高速公路隧道翻车事故液压扶正设备优化设计.pdf

高速公路隧道翻车事敌液压扶正设备优化设计 术 孔屹刚 ， 宋福荣 ， 陆季挺 ， 魏聪梅 ， 安高成 ， 刘志奇 1 ． 太原科技大学机械工程学院； 2 ． 山西省高速公路管理局 摘要 针对翻车这一高速公路隧道多发事故类型， 设计一种用于高速公路隧道翻车事故快速救援 的液压扶正设备， 并对液压扶正设备的工作原理进行说明； 结合高速公路隧道快速救援情况下救援设备 操作、 抬行以及运输等限制条件， 提出液压扶正设备优化设计原则； 对高速公路隧道翻车事故的极端情况 进行理论分析， 完成千斤顶、 支撑杆等液压扶正设备主要部件的优化设计。 关键词 高速公路； 隧道； 翻车事故； 液压扶正 随着我国经济 的飞速发展 ， 高速公路通车里程 快速增长 ， 截至 2 0 1 1 年年底 ， 我 国高速公路达 8 ． 4 9 万 k m， 比 2 0 1 0年年末增加 1 ． 0 8万 k mt ” 。我 国山地 面积约 占国土面积的 7 0 ％ 含丘陵和高原 ， 近年新 通车路段 以山区高速公路 为主 ， 因此 ， 隧道在高速 公路中出现的越来越多[2 - 5 ] ， 且随着高速公路通车里 程的增加， 隧道会越来越多， 越来越长。 高速公路隧道路段不同于一般路段， 它处于一 个近乎封闭的环境中。翻车是高速公路隧道常见事 故类 型[6 - 9 ] ， 在隧道这种特殊环境条件下 ， 如果不及 时清 障， 不仅会影 响道路 的畅通 ， 而且会使 司乘人 员长时间处于危险环境 中 ， 一旦发生意外 ， 后果难 以预计 。 现有翻车事故救援方法通 常是两辆 大型吊车 从两个方向分别进入隧道， 在事故车辆的两端起吊 并逐渐扶正车辆 。受制于隧道 内特殊的工作环境 ， 现有扶正方法所需时间长 ， 据统计 ， 通常需 1 0 h左 右 2 1 。另外 ， 大型 吊车的市场价位很高 ， 如 1 0 0t 级 大型吊车的市场价位通常在 4 0 0万元左右， 一条高 速公路配备多台大型吊车不现实， 同时大型吊车的 停放 、 保养也是不容忽视的问题。 针对高速公路隧道这一特殊环境条件 ， 基于液 压传动系统具有功率一 重量比大， 响应快， 体积小等 优点 ， 设计 了一种用于高速公路隧道翻车事故快速 救援的液压扶正设备 ， 本文对其工作原理 和受力情 况进行理论分析， 同时结合高速公路隧道快速救援 情况下救援设备操作、抬行以及运输等限制因素， 如救援设备的重量是否利于 2人抬行 ， 设备尺寸大 小是否适合救援车辆放置等， 对液压扶正设备的主 要部件进行了优化设计 。 1 结构组成及工作原理 液压扶正设备主要由液压泵站 ， 控制 台， 短 、 长 千斤顶 ， 短、 中、 长支撑杆组成 ， 其 中液压泵站油路 简单 ， 主要根据液压系统设计压力选 型即可 ， 本文 不作讨论。液压扶正设备中的千斤顶起顶推作用， 支撑杆起支撑保护作用， 根据工况， 短、 长千斤顶分 别 配合短 、 中、 长支撑杆 ， 交替工作 ， 最终完成侧 翻 车辆的扶正。液压扶正设备工作原理如图 l 所示。 扶正事故车辆时 ， 两组千斤顶分别在事故车辆车厢 的头部和尾部同时推顶， 扶正流程为 1 顶推间隙， 见图 1 a ； 基金项目 国家自然科学基金资助项 目 6 0 6 7 4 0 3 5 ； 山西省 自然科学基金资助项目 2 0 1 3 0 1 1 0 2 3 5 ； 山西省交通运输厅科 研项目 2 0 1 1 1 1 9 ； 校博士启动基金项目 2 0 1 2 2 0 2 9 作者简介 孔屹刚 1 9 7 4 一 ， 男， 山西太原人， 副教授， 博士， 研究方向 机电液一体化、 风力发电。 - -- 4 6 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m d ； g 长千斤顶再次换位顶推后扶正 h 事故车辆扶正 图 1 液压扶正设备工作原理 2 木块支撑放起重垫， 见图 1 b ； 3 起重垫顶推后换短千斤顶顶推 ， 见图 l c ； 4 短千斤顶顶推后 换短支撑杆保护 ，见 图 1 5 换长千斤顶顶推后换中支撑杆保护 ，见图 1 e ； 6 长千斤顶换位顶推后换长支撑杆保护 ， 见图 1 f ； 7 长千斤顶再次换位顶推后扶正 ， 见 图 l g ； 8 事故车辆扶正 ， 见图 l h 。 --- 4 7--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 优化设计原则 理论上 ， 液压缸的工作行程长度 ， 可根据执行 机构实际工作时的最大行程来确定 ， 但是液压缸工 作行程取值的不 同， 将直接影响到液压缸 的外形结 构 、千斤顶重量 以及液压泵站油箱容积的大小 ， 因 此必须对液压扶正设备进行优化设计。优化过程中 遵循的设计原则是 1 救援期间希望每组千斤顶能尽早投入工作 且工作时间越长越好 ， 即短千斤顶 的结构长度应尽 可能短， 长千斤顶结构长度应尽可能长 。 2 从事故救援的快速性角度考虑， 设备重量 应利于 2 人抬行 质量不超过 8 0 k g 。 3 救援设备体积不应过大， 应利于在救援车 辆上放置 救援专用车辆车厢内部长度不超过 2 ． 8 m， 宽度不超过 1 ． 5 m 。 3 优化设计 3 ． 1 主要参数确定 液压扶正设备是在考虑隧道事故车辆的极端 情况下进行设计的。这里的极端 隋况是指 1 货车载重量要比客车载重量大得多， 故极端 情况下事故车辆车型取为大吨位货车 ； 2 根据国家标准 G B ／ T 1 5 8 9 --2 0 0 4 道路车辆 外廓尺寸 、 轴荷及质量限值 相关规定 ， 车辆 自重加 载重、 垂直载物高度、 车厢宽度和车厢高度分别取 上限值 ， 分别为 5 O t 、 4 i n 、 2 ． 5 I n 和 2 ． 5 m。 事故车辆扶正时分别有 2组千斤顶在其车厢的 头部和尾部 同时顶推 ， 如图 2所示 ， 由力矩平衡原理 一 4 8一 图- 2 扶正动作时事故车辆受力分析 可知， 千斤顶工作在车厢边缘处即车厢最高处时 ， 千 斤顶顶升推力最小。 图 2 中， F 为千斤顶作用于车辆 的推力， G为车辆所受重力， 为车辆扶正角度， 。 为 质心与扶正面原点连线和车厢高度方向的夹角 ， 为质心到扶正面原点的距离 ， 为垂直载物高度 ， 和 L 分别为车厢宽度和高度 。 事故车辆所受重力是扶正动作过程中需要克服 的主要阻力。 一般情况下 ， 车辆质心高度应在垂直载 物高度的 1 1 2 处， 即H i 2 2 In 处， 考虑设计时应留有 一 定的安全裕量， 这里放大质心到地面的高度值， 取 为 0 ． 9 L 2 ． 2 5 m， 由力矩平衡原理有式 1 成立 G 、 ／ 0 ． 9 2 0 ． 5 1 c o s 0 0 1 2 儿2 1 由式 1 可知 ， 重力产生的阻力矩随角度 余弦变化， 且随着事故车辆逐渐扶正而逐渐变小。 当 0 变化 U 9 0 。 一 0 处， 事故车辆即已扶正。 计算可知 0 1 a rc ta n U “ L 1 ／ 2 9 。 2 由于起重垫已事先将事故车辆顶推到一定角 度 约为 1 5 。 ， 千斤顶才开始工作 如图 1 c 所示 ， 千斤顶最大推力为 F L 2 ---- 一 X ,／ 0 ． 9 L 2 2 0 ． 5 L , 2 x G x c o s 0 0 3 2 代人相关数值 ， 可得 F 1 8 1 4 4 8 ． 3 8 N。 初选系统供油压力p , 2 8 M P a 。 为使液压缸活塞 快进 、 快退速度相等 ， 选用无杆腔截 面积 A。 为有杆 腔截面积 A 两倍的差动液压缸 ， 计算得到 A r ／ c“ P U Z 8 2 1 ． 3 7 mm 2 4 式 中 为液压缸的机械效率 ， 取 0 ． 9 5 。 由式 5 计算千斤顶活塞杆直径 d及千斤顶 内 径 D 1T D 乙 d 2 “rr a ％ 6 8 2 1 ．3 7 m E 5 得到 d 9 3 ． 1 9 mm， 千斤顶活塞杆直径圆整为标 准系列直径 d 9 0 m m。 D 斋 1 2 9 ．6 4 m m 6 千斤顶 内径圆整为标准系列内径 D 1 2 5 m m。 千斤顶壁厚 按薄壁圆筒计算 P r D 7 式中 为千斤顶壁厚 ； 为试验压力 ，一般取最大 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工作压力的 1 ．2 5 ～ 1 ．5 倍， M P a ； 为缸筒材料许用应 力 ，本 文千斤 顶材料 选取无缝 钢管 ， 1 0 0 ～ 1 1 0 M P a 。计算得到千斤顶壁厚 ≥ 器 3 ． 2 优化设计 1 9． 88 2 0 mm 千斤顶外形长度 按下式计算 3 s 日 Z 1 K 2 C 8 式 中 s为活 塞行 程 ； B为活 塞 宽 度 ，一 般 取 B 0 ． 6 ～ 1 ． 0 D； H为最小导 向长度 ； Z 。 为缸盖滑动面长 度 ， D 8 0 mm时 ，取 l l d ； K为缸盖与活塞之间隔套 长度 ； C为缸盖长度。 日， 和c分别计算如下 日 ≥ 亩 9 K H一 1 B 2 1 1 O 0 ．4 3 3 D 、 ／ ⋯ 3 ．2 ． 1 长千斤顶优化设计 设定长千斤顶液压缸活塞杆行程为 活塞杆 至最大行程时所需液压油容积为 V I _- 1订D s l 1 2 考虑系统管路中液压油的存在及泄漏等问题， 液压泵站油箱容积约为 4 V 。考虑运输救援设备的 车辆宽度不超过 1 ．5 12 1 ， 根据资料， 救援车辆车厢里 面分成左右两部分 ， 中间还留有一定宽度的过道 ， 因 此 ， 液压泵站油箱的宽度应不超 过 3 0 0 m m， 尺寸 比 长 宽 高 应按 1 1 1 ．5 选取， 油箱容积为 4V1 4 1 “ r r D s l 1 ．5 a 3 1 3 式中 a 为油箱宽度。 长千斤顶液压缸 活塞杆行 程 s 与油箱宽度 a 有如下关系 一 1 ． 5 一 1 4 这里 a 取最大值 3 0 0 m m， 代人式 1 4 ， 由于长、 短千斤顶内径 D，活塞杆直径 d 都是在考虑承受最 大负载情况下计算得到的， 所以其值是相等的， 可得 对应千斤顶最大行程为 s l 0 ． 8 2 5 m。长千斤顶工作 行程 圆整为标准系列长度 s 1 8 0 0 mm。 根据优化设计原则 ，长千斤顶外形结构长度越 长越 好 ，因 而式 8 中活 塞宽 度 取 最 大值 1 ．0 D 1 2 5 fi l m，缸盖滑动面长度取最大值 1 1 d 9 0 mm， 得到 H ≥ 芋 5 m m H一 1 Z 1 日一 1 1 2 5 9 0 H一 1 0 7 ． 5 0 所 以最小导向长度取值为 H I 1 0 mm，隔套长 度为 K 2 ． 5 mm。得到缸盖长度为 厂 0 ．4 3 3 D V 。 ．4 3 3 1 2 5 1 ． 2 5 x 2 8 一 3 0． 5 4 31 mm 长千斤顶外形长度为 L3 -- l 柏 日f l K2 C8 0 01 25 1 1 0 9 0 2． 5 6 2 1 1 8 9． 5 1 1 9 0mm 长千斤顶质量为 m 1 1T d 2 咛 av D 8 o t 4 D 一 1 D Z] H 21 K p }百 D 2l 2 C 7 6 ．8 4 k g 1 5 式中 p为无缝钢管密度 ， p 7 8 5 0 k g ／ m 。 3 ． 2 ． 2 短千斤顶优化设计 根据优化设计原则 ，短千斤顶外形结构长度越 短越好， 因而式 8 中活塞宽度取最小值 B 0 ．6 D 7 5 m m， 得到短千斤顶工作行程， 圆整为标准系列长度 40 0mm。 同上 ， 得到短千斤顶外形长度为 7 1 1 mm， 短千 斤顶质量为 5 0 ． O 2 k g 。 3 ． 2 - 3 短支撑杆优化设计 由图 1 d 可知， 当短千斤顶处于最大工作行程 时， 需短支撑杆保护。由短千斤顶优化设计内容可 知， 短千斤顶外形结构长度为 7 1 1 m m， 最大工作行 程为 4 0 0 m m， 当车辆扶正角度为 时 ， 短支撑杆长 度 f d 满足如下关 系 t 1 6 C O S 7 计算得到 0 2 2 3 ．8 。 ， 1 0 1 5 ．6 0 m m一1 ．0 1 5 m 。 选取无缝钢管外径为标准规格 8 9 m m， 由式 7 计算 短支撑杆的壁厚 约为 1 4 m m。 -- - 49- - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 查询无缝钢管尺寸规格表 ，短支撑杆选择 8 9 x 1 4型无缝钢管 ， 该型无缝钢管线密度为 2 5 ． 8 9 k g ／ m， 则短支撑杆 的质量为 1 ． 0 1 5 x 2 5 ． 8 9 2 6 ． 3 0 k g 。 3 ． 2 ． 4 中支撑杆优化设计 由图 1 e 可知 ， 当长千斤顶处于最大工作行程 时 ， 需中支撑杠保护。根据长千斤顶外形结构长度 为 l 1 9 0 m m， 最大工作行程为 8 0 0 m m， 当车辆扶正 角度为 时 ， 中支撑杆长度 f z 满足如下关系 t a n 1 8 c o s O s 9 计算得到 0 3 3 8 ． 5 。 ， ／ z l 5 5 7 ．3 9 m m 1 ．5 5 7 m。 中支 撑杆 也选 择 q 8 9 x 1 4型无 缝 钢 管 ，质 量 为 1 ． 5 5 72 5． 8 9 4 0． 3 2 kg 。 3 ． 2 ． 5 长支撑杆优化设计 由图 1 f 可知， 当长千斤顶换位到车厢高度的 1 ／ 2处， 且处于最大工作行程时， 需长支撑杆保护。 当车辆扶正角度为 时 ， 长支撑杆长度 f 满足如下 关系 t a n 0 4 2 o ． Z 2 5 0 0 s i n 0 4 2 1 计算得到 0 4 5 7 ． 9 。 ， ／ c 2 1 1 7 ． 8 m m 2 ． 1 1 7 m。长 支 撑 杆 同样 选 择 8 9 x 1 4型 无 缝钢 管 ，质量 为 2． 1 1 725 ． 8 9 5 4． 8 3 k g 。 上述优化设计结果均满足优化设计相关原则。 4 结束语 翻车是高速公路隧道事故的多发类型， 特别是 对于装载大量危险品的侧翻车辆，如不能及时清 障 ， 很有可能会引起火灾 、 危险 品泄漏等更 为严重 的次发事故 ， 因此 ， 事故发生后能否快速实施 救援 是非常重要 的。本文介绍的液压扶正设备 ， 所需救 援时问短且操作 简单 ，相 比现有大型吊车救援方 法， 无论是在经济效益还是在社会效益方面都具有 很大的优势。 设计液压扶正设备时， 除了要考虑扶正动作的 顺利完成 ，还必需考虑一些实际客观条件的限制 ， 设计中很有可能被忽视 的一些细节 ， 可能决定实际 救援的最终成败 ， 因此 ， 设计之初要确定相应优化 一 5 0一 原则。此外， 设计过程中， 救援设备的主要参数往往 是相互制约的， 以千斤顶活塞杆的行程为例 ， 活塞 杆 的行程越长 ， 千斤顶在 同一位置可实现的顶推角 度越大 ， 但活塞杆的行程越长 ， 千斤顶的重量和外 形尺寸也越大 ， 不利于抬行和运输 ， 这说明 ， 设计过 程实际上一个交叉和反复进行的过程 ， 最终 目的是 要找到一个符合优化设计原则的最佳平衡点。 该项 目已通过相关科技成果鉴定， 具有良好的 推广应用前景。 参考文献 【 1 】中华人民共和国交通运输部． 2 O l 1年公路水路交通运 输行 业发展统计通报『 E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w w w ． m o c ． g o v ． c n ／ z h u z h a n ／ t o n g j i g o n g b a o ／ f e n x i g o n g b a o ／ h a n g y e g o n g b a o ／ 2 0 1 2 0 4 ／ t 2 0 1 2 0 4 2 5 1 2 3 1 7 7 8 ．h t ml ， 2 0 1 2 0 4 2 5 ． [ 2 ]马壮林． 高速公路隧道交通事故分析及预防对策[ D ] ． 西 安 长安大学 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】郝志虎． 高速公路特长隧道群安全综合评价研究 ． 西 安 长安大学， 2 0 0 8 ． 【 4 】马争锋． 高速公路隧道群防灾救援设施优化配置研究 [ D 】 ． 重庆 重庆交通大学， 2 0 1 1 ． [ 5 ]白云． 公路隧道安全等级评价方法研究[ D ] ． 重庆 重庆 交通大学 ， 2 0 0 8 ． 『 6 1赵友功． 高速公路隧道速度特性分析及安全策略研究 【 D 】 ． 西安 长安大学， 2 0 1 0 ． f 7 ] 施洪乾． 高速公路隧道群交通事故指标体系及方法研 究【 D 】 ． 成都 西南交通大学， 2 0 0 9 ． 『 8 ]8 李金龙， 孔晚华． 高速公路交通事故成因分析及对策研 究[ J ] ． 中国安全科学学报， 2 0 0 5 ， 1 5 1 5 9 6 2 ． 【 9 】戴忧华， 郭忠印， 马艳， 等． 高速公路隧道运行环境安全 评价指标【 J 】 ． 同济大学学报 自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 8 8 1 1 71 -1 1 7 6． 【 1 0 ]张玉春， 何川 ， 吴德兴． 高速公路隧道交通事故特性及 其防范措施【 J 】 ． 西南交通大学学报， 2 0 0 9 5 7 7 6 7 8 2 ． 【 1 1 ] 杨修志．高速公路应急抢险救援设备的配备与管理[ J ] ． 建设机械技术与管理， 2 0 1 1 6 8 6 8 8 ． [ 1 2 】陈德爱． 高速公路事故救援研究[ D ] ． 北京 北京交通大 学 。 2 0 0 7 ． 通信地址 山西省太原市万柏林区窳流路 6 6号太原科技 大学机械工程学院 o 3 o o 2 4 收稿日期 2 o 1 3 - o 7 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m