面向輸變電設備的小型移動吊車設計*

楊保健，楊博文，蘇 虎，李曉斌

（1.五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020；2.廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

當前中國對電力的需求與日俱增，大容量、大規模、智能電網的建設已成為電力系統發展的趨勢，變電站的擴建改造項目日益普遍，需要在室外進行吊裝作業的設備包括變壓器瓷套管、隔離開關動靜觸頭、支柱絕緣子、均壓環、避雷器、電流互感器、電壓互感器、耦合電容器設備[1]。這些設備一般布置在2～3 m的空中，安裝、維檢、修護過程需要吊車協助。但由于變電站場地空間狹窄，不利于小型汽車起重機進入，而且存在“碰線”觸電的安全風險[2]。而常規的處理方法需要對變電站進行停電處理，對社會正常的生活生產秩序會造成一定的損失；另外，在擴建過程中時常遇到其他困難，例如變電站擴建建設人員的操作安全知識薄弱、建設過程中設計方案與實際可操作環境有誤差、施工現場地質水文條件復雜、操作設備專業性參差不齊等問題。

鑒于此，本文從安全專業的角度，分析電網間吊裝作業的特點，以實際電網間距按1∶5 的比例建立吊機模型，設計了適合輸變電設備吊裝的無線小型移動吊車專用設備，以滿足實際生產需要，實現輸變電設備吊裝過程的可視化和智能化。

1 小型移動吊車結構設計

小型移動吊車采用了直流無刷電機驅動，前輪和支撐架的電機采用MG995 舵機；回轉部分采用外齒回轉支承；卷揚機構由一對齒輪組成；緊急剎車采用了電磁制動器制動；吊臂的伸縮采用了螺旋升降機構，由一根絲桿和絲桿套組成。

該小型移動吊車具有不同于現有市場產品的設計，結構創新、合理，適合變電站工作環境。易安裝搬運、操作簡單便攜，符合人機工程。總體設計效果如圖1所示。

圖1 小型移動吊車3D模型

1.1 行走驅動裝置

行走驅動裝置采取電機驅動，依靠齒輪傳動將扭矩傳到輸出軸上。整個吊車有4個輪子，總摩擦阻力為235 N 。驅動輪后輪的直徑為83 mm，阻力矩為10 N·m。驅動后輪轉動一圈，整個移動吊車前進0.267 m，設計小車時速為0.5 m/s，減速比為2∶1，則后輪轉速為112 r/min，電機轉速至少應為112 r/min。

根據電機扭矩得出后輪驅動電機的輸出功率P＝120 W 。由于無刷直流電機的效率一般在70%左右[3]，故電機的額定功率取170 W，綜合價格選用電機的型號為Z55BLD200-24GU，并選用減速比為25 的減速器進行降速和提升扭矩?；緟等绫?所示。

表1 Z55BLD200-24GU行走驅動電機的基本參數

1.2 轉向裝置

本文采用雙搖桿機構來實現前輪的轉向。主動柄采用MG955舵機驅動，轉動角度為90°。連桿兩端通過魚眼螺桿與吊車前輪相連，從而通過連桿的平動變為前輪的90°轉動，實現前輪的轉向，如圖2所示。

圖2 前輪轉向機構簡圖

空間自由度常用的計算公式：

式中：Pz為自由度總數；λ為多余自由度；5 為每個封閉環的約束數；K為封閉環的個數。

本機構中自由度總數Pz＝18，即機構簡圖中·部分（6 個回轉副、4個球面副）；多余自由度λ＝2，即桿2上的2個回轉副；封閉環數K＝3，即圖中虛線圈起來的部分（分別為A-C-E-F-G、A-B-C-D、B-D-H-I-J），用實心三角形▲表示。代入式（1）得：

由此可知自由度W＝1，故轉向機構設計正確。

1.3 吊臂伸縮裝置

由于設計時要控制吊車的整體結構，沒有空間在吊臂位置安裝液壓缸或氣缸，而吊臂若只有一節又難以保證起吊的高度，因此采用螺紋傳動的方式來使吊臂的第二節伸縮。由電機控制螺母管的旋轉，隨著螺紋的旋合進而推動第二節吊臂的伸出。

氣缸的支撐力與吊臂的夾角為35°。因此吊臂受到4 個力，分別為吊臂自身重力、第二節吊臂及起吊物的重力、氣缸的支撐力、豎壁的支撐力。這4 個力的前兩者設定為施加力，后兩者可以直接在有限元分析中將其設定為固定約束。分析得到結果如圖3～4所示。由圖可知第一節吊臂的最大應力集中處在氣缸連接處，最大值為1.95×105N/m2，遠小于材料的屈服力極限2.275×108N/m2；第二節吊臂的應力集中出在與絲桿的連接面，最大為8.2×107N/m2，同樣小于材料的屈服極限。故零件的整體受力合理。

圖3 第一節吊臂的應力分析

圖4 第二節吊臂的應力分析

2 無線控制方案設計

本文選用GX Works2 作為PLC 的編寫程序，以及Android Studio3.5 作為移動電話客戶軟件的設計[4-5]。將整個控制系統分為Android 客戶端、中間層服務器端、吊車輸出端進行設計。整個系統的架構如圖5所示。

圖5 控制系統架構圖

（1）Android客戶端：在WiFi環境下，數據通過TCP/IP協議在串口服務器和移動電話之間建立socket連接，實現兩者之間的數據交換[6]。

（2）服務器端：串口服務器將接收的數據通過Modbus協議傳輸給三菱PLC。三菱PLC 接收后進行轉碼編譯，控制輸出端口的輸出。

（3）吊車輸出端：吊車上的電機或驅動器接收PLC輸出信號，控制小型吊車上的電機，以此控制吊車的前進、起吊等動作。

圖6 PLC控制系統接線圖

2.1 主控系統設計

由于本吊車電機較多，需要的PLC輸出口也較多，同時需要高脈沖輸出控制舵機，因此選晶體管輸出型PLC，考慮留20%的空余量，最終選用FX3U-32MT 三菱PLC 和FX2N-4DA模塊來輸出0～5 V電壓控制電機的速度[7-8]。PLC控制系統接線圖如圖6所示。輸出端Y0和Y1輸出脈寬為1～2 ms的高頻脈沖控制舵機轉動，其余端口輸出高低電平控制電機的啟停。

2.2 客戶端APP設計

本移動吊車課題所開發的APP 界面有4 個，分別是主頁、檢查通訊頁、移動操作頁、升降操作頁，其設計界面如圖7 所示。程序編寫的關鍵點在手機與三菱PLC 在WiFi 環境下進行通訊的程序編寫。要求當每個按鈕狀態變化時（按鈕有按下和松開2 種狀態），PLC 上的寄存器狀態也隨之變化，起到控制電機的作用。

圖7 移動吊車APP的設計界面

通訊部分使用Github 上的開源代碼HslCommunication 庫。首先需要建立Modbus TCP連接，這里建立連接的關鍵代碼為：

其中IP地址和端口根據485轉WiFi串口服務器提供的IP進行修改。接著調用melsec_net.Write函數進行寫入PLC寄存器狀態。由于PLC都是由M寄存器的狀態變化實現控制輸出端口的信號，故這里只需要對M寄存器進行布爾值的真假進行寫入，以寫入真為例，函數使用方法為：

melsec_net.Write("M22",new boolean[]{true})；

3 結束語

本文從安全專業的角度，在分析電網間吊裝作業特點的基礎上，設計了適合輸變電設備吊裝的無線小型移動吊車專用設備。在目前手搖小型吊機的基礎上對吊臂的伸縮裝置和前輪裝置進行結構改良設計與校核，零件強度滿足工程實際要求；并在小型吊車的無線控制方面進行創新設計，開發了移動終端APP控制系統，使操作人員可以在WiFi局域網環境下對吊車進行控制，實現了輸變電設備吊裝過程的可視化和智能化，為變電站的擴建改造項目的順利實施提供有效的理論依據和工程價值。