某重型裝備運輸車的安全性設計

李艷兵，陳學斌，馮海青，夏剛睿

(湖北三江航天萬山特種車輛有限公司重型工程裝備研究所，湖北孝感 432000)

0 引言

平板運輸車是一種自帶動力、靜液壓驅動[1]、液壓懸掛升降、可實現多車組合并車的重型運輸設備，應用于各種大型設備運輸。重型裝備運輸車廣泛應用于各種大件的運輸，因此其安全性設計[2]就顯得尤為重要。

為保證運輸車安全運輸，本文作者對某重型平板車的安全性設計進行分析，從冗余設計、裕度設計、容錯安全性設計、安全報警裝置設計和安全可靠性指標設計等方面總結安全性設計要點，有利于改進完善和提高設備安全性，并且對其他液壓系統安全性設計也提供一些借鑒和參考。

1 某重型裝備運輸車系統組成

某型號平板車總長為14 600 mm 、寬度為5 500 mm、正常行駛的高度為1 940 mm，該型號平板車主要由動力系統、液壓驅動系統、液壓轉向系統、液壓提升系統、制動系統、行走系統、車架、微控系統、儀表電氣系統、駕駛室等部分組成，其二維模型總圖如圖1所示。

圖1 某型號平板車二維模型總圖

該平板車主要通過內部的微控系統對液壓系統進行控制，根據外界使用需求，通過調節液壓系統的壓力和流量，對外實現油路的壓力和流量輸出。平板車的車架總成、液壓系統和微控系統三大部分組成及功能如下：

(1)車架作為承載單元，采用工字型鋼、網格結構，主要由左右邊梁、兩件橫梁總成、兩件前橫梁等組成，材料采用Q345B。剛性高，抗彎矩能力強；在受到扭力作用時，柔性好。整車能承載1.1倍動載荷和1.25倍靜載荷；

(2)液壓系統主要由液壓提升系統、液壓轉向系統、液壓驅動系統和液壓冷卻系統組成。液壓提升系統實現車輛載貨平臺升降功能，液壓轉向系統實現車輛懸架轉向功能，液壓驅動系統實現車輛行駛功能，液壓冷卻系統組成實現動力系統和液壓油冷卻功能；

(3)微控系統主要由人機操控面板、控制箱、控制開關、電纜等組成。微控系統主要實現對平板車多模式轉向(包括普通駕駛模式、汽車駕駛模式、斜向駕駛模式、橫向駕駛模式、原地轉圈模式、角向90°駕駛模式和復位)控制，完成平板車行走時的速度控制，實現對平板車升降功能的控制，實時對平板車工作狀態進行監視和越限報警。

2 某平板車液壓提升控制系統原理

2.1 液壓系統提升原理

液壓提升系統[3]由液壓懸架、液壓提升泵、液壓油箱、同步提升液壓閥組、提升油缸等組成。工作原理是：發動機輸出的動力通過聯軸器、驅動泵帶動轉向提升泵旋轉，將液壓能通過液壓油傳遞到液壓油缸，通過提升油缸的伸縮推動擺動臂回轉，擺動臂與旋轉架、輪胎相連，受擺動臂的回轉帶動整車升降如圖2所示。

圖2 液壓懸架示意

液壓系統原理圖如圖3所示。

圖3 某平板車液壓系統頂升原理

圖3中，液壓頂升系統主要由油箱總成、壓力傳感器、液壓泵、馬達、溢流閥、單向閥、防爆閥、緊急下降閥組、高壓球閥、升降閥組等組成。其液壓系統工作原理如下：主油路電機啟動，帶動變量泵轉動，當電磁換向閥(右邊)的電磁鐵得電，進油口P開始進油，通過三位四通電磁換向閥右位，再通過單向閥和調速閥，調速閥調節液壓油的快慢，最后到達頂升油缸，推動頂升油缸運動，整車上升。其中安全溢流閥高于壓力30 MPa將會發生溢流現象，從而保護液壓管路，壓力傳感器用來在面板上直觀顯示。若液壓管路系統中某個管路發生破裂，導致液壓油壓力急劇下降，這時防爆閥將開始工作，鋼球直接堵死破裂的管路而從防止管路壓力急劇下降，管路壓力急劇下降會導致升降不平，貨物發生傾斜，導致重大安全事故。當控制管路失效時，可使用緊急下降閥組來達到整車快速下降的目的。當某個輪子出現故障時，可使用高壓球閥控制該輪子的液壓油路，使該輪無效。

當電磁換向閥(左邊)的電磁鐵得電時，進油口P開始進油，通過三位四通電磁換向閥左位，液壓油將頂起單向閥的鋼球，這時油路開始泄油，液壓油缸慢慢開始復位，整車下降。

2.2 控制系統原理

本車擁有整車上升、整車下降、整車中位、單點升降功能：

(1)整車上升：啟動發動機，按下整升按鈕，按鈕集成的指示燈亮起，整升就被選定了，平臺就被均勻舉升起來了，可通過踩油門踏板和按下滿載按鈕來提高發動機轉速，從而加快升降速度，松開整升按鈕或平臺到達最高點后，平臺停止上升。

(2)整車下降：啟動發動機，按下整降按鈕，按鈕集成的指示燈亮起，整降就被選定了，平臺就被均勻降下了，松開整降按鈕或平臺到達最低點后，平臺停止下降。

(3)整車中位：啟動發動機，按下中位按鈕，按鈕集成的指示燈亮起，中位就被選定了，平臺到達升降行程的中位處。

(4)單點升降：啟動發動機，確定需要升/降的角，選擇將要操作的開關，集成指示燈亮起，該單角往上升，開關往后按住，該單角往下降，開關松開后，升/降停止，不可同時進行多個(大于等于2個)角的單點升降操作。

人機操控面板參考示意圖如圖4所示。

圖4 人機操控面板參考示意

人機操控面板上分別設置有油門、轉速限制調速電位計、左前支撐升降開關、右前支撐升降開關、左后支撐升降開關、右后支撐升降開關、整升/整降開關、電源(24 V)上電指示、警燈開、底照燈開關、中位調平開關、駐車開關、模式選擇按鈕、急停開關、發動機熄火開關以及電源開關等。界面操作簡單方便，具有較好的人機交互性。

3 某液壓平板車的安全性設計

3.1 冗余設計和裕度設計

設計要點為：

(1)液壓系統都有獨立的過載保護裝置；

(2)設備所有升降液壓油缸均具有獨立雙管路保護回路；

(3)任一懸掛機構若有超載，設備應能立即自動報警；

(4)任一轉向輪組其轉向角誤差超過6°時，操縱室內儀表板上的警示燈會閃動，轉向器將被制動；其轉向角誤差大于8°時，設備的驅動系統將會自動關閉不能動作；

(5)裝置的四角安裝緊停開關；

(6)配設備夜間運輸警示燈,配外接工作照明燈,并在車架底部配接頭插座；

(7)緊急裝置采用紅色或紅色標識(按鈕等)。

3.2 容錯安全性設計

電氣系統進行容錯設計，消除影響系統安全的單點故障模式。

在該平板車中，為了避免使用時將電機接線錯誤導致電機反轉損壞液壓泵，在平板車調試過程中都會應用程序直觀地觀察線路的接線情況，若接線錯誤，對應的程序將出現錯誤代碼，指示燈不亮，此時操控其他按鈕都無效，這樣會對整個系統起到保護作用，只有更正線路的連接情況才能進行下一步操作，若某個控制器接反，也可通過程序直觀地看出來。

3.3 安全報警裝置設計

對于關系行車安全的系統，即安裝報警裝置。主操縱室內設有多功能中文液晶顯示裝置，有置負載重力中心(COG)顯示；質量顯示；設有如下狀態顯示：四點懸掛支承壓力狀況、重心位置、重心臨界點、負載質量和超載臨界點、故障自動診斷顯示與報警；偏載顯示與報警、超載顯示與自鎖；轉向模式顯示。設有多功能故障報警控制系統：柴油機滑油低壓報警、冷卻水高溫、空氣濾器狀況、高壓油濾器狀況、吸油管和回油管濾器狀況、液壓油油位低、液壓油油溫；還設有狀態顯示與報警、平臺承重超載預報警、重心超越臨界范圍預報警、液壓油壓力和燃油油位等的監控與報警(儀表顯示)。

3.4 使用安全性設計

為進一步保證該平板車安全使用，文中編制了技術說明書和維護說明書，說明書明確了行車安全操作規程及注意事項，將行駛和操作可能導致的危險降至最低，例如：

(1)駕駛室內部裝有滅火器；

(2)運輸車安裝緊急下降按鈕；

(3)為保證車內人員安全，駕駛室內部凸出物、儀表裝置均避免出現尖角和銳邊。

3.5 安全可靠性指標設計

在完成系統詳細設計后，就要驗證系統安全性要求是否得到滿足；通過硬件FMECA來計算各個附件的實際失效率[4]。根據可靠性預估值進行定量和定性分析，驗證可靠性指標設計。

液壓系統可靠性預估值計算公式為

R(t)=e-λth

式中：R(t)為元件的可靠性預估值；λ為元件的故障率；t為工作時間；h為環境因素，根據環境惡劣程度取h=3。

其中，元件失效率是根據《液壓工程手冊》[5]取得，平板車車每次啟動工作時間約為60 min，計算結果見表1。

根據上表數據及可靠性框圖串并聯關系，計算平板車的可靠性預估值為

R(t)=R(1)×R(2)×R(3)×R(4)×R(5)×R(6)×R(7)=0.999 770 7

平均無故障時間MTBF：

根據上述可靠性計算結果為，平均無故障時間為MTBF=4 360.6 h，滿足液壓系統平均無故障時間分配指標MTBF≥4 000 h的要求。

表1 元件可靠性預估值計算結果

4 結論

該平板車設計過程中采用WTW系列平板運輸車中的成熟結構、技術，保證其方案設計和結構設計的可靠性、維修性、安全性、保障性等能夠滿足總體要求，無技術風險。

文中介紹了某重型平板運輸車的液壓控制系統原理，對其原理進行了分析，總結安全性設計要點，能很好地保障車輛的安全，同時對其他液壓系統安全性設計也提供一些借鑒和參考。