1 800 噸級運梁車總體方案設計及關鍵技術

唐婭玲

中鐵工程機械研究設計院有限公司 武漢 430066

0 概述

作為道路交通的一個重要環(huán)節(jié)，跨江河、跨海灣等特大型橋梁的建設得到了日益重視。相比起重機架設，采用大噸位大跨度箱梁運架成套設備施工受地理環(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)陸高等級公路的不斷發(fā)展，特別是在對交通影響大的城市內(nèi)施工時，其高架段逐漸采用大型預制箱梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)段拼裝梁和小型箱梁。大型預制箱梁采用了整體預制拼裝結構，整體剛度大，工程質(zhì)量和耐久性好；而且，預制箱梁采用工廠集中預制可實現(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，大型雙幅箱梁的運架設備施工是今后跨江海大橋和高等級公路橋梁建設發(fā)展的新方向，這種工法的推廣使用必然會推動此類設備往小曲線、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、高等級公路預制箱梁采用梁上運梁、架梁的規(guī)模化操作，并采用沿線制梁場集中預制、運梁車移運，架橋機架設的施工模式，將擴大跨海大橋高等級公路預應力混凝土簡支橋梁的適用范圍，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)濟性。

某跨海大橋橋梁部結構采用左右幅分離式整孔預制箱梁，線路設計最大縱坡為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。標準跨箱梁跨度為50 m，調(diào)整跨箱梁跨度為40 m，箱梁最重達1 800 t。針對線路情況，安全運輸箱梁到位并配合架橋機架設是本項目的重難點。

1 項目技術難點

1.1 安全高效運輸技術

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)進行大噸位箱梁的運輸，然而這種傳統(tǒng)的組合式運梁車對控制的要求非常高，現(xiàn)有技術所存在的多車組同步控制困難，不準確率高且整車運輸效率低，安全可靠性能低。鑒于此，減少對控制的依賴，提高多車同步控制性能，并在保證安全的同時提高重載速度，提高設備的安全性和運輸效率是整車設計的技術難點。

1.2 小曲線漸變橫坡段安全高效的馱運技術

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置了最大為40‰橫坡的超高段及超高緩和段，同時這段線路需要跨過通航航道，所以整個橋梁梁面不僅存在上下波浪起伏，同時還伴有空間的扭轉。運梁車需要在適應橋面不斷變化的縱橫坡疊加的小曲線段運輸箱梁。在通過超高段和超高緩和段時，整車能否根據(jù)橋面的橫坡情況實現(xiàn)運梁車運梁中的動態(tài)調(diào)整，保證整個車組與承載橫梁的基本水平，確保運輸箱梁的平穩(wěn)不受路面橫向坡度的影響，是需要突破的一個技術難點。

1.3 超高段配合架橋機架設技術

當假設小曲線超高段的箱梁時，需要將箱梁橫向旋轉一定角度放置在橋墩上，以滿足橋面橫坡為超高單向坡。現(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行接觸后，調(diào)整液壓油頂進行調(diào)平后緩慢放在橋墩上，其缺點是：1）由于超高壓大噸位液壓油頂?shù)纳炜s距離短，只能進行微調(diào)，無法進行大坡度調(diào)整；2）如果液壓油頂伸出距離過長，則安全性越差。目前的箱梁架設方法只能將箱梁平放置在橋墩上，無法滿足架設要求，故運梁車必須在喂梁時就調(diào)整好轉體梁姿態(tài)。

1.4 自動駕駛技術

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

2 運梁車總體方案和作業(yè)原理

1 800噸級運梁車由4 臺單車、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 臺單車，符合跨海大橋及接線工程40 m、50 m 整體箱梁的運輸要求，能夠方便快捷地將箱梁從預制場地運至架梁工位，并配合架橋機完成相應的架梁作業(yè)，且能馱運架橋機實現(xiàn)橋間短途運輸。

1 800噸級運梁車采用分組模塊化設計，即整車采用4 臺單車成矩形分布結構，1 號車、4 號車通過前承載橫梁以及鋼桁架聯(lián)接組成前車組，2 號車、3 號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現(xiàn)軟剛性聯(lián)接。

前后承載橫梁上端均有前后回轉橫梁，前后回轉橫梁可相對于橫梁旋轉，從而完成曲線運梁工況。后回轉橫梁內(nèi)部設置有互通式液壓油頂，將2 支點轉換成1 支點，前回轉梁上部的2 個固定支座在重載馱運時形成3支點系統(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)實現(xiàn)同步運梁。

設備主要技術參數(shù)如表1 所示，主要由前后車體、前后輪組及轉向機構、前后承載橫梁、鋼桁架、動力室和前后司機室等組成，如圖1 所示。

圖1 1 800 噸級運梁車結構示意圖

表1 1 800 噸級運梁車主要技術參數(shù)

續(xù)表1

3 運梁車的關鍵技術

3.1 同步控制技術

傳統(tǒng)的多車組在抬運箱梁過程中，每臺單車均獨立運行，需要同時控制4 臺車同步；而控制系統(tǒng)和控制邏輯過于復雜，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，同時會嚴重影響整車速度的提升。

為解決現(xiàn)有技術存在的多車組同步控制系統(tǒng)復雜、整車的運輸效率低、安全可靠性能低等難題，1 800 噸級運梁車結構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整體，即將傳統(tǒng)4 臺單車的同步控制轉換成前、后車組的同步控制。

1）液壓閉式走行系統(tǒng)原理

1 800噸級運梁車左右車同步采用液壓閉式走行系統(tǒng)管路并聯(lián)，同時增設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 臺車的壓力差，另一方面也能保證左右2 臺車液壓油位始終保持在正常油位，現(xiàn)場調(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 臺單車同步控制原理

4臺單車組運輸同步控制技術區(qū)別傳統(tǒng)的控制方式，傳統(tǒng)的同步控制應同時兼顧4 臺單車行走壓力和設備姿態(tài)的控制，控制邏輯復雜，難度大，可靠性差。本項目4 臺單車組運輸時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驅動行走泵行走，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技術

前后承載橫梁上端均有回轉橫梁，回轉橫梁可相對于橫梁旋轉，從而完成小曲線運梁工況，回轉梁上安裝角度傳感器，實時監(jiān)測回轉梁轉向角度。另外，前后承載橫梁上設置機械止擋塊，防止回轉超限，可起到雙重安全保護作用。

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

運梁車利用橫梁上的傾角傳感器和液壓懸掛處的轉角傳感器的綜合數(shù)據(jù)，在運行中實時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，整車能根據(jù)橋面的橫坡情況在運動中隨時調(diào)整左右車的懸掛高度，保證整個車組與承載橫梁的基本水平，確保運輸箱梁的平穩(wěn)不受路面橫向坡度的影響。在空間扭轉起伏的橋面，利用多機構的復合數(shù)據(jù)實時判定運梁車的姿態(tài)，然后通過程序控制左右車的懸掛做出升降動作隨時抵消橫坡的高度變化，實現(xiàn)運梁車運梁中的動態(tài)調(diào)整。

3.3 超高段運梁車喂梁技術

為了減少預制梁模板的種類數(shù)量，在線路的超高段，不同的橫坡均通過標準預制梁在架設時整體旋轉不同角度的調(diào)整而實現(xiàn)。為了形成3%～4%的不同橋面橫坡，需要在喂梁過程中運梁車配合，對預制箱梁進行1%～2%的整體旋轉操作。由于在吊裝過程中對重達1 800 t 的箱梁進行整體旋轉操作，風險較大。采用的方案是在運梁車車體上，通過輪組升降實現(xiàn)梁體的整體旋轉。

針對轉體梁架設需求，運梁車在1 次喂梁到位后，在2 次喂梁前，前后運梁車組同時做如下調(diào)整：

1）當待架梁不需要轉體時，分別升降運梁車左右輪組均衡，調(diào)整承載橫梁橫向為水平，同時保證單車車體橫截面方向無傾斜；

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

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

圖3 待架梁需轉體2%調(diào)整到位后的截面示意圖

通過運梁車的輪組升降，可實現(xiàn)對標準預制梁不同角度的旋轉，進而滿足了橋面不同的橫坡超高設計要求。該操作既簡單又安全，大大減少了預制梁模板的種類數(shù)量，節(jié)約了建造成本。

3.4 運梁車運行路徑規(guī)劃及自動駕駛控制技術

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

圖4 運梁車的自動駕駛運行控制方法流程圖

4 結束語

1 800噸級運梁車用于某工程高架橋部分50 m/1 800 t 預制箱梁的運輸，同時配合架橋機完成架梁作業(yè)。采用4 臺但車同步配合跨左右雙幅箱梁運梁，運梁車通過數(shù)據(jù)通信線、鋼桁架以及液壓閉式系統(tǒng)并聯(lián)技術將4臺單車結合成一個整體，解決了多車組同步困難、不準確高的難題。

本文設計了一種輪組均衡自動升降系統(tǒng)，解決了大橫坡超高段運梁梁體受扭的難題；提出了一種運梁車運行路徑規(guī)劃方法及自動駕駛運行控制方法，解決了運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，累計運輸箱梁330 余片，實現(xiàn)馱運過現(xiàn)澆3 次，設備性能得到成功的驗證。本文所述部分關鍵技術申請并取得相關的發(fā)明專利，該設備的研究成果不僅對提升國內(nèi)公路、鐵路施工機械研發(fā)水平有著重要意義，也可用于其他相關行業(yè)領域。