ —板架主梁慣性矩  I₂＝∞ ，虛擬梁慣性矩  K—每軸輪胎剛度系數

圖15 車輛板架結構的彈性支承連續梁模型

實際上對圖15所示模型予以進一步簡化后，即可采用經典的手算方法進行計算，見圖16。

圖16 車輛板架結構的4跨彈性支承連續梁模型

由圖15與圖16對比可見，兩者是完全等效的。由圖16所示模型求出每軸線懸掛（輪胎）反力R1～R4 之后，即可按圖17所示模型計算運梁車的縱向傾覆穩定性。

圖17 運梁車縱傾計算模型

運梁車繞A點的穩定力矩等于運梁車自重（含輪胎重等）對A點的力矩；繞A點的傾覆力矩等于反力R1～R4 分別對A點的力矩之和。前者與后者之比不小于1.3 即為安全。    

3.4  車架結構強度計算

3.4.1  運梁工況時車架主梁結構計算    

運梁工況時車架主梁結構計算可按此前所述方法，系將實際的車輛運載PC箱梁的情景倒置而來，為了按簡支梁模型來計算。本來是14次超靜定的彈性支承連續梁的復雜問題，而轉化為高精度（實際上為精確解）的簡支梁模型 。則可給出運梁車主梁的彎矩圖如下圖18所示。

圖18  TLC900型輪胎式運梁車運梁時車架主梁結構彎矩圖

接著便可按常規進行車架主梁的結構設計。

3.4.2  在配合架橋機架梁時車架結構強度計算

以TLC660型輪胎式運梁車為例來說明在配合架橋機架梁時車架結構強度的計算方法。

TLC660型輪胎式運梁車系我們為韓國高鐵建設提供的運、架、提全套施工裝備之一，其總圖示于以下摘錄文檔圖5。注：從下之摘錄文檔從“2.2 關于運梁車結構設計的控制工況說明”開始。    

3.4.3 懸掛結構計算

運梁車的懸掛系統組成見圖16、圖17。    

1－平衡臂；2－懸掛架；3－懸掛油缸；4－減速機馬達；

5－擺動橋；6－輪胎輪輞

圖16 運梁車懸掛架組成實拍圖

圖17 運梁車懸掛架組成設計圖    

懸掛系統是運梁車最重要的部位，是運梁車的根基和生命。限于篇幅，關于懸掛架結構強度計算將另在“運梁車懸掛系統設計”一章中介紹。

（未完 待續接第二章）