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第一章：蜈蚣车总体没计与结构计算 1 世界蜈蚣式运输车（SPMT）概述 自是蜈蚣式运输车即自行式模块运输车，它的英文全称为“self propelled modular transporter”, 世界通称缩写“SPMT” 。 这种车辆也被通称为自动式液压平板车。 自行式液压平板车是在70年代中期才出现的，此前需要牵引车拖动。这种车系将大功 率柴油发动机直接安装在平板车上，在部分车轮中加装夜压马达来驱动车辆行驶。到80年代初期，自行式模块化液压平板车开始兴起，这种采用模块设计、电子控制、可以横向和纵向拼接的车辆，最大载重量已高达万吨级。 1957年德国索埃勒（Scheuerle）开发出第一款液压平板车（须另加牵引车），1972年，索埃勒开发出电子控制的自行式液压平板车。1982年，索埃勒研制出世界最大的1800吨级模块式液压平板车，1993年，索埃勒开发了世界第一台SPMT，总长80m，共有车轮512个（见图1）。
图1 索埃勤5200t 自行式液压平板长车 1994年，国际工业运输车辆集团（TII）成立，成员包括德国索埃勒、克玛格（Kamag）和法国尼古拉斯（Nicalas），其中后两者的代表曾分别与笔者有过技术交流（因京沪高铁施工装备研制）。自TII成立后，从此开启了世界超大件运输的新亿元。由他们开发的SPMT系列由4轴和6轴模块组合，其特点是：各模块配置动力头（PPU），液压驱动，液电程序控制，多方位转向，平板靠液压悬挂系统升降。它尤其适合海洋平台移位，最大组合吨位可达1万5千吨。这种组合不管有多少轴线，只需1名工作人员通过遙控器即可实现组合车体各个模块的同步动作。而模块可用起重设备吊装，可用汽车或集装箱长途运输，如图2、图3所示。 图2 模块车的组合模式（2个模块组合）
图3 模块车的长途汽运（1个模块车） 2005年，俄罗斯LUKOIL石油公司为北冰洋建造第一座抗冰石油平台，其底座为一个长 长×宽×高＝53×53×45m的八角形钢结构，重10200吨。由荷兰玛姆特大件运输公司动用10台索埃勒和克玛格的SPMT（总计432轴线）运输。从2007年7月1日凌晨3点开始到晚上8点运输装船工作全部完成。图4、图5所示为SPMT驮运整体钢桥结构的壮观景象。
图4 用SPMT整体运输德国汉堡海港大桥情景
图5 中国重型吊运公司用SPMT整体运输钢桥情景 2 蜈蚣式运输车的技术基础. 蜈蚣式运输车的关键技术主要有以下几项： （1）驱动方式 静液压传动。用柴油发动机作为动力驱动变量液压泵，用变量泵驱动液压马达，液压马达经减速机带动驱动桥。现代的SPMT驱动方式的突出特征是驱动轮由单独的液压马达驱动，且液压马达与减速机合二为一，称为车轮液压乌达，直接安装到驱动轮轮辋内，成为现代专门的“轮边驱动技术” 。大吨位轮胎式运梁车则直接采用了这一技术，见图6。
1－平衡臂；2－悬挂架；3－悬挂油缸；4－减速机马达；5－摆动桥；6－轮胎轮辋 图6 蜈蚣式运输车的液压悬挂驱动轮构造图 (2) 转向系统 为了使SPMT实现全轮多方位转向，系采用了柴油发动机驱动变量泵－变量马达闭式液压系统，通过微电控制程序控制液压系统实现全轮转向：在每个悬挂架上都装有转角传感器或编码器，来反馈悬挂架的转向信息(方位座标) 给控制系统，该系统通过微电脑计算之后，发送指令给变量泵或电磁多路阀等来控制液压油的流量，液压油经油缸推动转向连杆推动车轮转向，或经液压马达驱动行星齿轮转向系统使车轮转向。而且在微电脑系统的控制下可实现不同模式的转向，例如横行、移行、八字或原地转向等。大吨位轮胎式运梁车也直接应用了上述转向技术，见图7。
图7 蜈蚣式运输车的连杆式与齿轮式混合转向机构 (3) 液压悬挂系统 液压悬挂是利用液压油缸来实现传力和减振功能的，钎悬挂通过油路相通来适应路面的不平度和坡度(主要是横坡) ，实现载荷均衡。由于从总体上讲车架是一个格栅梁式结构体系，要保持这个体系结构的支承稳定性，至少须有不在同一直线上的三点支承，它才是静定的。所以一辆自行式液压平板车的车下支承体系应由不少于3个悬挂组构成，一个悬挂组为一个支承点，在这个组内各悬挂的油路相通，组与组之间的油路不相通。在车辆运行时，各组形成一个闭式回路液压系统，使车辆遇到凹突不平的路况时，可通过油色工的自动伸缩运动，使同一支承组内的悬挂均匀受力，即轮胎反力相等，如图8所示，这也正是蜈蚣式运输车所采用的液压悬挂设计原理之一。
1－车架；2－悬挂架；3－悬挂液压缸；4－轮胎；5－地面 图8 液压悬挂适应凹凸不平路靣的作用原理 采用液压悬挂系统，另一个重要的功能是，可以提供车辆地板平面的整体升降，这是能够形成SPTM驮运万吨大件技术的核心技术之一。目前SPTM悬挂油缸的行程通常在正页350mm以内。 (4) 液电控制系统 自行式平板车的微电脑液压控制系统主要由以下几部分组成：行走驱动系统、制动控制系统、转向控制系统、悬挂系统、发动机监控系统、防滑差速差力系统、自动调平系统、重心载重显示系统、智能故障诊断系统以及遥控技术等。此外控制系统之间数据的传输采用了当前最为流行的车载CAN 总线技术，为实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。SPTM车的液电控制系统的传输原理如图9所示。
图9蜈蚣式运输车液电控制传输原理图 3 蜈蚣式运梁车应用实例：我国高铁TLC900型运梁车的研制 3.1 TLC900型运梁车总体设计 (1) 整车由车架（含前后辅助支腿）、活动及固定枕梁、悬挂、动力系统、液压系统、电气系统、控制系统、制动系统、转向系统及操纵系统（驾驶室）等组成。 （2）TLC900型运梁车主要性能指标 1 平台地板尺寸：2.1x35.2m；地板轨顶距地面最低高度：2.5m 2 额定载重量：900t；适应梁型及梁跨：双线箱梁，32m 、24m 、20m 3 轴线/悬挂：16/32 （每悬挂含1对轮胎），轮胎直径x厚度=1734x698mm 4 重载速度：0～5km/h ；空载速度：0～10km/h 5 适应路面坡度：纵坡 5% ，横坡 4 % 6 运行模式：直行、斜行、八字转向、半八字转向，最大转向角度：α＝±30° 7 最小转弯半径：R ≥35m 8 悬挂升降能力：h=±300mm 9 轮胎接地比压：P≤0.6Mpa 10 装机容量：2x400kw ； 液压油箱容积：2400L 11 自重： 268 t 3.2 总体结构组成 在设计过程中将车架、驾驶室、动力仓、枕梁、悬挂等划归为总体结构组成，见图10所示。
1后驾驶室；2动力仓；3活动枕梁；4车架；5悬挂；6固定枕梁；7前驾驶室 图10 TLC900型轮胎式运梁车结构总体组成图 3.3 总体结构的力学行为和整车倾覆稳定性设计 3,3,1 在运梁工况时的力学行为和整车稳定性设计 根据桥梁设计图纸规定，高速铁路双线整体PC梁在运输过程中，梁体四点应位于同一平面，误差不应大于2mm。这是为了防止箱梁受扭。于是把运梁车的悬挂油缸并联起来并进行分组，前端8轴线两侧共16个悬挂油缸连通，即相当于一个支点（C）,后端8轴线16个悬挂油缸按侧连通（8缸）而两侧互不连通，则相当于两个支点（A、B）,如图11。这样就形成了典型的格栅梁系平面三点支承的静定结构体系；同时由于A、B、C三点与车辆中轴对称，所以只要在装载时保证PC箱梁的几何中心与运梁车中心一致，则A、B、C三支点反力恒等于是PC梁体任何截面均不会产生附加弯矩或扭矩。  图11 运梁工况时悬挂油缸分组形成三支点 由于PC箱梁装载在车板上时，四个支点位置是固定不变的，而在车辆运行过程中，正如此前关于液压悬挂系统所述原理，每个轮胎的反力相等，所以车辆板架结构可采用图12所示高精度的平面简支梁模型进行计算。
图12 车辆板架结构的简支梁模型 图12 模型系将实际的车辆运载PC箱梁的情景倒置而来，目的是为了突出按简支梁模拟的效果。本来是14次超静定的弹性支承连续梁的复杂问题，而转化为高精度（实际上为精确解）的简支梁模型，极具创造性。由此模型可以直观地看出，运梁车在运梁工况中，其整车纵向倾覆稳定性可得绝对保证。 再从此前分析及图11所示可知，车辆已形成品字形的三点支承并有电液自动控制的液压悬挂调平，同时PC箱形梁总是准确对称地装载在车辆平台地板之上，其十字形中线恒与车辆重合。所以，整车的横向倾覆稳定性亦同样可得到绝对保证。 二. 配合架梁工况时的整车稳定性设计 运梁车配合架桥机架梁时，架桥机在后悬臂处将运梁车上PC箱梁的前端吊起，拖着沿架桥机主梁前移，搁在运梁车活动枕梁上的PC箱梁后端沿着运梁车上的轨道同步向前滑行，直至车头位置，架桥机再将该梁的后端吊起，如图13所示。
图13 运梁车配合架桥机架梁后端起吊情形 由上述车上移梁过程可以推知，在PC箱梁后端达到图13所示位置且架桥机尚未将其吊起时，对车辆的纵向稳定性最不利。可以想象，假设16轴全部悬挂并未分组控制，而是油缸全连通，则各轮胎反力基本相同，于是全车就有可能绕其前端(PC箱梁后端压点)翻起来，即纵倾。为了防止此种危象的发生，须将悬挂按图14所示分成2×4组各组独立连通。
图14 架梁工况时悬挂油缸分组形成2×4支点 由以上的分组结果可知，沿车辆纵轴4组，各轮胎组反力是不相同的，而各组内的轮胎反力则是相等的。于是车辆板架结构应采用图15所示的平面弹性支承连续梁模型进行计算。
I1 —板架主梁惯性矩 I2＝∞ ，虚拟梁惯性矩 K—每轴轮胎刚度系数 图15 车辆板架结构的弹性支承连续梁模型 实际上对图15所示模型予以进一步简化后，即可采用经典的手算方法进行计算，见图16。
图16 车辆板架结构的4跨弹性支承连续梁模型 由图15与图16对比可见，两者是完全等效的。由图16所示模型求出每轴线悬挂（轮胎）反力R1～R4 之后，即可按图17所示模型计算运梁车的纵向倾覆稳定性。
图17 运梁车纵倾计算模型 运梁车绕A点的稳定力矩等于运梁车自重（含轮胎重等）对A点的力矩；绕A点的倾覆力矩等于反力R1～R4 分别对A点的力矩之和。前者与后者之比不小于1.3 即为安全。
3.4 车架结构强度计算 3.4.1 运梁工况时车架主梁结构计算 运梁工况时车架主梁结构计算可按此前所述方法，系将实际的车辆运载PC箱梁的情景倒置而来，为了按简支梁模型来计算。本来是14次超静定的弹性支承连续梁的复杂问题，而转化为高精度（实际上为精确解）的简支梁模型 。则可给出运梁车主梁的弯矩图如下图18所示。
图18 TLC900型轮胎式运梁车运梁时车架主梁结构弯矩图 接着便可按常规进行车架主梁的结构设计。 3.4.2 在配合架桥机架梁时车架结构强度计算 以TLC660型轮胎式运梁车为例来说明在配合架桥机架梁时车架结构强度的计算方法。 TLC660型轮胎式运梁车系我们为韩国高铁建设提供的运、架、提全套施工装备之一，其总图示于以下摘录文档图5。注：从下之摘录文档从“2.2 关于运梁车结构设计的控制工况说明”开始。
3.4.3 悬挂结构计算 运梁车的悬挂系统组成见图16、图17。
1－平衡臂；2－悬挂架；3－悬挂油缸；4－减速机马达； 5－摆动桥；6－轮胎轮辋 图16 运梁车悬挂架组成实拍图
图17 运梁车悬挂架组成设计图 悬挂系统是运梁车最重要的部位，是运梁车的根基和生命。限于篇幅，关于悬挂架结构强度计算将另在“运梁车悬挂系统设计”一章中介绍。 （未完 待续接第二章） |
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