简析北美重型旋转吊清障车的技术特点

2021-03-04广东粤海汽车有限公司李忠生

专用汽车 2021年2期

广东粤海汽车有限公司李忠生

北美不仅是清障车的诞生地，而且也是当今清障车技术最先进的地区。北美清障车经过百年的发展和沉淀，研发制造、试验使用等技术都十分成熟，为众多清障车厂家的技术“百花齐放”、相互竞技提供了丰富的产业链和技术基础。随着新材料和智能安全系统的广泛运用，北美重型旋转吊清障车技术引领着世界清障车技术的发展方向。其中，最能代表北美重型旋转吊清障车先进技术的厂家有美国的Jerr-Dan公司、米勒集团的Century公司以及加拿大的NRC公司等。

1.最能代表北美重型旋转吊清障车技术的三个厂家简介

1.1 米勒集团——世界上最大的清障车供应商

米勒集团于1990年组建，为世界上最大的清障车供应商，产品销往世界各地，包括在上世纪80年代末至整个90年代，中国都进口了不少米勒公司生产的清障车。米勒集团旗下有Century、Holmes、Vulcan等9个清障车品牌，各品牌厂只生产具有本品牌产品结构和特点的产品，但可以交叉组合配装在同一台清障车上。产品主要有平板、托吊、旋转吊等各类型清障车，吨位从2～100 t不等。其清障车设计、制造技术均处于世界前列。

最能代表米勒集团旋转吊清障车技术的是其旗下的Century公司。该公司成立于1975年，于1990年被Miller收购。其1075型旋转吊清障车最能代表米勒集团的清障车技术水平，见图1。

▲图1 Century公司的1075型重型旋转吊清障车

1.2 美国Jerr-Dan公司

Jerr-Dan公司成立于1956年，于1972年开始生产清障车。1996年该公司开始采用复合材料制作清障车的车身，拉开了清障车轻量化的序幕。其60t重型旋转吊清障车（如图2），也是最能体现该公司的技术水平，具有免维护润滑，长薄托臂、副车架和车身均采用轻量化材料等技术。

▲图2 Jerr-Dan公司的60t重型旋转吊清障车

1.3 加拿大的NRC公司

NRC公司的发展历史，就是近50年来清障车技术不断创新的缩影。

1975年，NRC公司第一个获得加拿大颁发的液压托举机构专利；1984年，率先研制重型旋转吊清障车；1991年，研发吊臂可纵向滑动技术；1992年，研发可纵向滑动的重型旋转吊清障车；1996年，开发出在牵引车上可快速装卸的清障上装；1997年，开发出后挂车轴的清障托举机构；2006年，采用轻量化的玻璃钢车身。这些技术不断引领着世界清障车技术的发展。

其60t重型重型旋转吊清障车（如图3），具有旋转吊臂纵向滑动、尾部后挂式托举机构等技术。

▲图3 NRC公司的60t重型旋转吊清障车

2.北美重型旋转吊清障车的技术特点

重型旋转吊清障车由底盘、前后支腿、旋转吊臂、托举牵引机构、车厢（工具箱）、操作控制系统、电液气系统、作业附件等组成，主要用来清障救援、拯救摆（扶）正、托举牵引事故（故障）车辆。

重型旋转吊清障车对事故车辆的拯救摆（扶）正，是通过旋转吊臂的旋转、变幅和绞盘的起吊、牵拉等功能装置来完成的。

支腿的作用是保障吊臂起吊作业时整车所需要的稳定性。托举机构是用来托举牵引事故（故障）车辆，具有升降、变幅和折叠等功能，托举机构也是衡量清障车技术水平的重要总成之一。车厢不仅用来安放各种作业工具，更是清障车的“衣服和脸面”，所以车厢的外观造型和表面涂装，也是各生产厂家重点研发和技术升级改造的项目之一。而人性化设计、操作智能安全化，更是当今清障车的潮流技术。

下面笔者就结合上述三个厂家的产品，分别介绍北美重型旋转吊清障车上的旋转吊臂、支腿、托举机构、车厢、智能安全系统的技术特点。

2.1 旋转吊臂

清障车旋转吊臂的主要功能是吊臂在低变幅角度状态下能对事故车辆进行起吊、牵拉、拯救摆（扶）正作业。旋转吊臂是由转台、吊臂、绞盘、回转机构及油缸等组成。而吊臂臂体、绞盘和吊臂旋转或滑动等部件的设计最能体现生产厂家的技术水平。

2.1.1 吊臂臂体

众所周知，汽车起重机吊臂的功能就是将货物（或事故车辆）起吊至某高度位置。起吊高度是最重要的技术衡量指标之一，吊臂通常是在高变幅角度作业，方能吊得更高。其吊臂采用多节伸缩虽能增大起吊高度，但同时也增加了自重。

为降低吊臂的自重，增大起吊重量，汽车起重机的吊臂大多数是采用薄钢板折弯拼焊成多边形（或近U型）。但这种采用薄钢板拼焊的多边形吊臂，在低变幅角度时作业时，却极易弯曲变形，造成作业事故，无法满足清障车起吊、牵拉、拯救事故车辆时所需要的刚度和强度。

为了更好地发挥清障车旋转吊臂在低变幅角度起吊、拯救事故车辆的功能，北美清障车厂家对吊臂的设计一直遵循实用原则，面对现在汽车起重机流行的U型吊臂技术也不为所动。

Century和Jerr-Dan公司设计的吊臂（如图4、5），数十年来始终采用四块钢板拼焊而成的箱形结构。这种箱形结构可以根据需要，使上下翼面、侧立腹板采用不同材质和厚度的钢板，来适应清障车的特殊作业工况，满足吊臂低变幅角度作业时所需的刚度和强度。虽然箱形吊臂结构的焊接量大，容易造成焊接变形。但这也是考验厂家制作工艺水平的标准尺。不过，现在生产厂家大都采用了机器手焊接等新型制造工艺，焊接变形已不再是技术难题。

▲图4 Century公司的四边形旋转吊臂

▲ 图5 Jerr-Dan公司的四边形旋转吊臂

NRC公司设计的吊臂（图6），始终采用小圆角的正方形特制型材结构，型材壁厚较厚，成倍地增大了吊臂的刚度和强度，特别适合旋转吊臂低变幅角度状态下的特殊作业工况。而型材吊臂也避免了焊接变形，使吊臂的制作变得更简单快捷和经济。

▲ 图6 NRC公司的小圆角正方形特制型材旋转吊臂

2.1.2 绞盘

如果说旋转吊臂是航母，那绞盘就是航母上的战斗机，是航母上的最核心武器之一。旋转吊臂在转台或吊臂上分别布置了2只主绞盘和2只副绞盘，以及在尾部的两支腿上还各布置了1只绞盘（见图7）。在这6只绞盘的牵拉、起吊、松放等相互配合下，可以十分轻松、安全快捷地清障救援、拯救摆（扶）正各种的侧翻或倒翻的事故车辆。最大可能地为车主节省了救援费用，避免了“天价拖车费”，同时也避免了因多车参与救援而造成的道路阻塞。

▲ 图7 配6只绞盘的旋转吊清障车

旋转吊臂上的绞盘技术不仅体现在数量上，更重要的是在性能上。该绞盘具有“双变速”功能，即在空载状态下放绳，绞盘卷筒可高速旋转；反之，载重放绳时，绞盘卷筒低速旋转。绞盘能按照是否载重或者载重多少，实时调整绞盘的速度，是合理、安全地提高起吊、拯救效率的有效手段。

2.1.3 回转机构

清障车的吊臂旋转是由回转机构通过液压驱动旋转马达，带动减速制动器啮合回转支承和转台来实现旋转的。其原理与汽车起重机的相同，但是，两者的作业工况却有很大的不同。旋转吊臂需要且能够对事故车辆进行侧向牵拉和拖曳作业，而汽车起重吊臂是严禁侧向牵拉和起吊的。这不仅是因为汽车起重机吊臂的设计无法满足侧向牵拉和拖曳时所需的强度，更是因为常规的回转旋转马达的驱动力和制动力矩无法满足侧向牵拉和拖曳时的侧向力，所以北美的厂家在旋转吊臂的回转机构上设计了两个驱动马达和减速制动器（见图8），以增大回转机构的旋转力矩，满足旋转吊臂侧向牵拉和拖曳事故车辆的需要。

▲ 图8 回转机构配双驱动马达

2.1.4 滑动旋转吊臂

加拿大NRC发明的滑动旋转吊臂技术，现被世界各厂家运用。滑动旋转吊臂在保持吊臂可360°旋转的基础上，还可通过油缸的伸缩，沿着副车架上的导轨进行纵向前后滑动，即旋转吊臂可根据工况需要停留在副车架导轨的任何位置上进行旋转起吊作业。它不仅扩展了旋转吊臂作业区域，同时也扩展了作业对象范畴，提高了旋转吊臂的利用率。图9中右侧的阴影部分即是滑动旋转吊臂新增加的作业区域。

▲ 图9 滑动旋转吊臂新增加的作业区域

综上所述，在欧美日等清障车技术发达的国家和地区，实际上汽车起重机是不会也不能够参与到各类侧翻或倒翻的事故（故障）车辆的清障救援、拯救摆（扶）正的作业中，基本是由一台或多台（重型旋转吊）清障车来完成清障救援的。

2.2 支腿

支腿是保障旋转吊臂作业时整车的稳定。旋转吊清障车的支腿包含前支腿和后支腿。前支腿的设计也是较能反映出厂家在旋转吊臂上的技术水平，所以北美这三个厂家对前支腿的研究也是不惜余力的。

NRC公司是最早采用下H型前支腿的（见图10）。支腿的升降臂设在汽车大梁的两侧，支腿的横向伸缩臂设在汽车大梁的底部。工作时，横向伸缩臂在油缸的伸缩下，向两侧伸出；再通过支腿升降臂将整个横向伸缩臂下降至地面上，将整车撑起，以保证旋转吊臂起吊时整车的稳定性。下H型前支腿可降低整车的重心从而能提高整车的稳定性；支腿能贴近地面从而不会阻挡被吊车辆，增大了起吊作业空间；在部分高速公路上，支腿还能越过护栏来完成起吊作业，从而能节省出一条车道来舒缓因救援而受阻的车辆（见图11）。

▲ 图10 NRC公司的下H型支腿

▲ 图11 下H型前后支腿能节省出一条车道

Jerr-Dan公司的下H型前支腿，是在NRC公司的下H型前支腿上加了一条折叠油缸，使横向伸缩臂横向支撑时，可将车辆撑得更高更有力（见图5和12），外形更加粗犷，显得更阳光大气。

▲ 图12 Jerr-Dan公司的下H型支腿

Century公司早期的前支腿型是摆动A型支腿（图13），作业时支腿摆开，颇有钢铁战士的“范儿”，刚强有力，给人安全和可靠的感觉。但随着用户对下H型支腿的认可及清障救援的需要，Century公司也推出了自己的下H型前支腿，见图4、7和11。

▲ 图13 Century公司的A型支腿

2.3 托举机构

早期的清障车是无托举机构的，当液压技术在清障车上普及运用后，才出现了真正意义上的托举机构。托举机构安装在后轴后部，通常具有上下升降、纵向伸缩、折叠等功能，与托叉、抱胎机构等附件配合作业，将事故车辆托举提升进行托牵作业。北美重型旋转吊清障车的托举机构，也是各厂家不惜拿出看家本领来研发的最重要部件之一。

Century公司重型旋转吊清障车的托举机构（图14、15），是较典型的托举机构型式代表，机构的每一个动作都是由油缸直接控制。其托举机构由固定摆臂、升降臂、托臂、变幅油缸、提升油缸、折叠油缸、伸缩油缸等组成。固定摆臂顶部铰接固定在副车架的托臂座上，变幅油缸一端与副车架的横梁铰接，另一端与固定摆臂铰接。变幅油缸伸缩时，就会推动固定摆臂绕着固定摆臂与托臂座的铰接轴作纵向前后摆动，实现托臂变幅。

▲ 图15 Century 公司的托举机构爆炸示意图

由于托臂负载提升时，托臂需快速由下倾角状态变成上倾状态，方能避免托臂因上升而与事故车辆底部干涉碰触，所以就要求变幅油缸不仅要有足够大的作用力矩，而且还要能使固定摆臂产生足够大的下倾和上倾的变幅角度。

提升油缸一端固定在固定摆臂上，另一端固定在升降臂上，提升油缸伸缩时，升降臂就可以在固定摆臂内上、下滑动。升降臂的底部与托臂的基本臂铰接，所以升降臂升降时，也带动了托臂升降。

折叠油缸的一端固定在升降臂上，另一端与托臂铰接，当折叠油缸伸缩时，就会使托臂绕着托臂基本臂与升降臂的铰接中心作折叠、放低动作。当清障车空载行驶时，折叠油缸将托臂竖立折起，可缩短整车长度，保证行驶安全。托臂由基本臂、二臂、三臂以及可使二臂、三臂在基本臂内伸缩的托臂伸缩油缸。托臂的伸缩可改变托举位置，以适应托举前悬不一的事故车辆。

2013年，Century公司为了提高重型旋转吊清障车的整车起吊稳定性，将该车的后支腿由原来左右各自独立的型式改成了左右相联贯通的整体式（见图16），以增大后横支腿横向跨距。但是这个改动，影响了其托举机构中变幅油缸的布置。所以，Century公司独出心裁地将原托臂机的变幅油缸取消了，将固定摆臂的底部与整体式后支腿的升降横臂铰接在一起。后支腿升降横臂下降时，带动固定摆臂向后摆幅，反之，向前摆幅。

▲图16 Century改款后的托举机构

由于托举机构的变幅是依靠后支腿的升降来实现的，其变幅的角度没有原先的大，且因支腿的原因使托举机构后移，影响了托举能力。这种结构投放市场以来，用户对此褒贬不一。

面对改进款托臂的遇冷，Century公司结合先前美国军方投诉他们的托臂布置的过低，整车的离去角过小严重了影响军用清障车在战地的通过性。于是在2017年，Century公司开发了一款名为Knee boom托举机构（见如图17）。

▲ 图17 Century 公司的Knee Boom托举机构

它其实就是一个无吊臂伸缩机构的缩短版托吊联体机构，整个托臂的铰接点设在最后轴的前面，两个提升油缸布置在最后轴处，这样增大油缸的作用力矩，从而能提高托举能力，且也增大托臂的提升高度。它具有大变幅角、薄而长，在全伸出时托举能力还超强；还有足够的提升高度，已能完全适用在坑洼不平的野外区域施救作业。现这款托举机构已匹配在米勒集团包括Century公司所有重型旋转吊清障车上，已在军方或民用方面得到更广泛的应用和认同。

但是事实上，Century公司这款所谓的新产品，Jerr-Dan公司早已生产过且匹配在其重型旋转吊清障车上，图18是Jerr-Dan的托举机构。虽然二者在外观上有细微的区别，但其结构原理是一样的。难道在十分重视自主产权的美国，清障车行业巨头米勒集团竟然也“山寨”起来了？对此，米勒集团解释说，早在1930年代，其旗下的Homles公司就生产过一种名叫“knee-lift”的机械式托举机构，是这种“knee-boom”托举机构的雏形，现在是在原产品上添加了新技术，使其重获新生。

如前所述，Jerr-Dan公司重型旋转吊清障车配装的托举机构（图12、18），不仅外形美观大气，而且能力还十分强大，与整车浑然一体。

▲ 图18 Jerr-Dan 公司的托举机构

NRC公司的托举机构十分独特，该结构自面市以来，一直没有改动过。该托举机构由垂直的导轨座、提升臂和托臂，及托臂伸缩油缸和折叠油缸等组成。导轨座固定在后轮后面，提升臂设有滚轮可在导轨座上下滚动。提升臂上端有一对钩板，钩住吊臂伸缩臂上的销轴。吊臂变幅升高时，带动托举机构的提升臂升起，从而实现托臂提升。吊臂伸缩臂伸缩时，带动提升臂绕着滚轮作纵向前后摆动，从而实现托臂上倾、下倾变幅。折叠油缸和托臂伸缩油缸与前介绍的功能一样。当要独立使用吊臂时，可用穿销将托臂拴在导轨座上，见图19、20。

▲图19 NRC公司的挂钩式托举机构

▲图20 NRC公司的托举机构挂钩动作示意图

NRC公司的这种挂钩式托举机构，不仅省掉了托臂提升油缸和变幅油缸，节省了成本；而且因托臂的提升和变幅是由吊臂来控制，所以托臂的提升高度和变幅角都要比前面介绍的几款大得多。

2.4 车厢

Jerr-Dan公司是较早采用聚酯(Poly)材料做车厢的清障车厂家，如图21。制作聚酯(Poly)材料车厢的模具加工简单易制作，制造成本低；省掉了制作金属车厢所需的金属材料切割下料、折弯冲压、焊接，油漆等制作工序。聚酯(Poly)材料便宜、易加工、易成型，具有耐疲劳、耐高温、耐寒耐湿、耐腐蚀和不锈蚀，成型后表面光洁平整，十分美观和大方。材料强度高，表面硬度高，刮蹭不易留痕，有良好的稳定性和不导电性。

▲ 图21 Jerr-Dan公司的Poly车厢

Century公司在上世纪90年代就开始在重型旋转吊清障车上采用铝合金材料制作车厢，而且还是采用大量特制的铝型材来做车厢骨架。不仅车厢的强度和刚度得到了保证，还避免了铝合金材料因焊接受热容易变形的问题。车厢整体外观美观大方，降低了自重，解决了锈蚀问题。

但是面对Jerr-Dan公司采用聚酯（Poly）材料、NRC采用玻璃钢（FRP）制作车厢的竞争，Century公司的铝合金材料车厢无论是在价格、强度，还是外形美观上，都处于劣势。所以，从2013年起Century公司也开始试做聚酯（Poly）材料车厢，现已逐步配置在重型旋转吊所有产品上了。

而NRC早在2006年就开始采用玻璃钢（FRP）制作车厢，图22。玻璃钢（FRP）材料具有材料便宜、易加工、易成型、制作成本更低；质轻而硬，不导电，性能稳定，机械强度高，耐腐蚀等优点，但也有抗老化性差等缺点。

▲ 图22 NRC公司的FRP车厢

2.5 智能操作

自2012年来，北美的这三家清障车厂就开始在其重型旋转吊清障车配装智能操作系统，见图23和24。该系统由智能视频系统、手动操作机构及无线遥控控制系统组成。智能视频系统，通过安装在各关键部分的传感器收集数据，然后集成分析计算，可实时显示“吊臂伸出长度、吊臂旋转角度、吊臂变幅角度、吊臂作业半径、吊臂实际吊重、当下位置吊臂的允许吊重、允许吊重的剩余量”等，当吊重达到警戒线，就会发出警报甚至截断上装的动力，可有效防止超载、误操作等，提高了作业安全和延长设备的使用寿命。无线遥控控制系统，可远距离操作，作业视野更广阔，为操作人员的作业安全提供了保障。

▲ 图23 重型旋转吊的智能操作系统

▲ 图24 智能视频系统

3.结语

北美清障车的市场需求已基本达到饱和，各厂家的用户群也基本稳定，所以各生产厂家的主要精力不用花在抢市场、争用户、拼价格等上面，而是在重点提高产品性能、轻量化、人性化和智能化等上面。

如Century新开发了M100型重型滑动旋转吊清障车（图25），吊臂不仅具有滑动、旋转的功能，且创下了滑动行程最长、起吊能力最大的新纪录。Jeer-Dan公司则在规划开发9轴双旋转吊臂清障车（图26、27），后部吊臂可滑动，共同作业起吊能力达150t。同时，北美清障车产品的实用性、一车多能以及专用功能等也是重点发展的技术。