淺談無軌智能轉向架轉盤吊運設備的設計與控制

馬騰

摘要：本文主要是針對轉向架轉盤檢修維護過程中存在的問題進行分析，設計一種無軌智能轉向架轉盤起吊裝置，目的在于保障轉向架轉盤檢修維護施工安全，提高作業效率，減少作業流程，以避免對金屬結構的損傷。本設計采用無軌智能門架式機構，大車可在平整地面多方位自由運行，起升機構可控制吊裝高度的精確定位，PLC程序可對各機構運行速度、距離、時間進行管控，變頻器控制各機構性能輸出和保護，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，顯著提高轉向架轉盤檢修維護作業的效率。為現場設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，還可減少因檢修不便帶來的次生傷害。

關鍵詞：轉向架轉盤 ?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

轉向架轉盤機械傳動及電氣部件檢修維護及損壞時，需將轉向架轉盤上部轉臺整體進行吊離，目前采用的作業方式是作業人員配合叉車進行調向，指揮人員指揮叉車司機將叉車前叉架插入轉臺底部，將轉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。由于在作業過程中，人為和叉車性能的不確定性，需要多次檢查調整轉臺重心位置及提升高度，影響工作效率，且叉車作為提升調向設備與轉向架轉盤轉臺底部屬于剛性接觸，不免會對設備造成金屬結構損傷或變形。

1 總體設計方案

1.1設備組成

設備主要門架結構、大車運行機構（可旋轉型）、環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，各機構運行平穩，配備“變頻+PLC智能控制系統”，便于根據不同工況進行現場調節。

1.3 設備主要配置

（1）支撐架：主要承載金屬結構門架[2]。

（2）地梁、旋轉梁：由電機驅動大車運行機構使門架結構運行及轉向[3]。

（3）電氣設備：起重專用變頻器+西門子PLC智能控制。

（4）供電：380V交流電源、發電機、蓄電池組。

1.4 結構設計

1.4.1 確定設備主要參數

（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無軌智能轉向架轉盤吊運設備

無軌智能轉向架轉盤吊運設備具體結構包括橫梁、所述橫梁下面左右兩側對稱設置有支撐架、支撐架下面設有地梁、地梁下面兩端對稱設置有旋轉梁，旋轉梁可相對所述地梁轉動，旋轉梁設有行走裝置，橫梁下面設有提升裝置。

（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）旋轉梁：設有齒輪箱，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，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動。

（3）大車電機：設置為滑環電機，所述地梁上設有環形滑環，所述環形滑環環繞設置在旋轉梁轉軸外側，與所述環形滑環相匹配設置斷電碳刷。

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

（5）電氣控制：結合無軌智能轉向架轉盤吊運設備的運行特點，將可編程序控制器與變頻器結合應用于其控制系統，其中PLC系統可采用siemens公司產品，大大提高了操作精度和穩定度;變頻器綜合保護功能完善，能夠及時發現、查找、處理故障，并且節約了能源[4]。

（6）供電：無軌智能轉向架轉盤吊運設備走行動力采用電池組供電。

1.4.3金屬結構。

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

1.5 機構原理

（1）無軌智能轉向架轉盤吊運設備中，通過對控制系統的操縱，驅動裝置將動力的能量輸入，轉變為機械能，在傳遞給取物裝置。取物裝置將被搬運物體與起升機構聯系起來，通過工作機構單獨或組合運動，完成物體搬運作業任務。可移動金屬結構將各組成部分連接成一個整體，并承載設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向架轉盤吊運設備聯系起來進行物體吊運的裝置。根據被吊物體不同的種類、形態、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 技術難點

（1）轉向架轉盤檢修維護時轉臺吊運流程的制定。根據日常輪對轉盤檢修維護指導書和標準作業規范的，與管理人員，技術人員，現場使用人員進行深入溝通探討，經過分類、研究、歸納、總結，制定出規范化強，作業標準，操作簡單方便的轉臺吊運流程。

（2）無軌智能轉向架轉盤吊運設備的各類保護措施。為了保障無軌智能轉向架轉盤吊運設備的功能協調有序，且保證轉臺吊運工作的穩定性，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，設置完善的保護措施，以保證設備正常運行。

2 技術方案

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，驅動電動機的動作。故障處理、達速控制、運行應答、正反轉信號、制動信號以及速度信號是控制吊運設備與變頻器間的聯絡。變頻調速控制系統調節起升機構升降速度、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）起升機構是負載機構，不但對精準的控制制動以及高的轉速有要求，還嚴格要求轉矩的控制。應用矢量的控制方法作為控制方式，PLC所接受的電機旋轉編碼器要經過數模轉換卡所送到的反饋信息，防止吊鉤下滑。

（3）控制系統包括各種操作電氣裝置、可視操作顯示器、電氣元件、線路，用于實現人機對話的接口[5]。控制系統的穩定性、技術狀態對吊裝、吊運作業安全、作業效率有重大影響。

2.2運行工作

（1）起升機構的電動機通過聯軸器和減速器進行連接，通過減速器的低速軸的旋轉使卷筒、吊鉤、鋼絲繩等組合動作。當起升電機工作時，通過正向轉動、逆向轉動，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轉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）該設備運行部分的走行電機通過聯軸器與減速器進行連接，經減速器低速軸的旋轉驅動車輪運行。當電動機工作時，通過正反方向旋轉，將動作傳遞給車輪，然后車輪向指定方向轉動，其基本的原理是將電動機的旋轉轉化成為了機構的平行移動。當突然斷電時進行制動，設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致傾覆。

4 設備結構及原理圖

無軌智能轉向架轉盤吊運設備主要由橫梁、支撐架、地梁、旋轉梁、齒輪箱等部分組成，其組成結構簡圖如下圖1所示。

5 取得效益

5.1 安全效益

結合現場實際應用特點，通過無軌智能轉向架轉盤吊運設備進行結構設計、電氣控制設計等，使其最大化滿足現場檢修作業使用的同時，保障了作業過程中的人身安全、設備安全，避免了由于目前采用叉車進行臨時替代作業的各種安全隱患，包括重物滑落、設備傾翻、操作難度系數高、設備剛性損傷等，提高了作業效率，對現場安全有著十分重要的意義。

5.2 經濟實用效益

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

參考文獻

[1]潘宗才.斗輪堆取料機自動化控制系統的研制[D].南寧：廣西大學，2018.

[2]高順德，王欣，張氫.工程機械手冊[M].北京：清華大學出版社，2018：12-98.

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

[4]Ankita Anirban .Distributing the load with machine learning[J].Nature Publishing Group UK，2020，2（5）：227.

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

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