广东水电二局股份有限公司 广东广州 511340
摘要：结合公司施工的跨海盾构隧道工程，在供水双钢管铺设后，为满足隧道内砼料和支护钢材运输使用，设计在双钢管面上行走的运输车。
关键词：供水工程隧道；双钢管面；运输车设计
一、工程概况：
由我公司承建的湛江湾跨海盾构隧道工程是鉴江供水枢纽工程的一部分，隧道长2750m，由东海岛横穿海底过湛江湾最窄处，到达南三岛，隧道地下埋深17 m～22 m，水下埋深21 m～38 m，隧道采用6280罗宾斯泥水平衡盾构机掘进完成。管片拼装完成后，隧道的内径为Φ5.4m。隧道内供水管路设计是采用直径为1.8 m双钢管铺设。
双钢管在隧洞内铺设完成后，因隧洞总长2750m，造成在洞内施工用混凝土及洞内支护用钢材运输很困难，甚至会严重耽误施工工期。因此我公司湛江湾跨海盾构隧道工程项目部为了克服困难，设计可在钢管面行走的运输车，可将施工材料运输到洞内远距离施工点。
二、专用运输车设计前期策划
1、需求确认
⑴需要向隧洞中部运入混凝土和运出临时支护钢材。
⑵混凝土装载量：每车3m3。
2、现场条件
⑴隧洞内径为Φ5.4m，总长度为2750m，已铺设两条外径1.8m钢管，洞口两端头可用混凝土输送泵的距离仅仅约600m；
⑵基本断面：两钢管中心与隧道中心在同一水平面上，钢管中心距2464mm（图1）；
⑶特殊部位：
①钢管伸缩节（图2），共七处，相邻伸缩节间距约400m；
②钢管中心距加宽段一处，两钢管间距比标准段加宽100mm；
③隧洞无水平弯曲，但在竖直纵剖面上呈类似浅抛物线形状（即两端高，中间低），最大纵坡4%。
3、任务确认
根据现场情况，确定采用能在管面上爬行的轮式车辆方式的运输车。
三、运输车方案构思
1、轮胎形式选择选择充气轮胎式，摩擦力大、减震性好；
2、车辆导向方式选择
双钢管导向，设内侧导向轮，利用钢管内侧母线导向。
隧洞壁导向，设侧面水平导向轮，利用隧洞壁母线导向。
3、车桥方案选择
选用商用车桥，一排承重桥，一排驱动桥。优点：成熟产品，可靠性有保障；缺点：需扩宽轮距，导致轮鼓轴承和半轴套管受力状况恶化；
4、车桥筛选
选择原则：轮距尽可能大、成熟产品、13吨级卡车车桥
选择结果：
⑴主动桥：单后桥卡车或拖车用13吨桥，轮距1860mm。
用W1860桥时的轮胎外移量140mm（加长法兰长度）
⑵空转桥：挂车用刚性桥，原始轮距1840mm，加宽法兰长度150mm。
5、车轮选择
主轮胎：初步考虑车辆总重为12吨，每个车轮静载荷为3000Kg，故选择11.00-20载重汽车轮胎（8.5-20轮辋，单台额定载荷3000Kg）。
外侧导向水平轮：6.5-15载重汽车轮胎（五十铃NKR车用，方便购买轮轴及轮毂配件）。
内侧导向轮：8吋重型工业脚轮（尺寸小，便于安装在车辆“腹部”）。
内导向轮为刚性轮，外导向轮选择弹性（充气）轮胎有利于适应“道路”端面偏差和提高减震效果。
6、动力源选择
柴油发动机，动力可以足够大，成熟产品多。
7、传动方式选择
柴油发电机——电动液压泵站——液压马达
（布置灵活且可以提供220V/380V电力）
四、动力计算
1、基础数据：车辆总重12000Kg轴重6000Kg主减速比按5.0～5.6
运行速度：3.6～5.4Km/h（1～1.5m/s）
2、理论计算
⑴速度估算
查“GB/T 2977-2008”，11.00-20轮胎静负荷半径517mm，按0.5米计算；主减速比取小，按5.0计算：
3.6～5.4Km/h→60～90m/min→车轮20～30r/min→主减速器输入转速100～150 r/min
⑵起步力矩估算
按照8吨级卡车类比——普通8吨级卡车发动机低速起步扭矩一般在500Nm左右，1档传动比5左右，因此主减速器最大输入扭矩约2500Nm。
常规车辆需要应付满载上坡起步，且最大爬坡度超过25%（tgθ），本车辆行驶“道路”最大坡度仅7%（管道坡度4%、活动节桥等效坡度3%），故选择2500Nm作为最大输入扭矩完全足够。
⑶运行功率估算
运输混凝土时，重车下坡，空车上坡。
计算条件：重车按12吨，空车6吨，坡度4%，摩擦系数0.1（根据相关文献论述，轮胎滚动摩擦系数可能低至0.02），运行速度1.5 m/s：
运行阻力＝坡道阻力＋摩擦力＝6000Kg×0.04＋6000Kg×0.1＝840Kg
运行功率＝F·V＝840×g×1.5 m/s≈12600W＝12.6KW
考虑传动效率的影响，液压泵功率≥12.6/0.85≈15KW
⑷液压泵站功率选择
通常，液压泵功率密度较高，其输出功率主要受电动机功率限制，考虑安全系数（有充分的富余量）选择电机功率22KW（1470r/min）。
⑸发电机规格选择
约束条件：额定功率≥车辆运行功率＋附属设备运行功率，并且有一定的裕度；体积、重量尽可能小；满足泵站主电动机起动电流要求（为控制成本，考自藕减压启动方式）：发电机功率选择50KW。
五、主要设备及零部件选型
1、柴油发电机组
约束条件：50KW；重量、体积尽可能小；国内成熟产品；考虑底噪声型。
选择结果：东风康明斯4BTA-3.9标准型，外加全套隔音瓦（配合现场，必要时加装）。
2、液压马达
额定转速范围100～150 r/min；最大扭矩2500Nm左右
选择型号：KYB低速大扭矩马达。型号：MRH-750，最大扭矩2700Nm，排量745mL/r，转速5～400r/min（20.6Mpa）/5～200 r/min（24.5Mpa）。
3、液压泵站（定制）
⑴电动机转速级别——选择普通Y系列电动机，额定转速1470r/min（4极），以便选配中等速的液压泵。
⑵液压泵排量选择
约束条件：马达排量×转速（100～150）/ηm≈泵排量×转速（1470）×ηb（取ηm＝ηb ＝0.9）
计算结果：泵排量＝745×100～150/1470/ηmηb≈62～93 mL/r
选择结果：80 mL/r，相应地液压油箱容积取（80/1000）×1470×3≈360L，液压油量（仅油箱内）250L。
⑶液压泵压力等级：考虑足够裕度，选择31.5Mpa（320Kg/cm2）级别柱塞泵。
⑷变量方式：
恒功率变量（可自动适应更大范围的阻力变化）。
⑸回路形式
开式系统，布置方便，散热好。
⑹控制方式：三位四通阀，手动控制，机械定位（不自动回中立位）
⑺中立阀位形式：H型（P、T、A、B口全部互通）
选择“H型”阀可实现“空档”模式，车辆可滑行。而“M型”阀手柄回中立位时A、B端口封闭，不能实现“空档”，车辆会急停而发生冲击。
⑻泵站定制
配置邵阳SY-80CYC-14-1B变量泵、Y200L-4（30KW）东莞电机。国产成熟产品、恒功变量、价格低廉。
（详请见配置清单和液压系统图）
4、空气压缩机
满足制动系统和气动控制用气需求。选择上海捷豹FB280/7无油空压机（400L/min、0.7Mpa、220V/2200W），独立灵活，布置方便。
5、车桥选择
①驱动桥
选择东风“475”13T桥（广西方盛产L24LQ1-00005，减速比5.286，轴距1860）
②空转桥
选择广东富华13T挂车桥（市售主流产品）
六、主体结构设计
1、总体思路
①借鉴卡车结构，设置大梁（纵向主梁），合理布置车桥和其它设备。
②制动系统完全按照大型卡车气压制动方式。
③内外导向装置与管面和洞壁相配备，并留有余地（或具备自适应能力）
2、大梁选择与布置
⑴大梁选择：初步估算单根纵梁的最大弯矩为1.5tm，取弯曲应力1000Kg/cm2，则单根纵梁抗弯矩应大于150 cm3。安全起见，选择20a（W=237cm3）工字钢。
4、平面布置
两车桥之间安放砼料斗，前后车桥外侧（悬臂段）分别安放设备；驱动桥侧安装液压马达、泵站、启动柜、操作台、散热器等；空转桥侧安装发电机、空压机、柴油箱等；储气筒安装在料斗空隙处。
5、导向结构
⑴外侧导向（水平轮）：采用三角架式可伸缩结构；五十铃NKR全套后轮及轮毂（便于采购）；Φ100×200气动缸伸缩（并起空气弹簧作用）；充气轮胎与洞壁容易贴合且具缓冲作用。设计后考虑伸缩范围和加强刚度之需要连结成整体式三角架结构。
七、技术难点分析
1、车桥轮距加宽——①导致外轴承负荷增加；②半轴套管弯矩增加。
（图中轴承间距161.5为估计值）
加宽方法——两端轮毂安装“延伸法兰”（驱动桥140mm，空转桥150mm）。
受力影响——轮胎外移导致轮毂轴承（特别是外侧轴承）负荷和半轴套管弯矩有较大幅度的增加。
受力分析——以原装双轮胎状态下，假定只是外轮胎受力的情况作为基准条件（如常规车辆遇不平道路；此非车辆常态，但用作静力分析尚有参考价值）。
轮距扩宽后相当于原外侧轮胎向外移动了124mm；
外轴承径向载荷增加约0.5倍（340÷216），半轴套管弯矩增加小于0.5倍；
有利条件——实际载荷为额定载荷的50%（车桥额定载荷13吨）；低速行驶，因震动造成的附加载荷小；此类车桥在实际使用中有较强的超载能力。
2、发电机与液压泵站电机功率选配
①发电机组规格受安装尺寸的约束，要求尽可能小型化且满足整机用电要求；②液压泵站电机功率足够大才能保证稳定运行（虽然理论计算的液压功率只须15KW，但实际状况如何需要实践验证！）
选配结果：
50KW柴油发电机组（额定电流90A，最大电流99A）；
22KW/1470r/min电动机（规格受限于发电机可提供的最大电流，50KW发电机带22KW电动机可以采用常规“星三角”降压起动）。
40KW自藕减压启动柜（体积稍小，可带部分负荷起动；功率选大一档）
3、低速大扭矩马达背压实现
径向柱塞偏心轴式低速大扭矩马达使用有特殊要求，就是要设置“补油”装置，以保证回油侧保持一定的正压力（用来防止“推杆瓦”离座；MRH-750马达最低补油压力要求为0.3～0.5Mpa，且转速越高补油压力要求越高）。 KYB无补油阀块可供选购，也无合适的市售品代用，而找专业厂家定制需要较长时间。
经过分析，决定采用增设回油背压阀的方式来代替上述功能——加工制作可调式节流装置，并增设回油压力表。节流阀结构如下图所示：
4、车辆导向问题
由于存在“特殊路段”，故仅使用内侧导向轮无法单独解决导向问题，故需要增设外侧（洞壁）导向轮。
车辆“过桥”时，车身抬高将使外侧导向轮与洞壁接触母线上移，导向轮横向间距将缩小，需要自动适应或人工调整：
根据设计需要采用手动调整，气动控制，需要人工操作，使用伸
缩气缸控制伸出和缩入。外伸状态下气缸起“空气缸弹簧”的作用，若在外力作用下可被压缩，此时，空气被挤压回储气筒。
5、砼料斗门
常用的砼料斗弧形门无法做到完全密封（运输途中会滴漏浆液污染走道），故考虑摆动式平板门。但是，常规摆动式平板门无法保证四边同时接触，因而增加顶紧装置（摆动铰座上设有上下移动的虚位），详情如下图所示：
八、总结与评价
专用运输车投入使用后，体现出实用、可靠和安全的特点，累计完成运输混凝土1200立方米（单程运距600～2000米），运输钢材等物料200吨（单程运距100～2600米），对跨海盾构隧道钢管工程收尾工作，特别是补浇混凝土支墩，起到了关键的作用。
参考文献
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[2]石固欧，梅彥利 自卸半挂车液压系统的设计 液压与气动 2013
[3]张利平，液压传动系统及设计 北京：化学工业出版社，2005
[4]GB/T2997-2008《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》 2008
论文作者:谢向芹
论文发表刊物:《探索科学》2017年1期
论文发表时间:2017/8/25
标签：导向论文; 钢管论文; 功率论文; 隧道论文; 隧洞论文; 泵站论文; 液压论文; 《探索科学》2017年1期论文;