郭春晖

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

昆仑号架桥机是为适应我国高速铁路建设发展而研制的新一代铁路箱梁专用施工装备，为我国高速铁路建设注入新的活力。图1为昆仑号架桥机，相较于上一代设备，其整体载重量增加了100 t，可吊装箱梁长度增长了8 m，对于高山峡谷地形、桥隧转换频繁工况，其架设优势更为突出；同时不可忽略的是经济效益，采用40 m梁建设的高速铁路，每公里可减少6个桥墩，百公里的铁路预计节省造价约3.6亿；也为高铁提供了更灵活的选线，有效节省建设用地，减少对生态环境的影响［1-3］。

图1 昆仑号架桥机

昆仑号架桥机主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

2 传动方式选择

常规的传动方式包括机械传动、电气传动、气压传动、液压传动四种方式［4-5］，各传动方式的优缺点如表2所示。

表2 各种传动方式比较

架桥机与一般起重设备相比，其起重量大，对安全性要求高，因此综合比较各传动方式特点，并结合相关设备的使用效果，昆仑号架桥机采用静液压驱动传动方式，具有动力结构布置灵活、起停平稳、速度控制等优势。

昆仑号架桥机驱动系统主要由前车驱动系统和后车驱动系统组成。前车驱动系统和后车驱动系统的动力流向为：发动机→分动箱→变量泵→液压阀组→变量马达→轮边减速器，其中变量泵、液压阀组、变量马达组成闭式液压系统。

3 运行阻力与功率计算

在计算运行驱动力时，考虑满足三种工况的极限驱动功率：一种工况是在30‰坡度的线路上以最大速度空载运行，另一个工况是在30‰坡度的线路上运1 000 t梁，还有一个工况是30‰坡度的线路上后车驱动进行喂梁［6-7］。表3为各工况下昆仑号架桥机的后车、前车及前支腿承受计算情况。

表3 各工况下架桥机所受反力 kN

架桥机的动力来源为两台柴油发动机，合理配置发动机的输出功率，可提高设备的整体使用可靠性、工作效率及安全性。通常，架桥机发动机的输出功率配置越大，设备的动力性能也越好，但如果发动机功率配置太大，使得发动机的利用比率太低，则燃油经济性下降，其次由于发动机自重及载油量的增加，就会造成设备的整体重量上升［8］。本文根据架桥机在各种工况下的速度要求，经过计算优化后，得出架桥机所需要配置的总功率，并对液压传动系统进行选型设计。

架桥机运行时受到的坡道阻力用式（1）计算，结果如表4所示。

表4 各工况下坡道阻力

架桥机运行时受到的摩擦阻力用式（2）计算：

架桥机运梁路面一般为水泥或压实的石子路面，空载滚动阻力系数取0.02，重载滚动阻力系数取0.025；喂梁时，主梁与主支腿是钢对钢滚动摩擦，滚动阻力系数取0.006，结果如表5所示。

表5 各工况下摩擦阻力 kN

架桥机运行时受到的风载荷用式（3）计算：

C为风力系数，取1.1，7级风的风压大小400 N/m2，综合受力面积30 m2，计算得风载荷为13 kN。

按照设备试用手册要求，正常运行最大速度不超过设计速度的80%，在30‰坡道运行时平均速度为最大速度的40%，架桥机在各极限工况下的运行阻力与速度如表6所示。

表6 各工况下阻力

液压传动系统的整体效率取70%，牵引功率用式（4）计算：

计算出空载运行工况下所需最大牵引功率为1 139.8 kW，重载运梁工况下所需最大牵引功率为1 201.5 kW，重载喂梁工况下所需最大牵引功率为96.8 kW。综上可知，架桥机处于重载爬坡工况下，对应的牵引功率达到最大值为1 201.5 kW。

4 发动机选型

4.1 发动机总功率计算

发动机主要作用为对外做功，其次是对非标附件做功，主要的功率消耗非标附件有吸气排气系统、冷却风扇、空气压缩机、空调系统、发电机等［9］，各附件消耗功率的比值如表7所示。

表7 发动机附件消耗功率百分比

发动机非标附件消耗功率占发动机总功率的比值为5.37%，初定发动机总功率为：

4.2 发动机选型

架桥机前车和后车分别配置一台发动机，选型应符合GB/T6072和ISO3046的相关要求，根据康明斯发动机参数，前车配置1台KTA19-C700型发动机，后车配置1台KTA38-C1080型发动机，发动机的性能参数见表8。

表8 康明斯发动机主要性能

5 液压系统校核

架桥机采用静液压传动闭式油路驱动系统，其核心为液压泵和液压马达组成的容积调速系统，通过改变液压泵和液压马达的排量来控制马达输出的转速和扭矩［10-11］。

架桥机前车第3～8轴为驱动轴，后车第3～5轴和第7～9轴为驱动轴，每条轴线有两组车桥，每个车桥左右各安装1个液压马达，故整车共有6套变量泵和48套变量马达，并联在系统的公共回路上，组成闭式液压系统。液压系统各部件配置如表9所示。

表9 液压系统配置

计算各种典型工况下按设计要求运行时液压马达的转速和排量［12-13］，如表10所示。

表10 液压马达的转速和排量

马达排量与系统压强关系如图2所示。当系统压强在250 bar时，架桥机在空载运行、重载运梁、重载喂梁三种工况下马达排量趋于最佳状态，因此系统初步调定压力250 bar。在此系统压强下，液压系统的输入功率分别为1 025 kW、1 081 kW、81 kW。

6 结论

动力系统是架桥机的心脏，其设计需满足发动机牵引功率，同时符合液压系统功率的检算。针对运梁车使用工况对液压系统油泵、马达排量进行匹配调整，使发动机工作在最大扭矩区域内，利于车辆顺利启动；工作在额定功率区域附近，功率利用率得到充分发挥。

昆仑号架桥机已于2020年6月在福厦铁路成功试用，现场架梁过程中车辆启动平稳，空载运行、重载运梁、重载喂梁时性能稳定，驱动系统无过载或功率不足现象，表明驱动系统满足设计需求。下一步，通过分析架桥机现场数据试用参数，对驱动系统进行优化，以提高架桥机的运行效率和燃油经济性。