淺談無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備的設(shè)計與控制

馬騰

摘要：本文主要是針對轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤檢修維護過程中存在的問題進行分析，設(shè)計一種無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤起吊裝置，目的在于保障轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤檢修維護施工安全，提高作業(yè)效率，減少作業(yè)流程，以避免對金屬結(jié)構(gòu)的損傷。本設(shè)計采用無軌智能門架式機構(gòu)，大車可在平整地面多方位自由運行，起升機構(gòu)可控制吊裝高度的精確定位，PLC程序可對各機構(gòu)運行速度、距離、時間進行管控，變頻器控制各機構(gòu)性能輸出和保護，配備有線及無線控制器，確保操作人員安全，開闊操作人員視野，從而不受限制，顯著提高轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤檢修維護作業(yè)的效率。為現(xiàn)場設(shè)備因故障不能檢修提供解決方案，避免因檢修不及時或無法進行檢修而影響生產(chǎn)，還可減少因檢修不便帶來的次生傷害。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤 ?無軌智能 ?起吊裝置 ?施工安全

Abstract： This paper mainly analyzes the problems existing in the maintenance process of bogie turntable， and designs a trackless intelligent bogie turntable lifting device， aiming to ensure the construction safety of bogie turntable maintenance， improve operation efficiency and reduce operation process， so as to avoid damage to metal structure. This design adopts a trackless intelligent gantry mechanism， the cart can run freely in multiple directions on a flat ground， the hoisting mechanism can control the precise positioning of the lifting height， the PLC program can control the running speed， distance， and time of each mechanism， and the inverter can control The performance output and protection of each mechanism are equipped with wired and wireless controllers to ensure the safety of the operators， broaden the vision of the operators， so as not to be restricted， and significantly improve the efficiency of the maintenance work of the bogie turntable. Provide solutions for the failure of on-site equipment maintenance， avoid the impact on production due to untimely maintenance or failure of maintenance， and reduce the secondary injury caused by inconvenient maintenance.

Key Words： Bogie turntable; Trackless intelligence; Lifting device; Construction safety

轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤機械傳動及電氣部件檢修維護及損壞時，需將轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤上部轉(zhuǎn)臺整體進行吊離，目前采用的作業(yè)方式是作業(yè)人員配合叉車進行調(diào)向，指揮人員指揮叉車司機將叉車前叉架插入轉(zhuǎn)臺底部，將轉(zhuǎn)臺與叉車架進行臨時捆綁固定，同時多人進行配合將其鏟運至安全位置。由于在作業(yè)過程中，人為和叉車性能的不確定性，需要多次檢查調(diào)整轉(zhuǎn)臺重心位置及提升高度，影響工作效率，且叉車作為提升調(diào)向設(shè)備與轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)臺底部屬于剛性接觸，不免會對設(shè)備造成金屬結(jié)構(gòu)損傷或變形。

1 總體設(shè)計方案

1.1設(shè)備組成

設(shè)備主要門架結(jié)構(gòu)、大車運行機構(gòu)（可旋轉(zhuǎn)型）、環(huán)鏈葫蘆及智能電氣裝置等組成[1]。

1.2吊運工作方式

“地操+遙控”兩種操作方式，吊裝高度定位精確，吊運移動方向不受限制，各機構(gòu)運行平穩(wěn)，配備“變頻+PLC智能控制系統(tǒng)”，便于根據(jù)不同工況進行現(xiàn)場調(diào)節(jié)。

1.3 設(shè)備主要配置

（1）支撐架：主要承載金屬結(jié)構(gòu)門架[2]。

（2）地梁、旋轉(zhuǎn)梁：由電機驅(qū)動大車運行機構(gòu)使門架結(jié)構(gòu)運行及轉(zhuǎn)向[3]。

（3）電氣設(shè)備：起重專用變頻器+西門子PLC智能控制。

（4）供電：380V交流電源、發(fā)電機、蓄電池組。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.4.1 確定設(shè)備主要參數(shù)

（1）起重量：5t。

（2）門架跨度：4m。

（3）起升高度：1m。

（4）起升速度：0.1～3m。

（5）大車運行速度：0.1～6m。

（6）小車運行速度：0.1～6m。

1.4.2無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備

無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備具體結(jié)構(gòu)包括橫梁、所述橫梁下面左右兩側(cè)對稱設(shè)置有支撐架、支撐架下面設(shè)有地梁、地梁下面兩端對稱設(shè)置有旋轉(zhuǎn)梁，旋轉(zhuǎn)梁可相對所述地梁轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)梁設(shè)有行走裝置，橫梁下面設(shè)有提升裝置。

（1）支撐架：包括兩個人字形支架和連接承，連接承設(shè)置在兩根支撐斜梁之間，人字形支架包括兩根支撐斜梁。

（2）旋轉(zhuǎn)梁：設(shè)有齒輪箱，行走裝置包括大車電機、變速箱和大車走行輪，大車走行輪位于輪箱內(nèi)，大車電機、變速箱位于齒輪箱上，大車電機通過變速箱可帶動大車走行輪轉(zhuǎn)動。

（3）大車電機：設(shè)置為滑環(huán)電機，所述地梁上設(shè)有環(huán)形滑環(huán)，所述環(huán)形滑環(huán)環(huán)繞設(shè)置在旋轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)軸外側(cè)，與所述環(huán)形滑環(huán)相匹配設(shè)置斷電碳刷。

（4）地梁：設(shè)有旋轉(zhuǎn)電機、變速箱、旋轉(zhuǎn)主動盤、旋轉(zhuǎn)鏈條、旋轉(zhuǎn)負動盤、旋轉(zhuǎn)定位磁頭，旋轉(zhuǎn)電機位于地梁的中間部位，旋轉(zhuǎn)電機與變速箱相連，變速箱與旋轉(zhuǎn)主動盤相連，旋轉(zhuǎn)主動盤可通過旋轉(zhuǎn)鏈條帶動旋轉(zhuǎn)負動盤旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)定位磁頭與旋轉(zhuǎn)負動盤相連，旋轉(zhuǎn)定位磁頭旋下時可固定住旋轉(zhuǎn)負動盤，旋轉(zhuǎn)負動盤與旋轉(zhuǎn)梁轉(zhuǎn)軸相連。

（5）電氣控制：結(jié)合無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備的運行特點，將可編程序控制器與變頻器結(jié)合應(yīng)用于其控制系統(tǒng)，其中PLC系統(tǒng)可采用siemens公司產(chǎn)品，大大提高了操作精度和穩(wěn)定度;變頻器綜合保護功能完善，能夠及時發(fā)現(xiàn)、查找、處理故障，并且節(jié)約了能源[4]。

（6）供電：無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備走行動力采用電池組供電。

1.4.3金屬結(jié)構(gòu)。

無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)是重要組成部分，它是整臺設(shè)備的骨架，將機械和電氣設(shè)備連接組合成一個有機的整體，承受和傳遞作用在設(shè)備上的各種載荷并形成一定的作業(yè)空間，以便使起吊的重物搬運到指定的地點。

1.5 機構(gòu)原理

（1）無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備中，通過對控制系統(tǒng)的操縱，驅(qū)動裝置將動力的能量輸入，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，在傳遞給取物裝置。取物裝置將被搬運物體與起升機構(gòu)聯(lián)系起來，通過工作機構(gòu)單獨或組合運動，完成物體搬運作業(yè)任務(wù)。可移動金屬結(jié)構(gòu)將各組成部分連接成一個整體，并承載設(shè)備本身的自重和吊重。

（2）取物裝置是通過吊鉤將物體與無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備聯(lián)系起來進行物體吊運的裝置。根據(jù)被吊物體不同的種類、形態(tài)、體積大小，采用不同種類的取物裝置。合適的取物裝置可以減輕工作人員的勞動強度，大大提高工作效率。防止吊物墜落，保證工作人員的安全和吊物不受損傷，滿足取物裝置對安全的基本要求。

1.6 技術(shù)難點

（1）轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤檢修維護時轉(zhuǎn)臺吊運流程的制定。根據(jù)日常輪對轉(zhuǎn)盤檢修維護指導(dǎo)書和標準作業(yè)規(guī)范的，與管理人員，技術(shù)人員，現(xiàn)場使用人員進行深入溝通探討，經(jīng)過分類、研究、歸納、總結(jié)，制定出規(guī)范化強，作業(yè)標準，操作簡單方便的轉(zhuǎn)臺吊運流程。

（2）無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備的各類保護措施。為了保障無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備的功能協(xié)調(diào)有序，且保證轉(zhuǎn)臺吊運工作的穩(wěn)定性，就必須保證各類保護措施和器件的完善，必須考慮到各種工作狀況和突情況，設(shè)置完善的保護措施，以保證設(shè)備正常運行。

2 技術(shù)方案

2.1 電氣部分

（1）PLC接受操作信號，綜合處理，使變頻器的輸出得以控制，驅(qū)動電動機的動作。故障處理、達速控制、運行應(yīng)答、正反轉(zhuǎn)信號、制動信號以及速度信號是控制吊運設(shè)備與變頻器間的聯(lián)絡(luò)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)起升機構(gòu)升降速度、運行速度，同時對起升、大小車電機和小車限位、大車限位、下降限位、上升限位等進行保護。

（2）起升機構(gòu)是負載機構(gòu)，不但對精準的控制制動以及高的轉(zhuǎn)速有要求，還嚴格要求轉(zhuǎn)矩的控制。應(yīng)用矢量的控制方法作為控制方式，PLC所接受的電機旋轉(zhuǎn)編碼器要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換卡所送到的反饋信息，防止吊鉤下滑。

（3）控制系統(tǒng)包括各種操作電氣裝置、可視操作顯示器、電氣元件、線路，用于實現(xiàn)人機對話的接口[5]。控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、技術(shù)狀態(tài)對吊裝、吊運作業(yè)安全、作業(yè)效率有重大影響。

2.2運行工作

（1）起升機構(gòu)的電動機通過聯(lián)軸器和減速器進行連接，通過減速器的低速軸的旋轉(zhuǎn)使卷筒、吊鉤、鋼絲繩等組合動作。當起升電機工作時，通過正向轉(zhuǎn)動、逆向轉(zhuǎn)動，將起升力矩傳遞給卷筒，隨后卷筒將鋼絲繩卷入或者放出，使得吊運物上升或者下降，其基本的原理是將電動機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成為重物的升降運動。當突然斷電時進行制動，吊物就會在指定位置停止。當上升到極限位置時，會觸碰限制器，使得吊鉤停止運動。

（2）該設(shè)備運行部分的走行電機通過聯(lián)軸器與減速器進行連接，經(jīng)減速器低速軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動車輪運行。當電動機工作時，通過正反方向旋轉(zhuǎn)，將動作傳遞給車輪，然后車輪向指定方向轉(zhuǎn)動，其基本的原理是將電動機的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成為了機構(gòu)的平行移動。當突然斷電時進行制動，設(shè)備就會在指定位置停止。當運行到極限位置時，會觸碰限制器，使得車輪停止運動[6]。運行機構(gòu)還配套了防風抗滑裝置、緩沖器等，這些裝置可以有效避免小車脫軌和防止起重機被強風吹跑而導(dǎo)致傾覆。

4 設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理圖

無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備主要由橫梁、支撐架、地梁、旋轉(zhuǎn)梁、齒輪箱等部分組成，其組成結(jié)構(gòu)簡圖如下圖1所示。

5 取得效益

5.1 安全效益

結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用特點，通過無軌智能轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)盤吊運設(shè)備進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制設(shè)計等，使其最大化滿足現(xiàn)場檢修作業(yè)使用的同時，保障了作業(yè)過程中的人身安全、設(shè)備安全，避免了由于目前采用叉車進行臨時替代作業(yè)的各種安全隱患，包括重物滑落、設(shè)備傾翻、操作難度系數(shù)高、設(shè)備剛性損傷等，提高了作業(yè)效率，對現(xiàn)場安全有著十分重要的意義。

5.2 經(jīng)濟實用效益

一是采用無軌智能吊運完全不用安裝道軌，在施工現(xiàn)場平整地面任意行車吊物，能節(jié)省資金和人力;二是無軌智能吊運設(shè)備可選三種電源，自帶電池組供電、自帶發(fā)電機供電或380伏三相電源供電;三是可以隨意調(diào)整角度和方向，作業(yè)區(qū)域內(nèi)外，不留死角，任意吊運。

參考文獻

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[3]劉靜，杜靜.機械原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2019：30-236.

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[5] 朱曉慧，黨金順.電氣控制技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2021：12-295.

[6] 安仲舉.智能機械設(shè)計制造自動化特點與發(fā)展趨勢研究[J].中國設(shè)備工程，2020（6）：25-27.