四車聯動多用途重載全向轉運平臺研究

李所先，周源潔

（1.四川航天神坤科技有限公司，四川 成都 610100；2.西北師范大學，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

20 世紀80 年代中期，我國開始發展首批核電站。早期的核電站基本在80 年代前后投入運行，在核電事業中發揮了重大的作用。同時，經過半個多世紀的發展，我國早期的核電站已經或即將進行較大的維修。對核電站設備進行檢查、維修，并最終控制整個核電站的安全性，是核電站檢修的最終目標。水泵電機是核電站的重要設備，在國防科技工業現代化持續發展中起到舉足輕重的作用。在以上背景下，開展了對核電站水泵電機運輸的研究。

1 四車聯動多用途重載全向轉運平臺簡介

四車聯動多用途重載全向轉運平臺由4 套獨立的單套多用途重載全向轉運平臺、拼接機構、緊固件等組成。四車聯動多用途重載全向轉運平臺系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 四車聯動多用途重載全向轉運平臺系統組成示意圖

單套多用途重載全向轉運平臺主要由自動導引運輸平臺、自動控制系統、電源系統、減震系統、吊裝機構及安全防護系統等組成。

1.1 自動導引運輸平臺

單套多用途重載全向轉運平臺的自動導引運輸平臺由八組麥克納姆輪組成四套驅動系統，這四套驅動系統能獨立控制完成整車的前進、后退、橫移、斜移、原地360°旋轉等功能，控制靈活，實現全方位運行。驅動系統每一個麥克納姆輪上均安裝有一個獨立的懸掛系統，當車體在承受一定負載時，軸承座通過導向立柱上下移動以擠壓阻尼式彈簧，阻尼式彈簧根據承受的壓力調節自身高度，起到車體減震效果，保證麥克納姆輪始終與地面處于接觸狀態。

自動導引運輸平臺。使用伺服電機進行驅動，動力強勁，運行平穩，多檔可調無極調速。采用獨立懸掛，增強了對地面適應能力。

1.2 自動控制系統

自動控制系統具有整體操作、獨立操作兩種功能選項。整體操作即4 套多用途重載全向轉運平臺組合為一體工作時，對設備進行的整體操控。獨立操作即單套多用途重載全向轉運平臺獨立工作時的操控。單套多用途重載全向轉運平臺的自動控制系統的核心部分通常包括主控制器、運動控制器、遙控器、BMS系統、避障系統、通信系統及操作面板，其中核心是主控制器，運動控制器通過通信系統接收主控制器的命令完成各運動軸的控制，而操作面板則完成人機交互的功能。主控模塊是單套多用途重載全向轉運平臺車體控制的大腦，它集成多種通訊方式與外部器件控制端口為一體，目的是使通訊更加快捷、靈活、方便，通過CAN 通訊接口與安裝運輸臺架中其它模塊進行通訊，發送和接收指令，實現對單套多用途重載全向轉運平臺整體運行的操作。

1.3 電源系統

單套多用途重載全向轉運平臺采用鋰電池為系統提供動力，并實時監測、顯示蓄電池剩余電量，確保單套多用途重載全向轉運平臺的正常使用，并在蓄電池低電量時自動發出提示。

1.4 安全防護系統

安全防護系統主要包括智能激光避障系統、防撞安全觸邊和急停按鈕，在非正常情況下可以通過操作急停按鈕使電機立即斷電，讓車體緊急停車，保障現場人員及設備的安全。

1.5 吊裝機構

為便于吊裝搬運，在單套多用途重載全向轉運平臺車體前后兩端各配置兩個吊裝機構。

1.6 拼接機構

為適應現場的不同規格，不同型號（尺寸、重量）的電機轉運，4套單套多用途重載全向轉運平臺通過8套連接機構可連接為一體,組成四車聯動多用途重載全向轉運平臺，對電機進行搬運、轉場。當作為四車聯動多用途重載全向轉運平臺使用時，需將4臺單套多用途重載全向轉運平臺平行組裝運輸，并用連接機構連接，重型電機固定安裝在四車聯動多用途重載全向轉運平臺上，通過一臺遙控器進行控制；需要運輸輕型電機時，將四車聯動多用途重載全向轉運平臺分開使用，單獨使用多用途重載全向轉運平臺。

連接機構包含連接座、連接柱、插等組成，通過螺栓緊固件安裝于車體結構上。

2 關鍵部件—麥克納姆輪的設計計算[1]

麥克納姆輪由輪轂和多個輥子組成，輥子與輪轂軸線成一定角度（偏置角通常為±45°），輥子可以繞自身軸線自由旋轉。所有輥子沿轂軸向方向形成的包絡面為一個圓柱面，因此其投影構成一個圓，圓心為o點。麥克納姆輪包絡面的半徑為R，單個小輥子兩個端面的圓心為A點和B點，在投影面上的投影分別為m點和m’點，m點和m’點之間的圓弧對應的圓心角為θ，β角為θ的一半，弧pp′為輥子外圍輪廓線投影，如圖2、3所示。

圖2 輥子沿麥克納姆輪軸向方向投影

為了保證全向移動平臺在工作中承受較重的載荷，同時為確保運動的連貫穩定性，需要保證任意時刻每個麥克納姆輪至少有兩個小輥子和地面接觸[2]。因此，相臨兩個小輥子的投影存在一定的重合，對應的角度為重合角θ′。

令麥克納姆輪中小輥子的總數為n，小輥子的長度為LAB,小輥子的最小半徑為a，小輥子的重合度為E，輥子軸線與麥克納姆輪軸線的空間夾角為η（一般取45°）。可以推出如下公式：

圖3 相鄰輥子沿麥克納姆輪軸向方向投影

如圖4所示，為了防止正常工作時輥子之間發生干涉，相鄰兩個輥子之間須存在一定的安全間隙，因此要求LGH ＞2LGE，所以可推導：

圖4 相鄰兩個輥子之間的安全間隙

得到n＜9，由于n通常情況下取能被360°整除的整數，如8,9,10,12,15等。所以取n=8。所以設計的重載全向輪半徑輥子在全向輪軸線方向投影中對應的中心角θ為46°，經過計算和比對，小輥子個數為8個。

3 關鍵技術研究

3.1 四車聯動多用途重載全向轉運平臺運動形式研究[1]

為滿足水泵電機運輸轉場功能，四車聯動多用途重載全向轉運平臺設計為可移動式，保證X-Y平面內運動。傳統的運動形式均采用萬向輪來實現。萬向輪通常采用聚氨酯輪，通過兩輪差動原理實現整個轉運平臺的轉向功能，能夠實現前、后、轉彎等運動功能，制造簡單，價格便宜，目前廣泛應用于汽車、電子、物流等行業。但由于其運動靈活性不夠，無法全向平移，效率較低、復雜環境中作業困難，調整精度差，有一定的運動局限性，在很多場合的應用受到了限制，無法滿足水泵電機轉場現場空間局限性。

四車聯動多用途重載全向轉運平臺由4 套獨立的單套多用途重載全向轉運平臺、連接機構、緊固件等組成。其最大優點在于其卓越的運動靈活性，能夠實現真正意義上的全向移動，且不同運動方式之間的轉換迅速，非常適用于零部件、設備的轉運工作，尤其是在運動空間要求較高（運行通道空間狹窄）的場合具有出色的表現，可實現水泵電機類設備安全轉場等。

3.2 四車聯動多用途重載全向轉運平臺轉場安全防護研究

安全防護系統是四車聯動多用途重載全向轉運平臺上不可或缺的組成部分，為確保轉運平臺工作滿足核電作業現場的安全性要求，轉運平臺安全防護系統擬采用智能化激光避障系統、防撞式安全觸邊及傳統的急停開關、聲光報警組合方式，在轉運現場空間局限，移動盲區較多的情況下，可確保設備安全工作。在非正常情況下可以通過操作急停按鈕使電機立即斷電，讓車體緊急停車，保障現場人員及待轉運設備的安全。

4 結語

以某核電站檢修電機設備為依托，結合以往水泵電機維修轉場運輸的經驗，針對核電站多批次不同規格電機轉場工況開展研究，通過對電機設備工藝的分析研究，研制一套用于水泵電機類轉場運輸的專用設備。其目的是建立一套以安全、質量保證為核心的電機維修標準和規范，指導核電站維修工程的順利建造，確保其安全、可靠運行，為核電站后續的運行、維護做好技術儲備。