鐵路卷鋼托架自動化吊具設計研究

張 慧 徐 勇

中國鐵路蘭州局集團有限公司貨運部 甘肅蘭州 730000

1 概述

卷鋼是鐵路貨物運輸的重點對象，在鐵路貨運占比較大[1]。隨著國民經濟的發展，卷鋼需求量大幅增加，卷鋼運量也隨之增加。據統計，2016年鐵路卷鋼發運量約為5200萬噸，2018年增長為6000萬噸，增長了15.3%[2]。

卷鋼集裝托架結構強度高、無須輔助加固、可重復循環使用，因此，逐步取代凹型草支墊、鋼絲繩緊固器，成為鐵路運輸卷鋼裝載加固的主流方式[3]。為方便托架裝車、卸車以及回送，通常在托架上安裝吊鉤，便于吊裝作業[4-6]。經長期工作發現，卷鋼集裝托架在裝車、卸車以及回送作業過程中，存在安全性差、作業效率低、勞動強度高的問題。為解決上述問題，設計卷鋼集裝托架自動化吊具，有很強的現實意義：(1)可提高吊裝作業機械化程度，減少現場作業人員勞動強度；(2)可提高吊裝作業自動化程度，提高裝卸效率和精確度；(3)對于實現托架裝車、卸車以及回送作業“智能化”發展，尤為關鍵。

2 自動化吊具設計原則

自動化吊具主要針對如何實現Q系列卷鋼集裝托架裝車、卸車以及回送作業的自動化裝卸設計。自動化吊具需滿足以下功能需求：(1)吊具需適應現場作業條件，運營安全、穩定、可靠；(2)吊具需同時滿足Q1、Q2、Q3型托架自動化吊裝作業的需求；(3)吊具需滿足托架在疊放狀態下的吊裝需求，能夠準確控制起吊托架數量；(4)吊具需滿足裝車作業時，托架卡擋結構和車輛補強座準確定位配合的需求；(5)吊具設計需考慮托架吊裝作業時，防脫安全保護措施。

3 自動化吊具設計方案

自動化吊具是專門針對Q系列卷鋼托架吊裝設計的關鍵設備，采用液壓動力驅動，針對不同型號托架進行對應的開閉及收縮動作，通過吊具鉗臂下部的鉗腿對托架進行夾取作業。自動化吊具由吊架機構、主梁結構及鉗腿機構三部分組成，見圖1。

圖1 自動化吊具結構

自動化吊具設計尺寸參數見下表。

自動化吊具設計參數表

4 自動化吊具結構設計

4.1 吊架設計

吊架結構材料為低合金Q345B鋼板[7]。吊架機構可容納安裝吊軸、旋轉大齒輪、旋轉小齒輪、旋轉電機減速器等附件，如圖2。旋轉電機減速器功率為0.55kW，電壓為380V的四極電機吊具回轉速度為1r/min。

吊軸與起重機吊鉤進行連接與固定，還設有防脫鉤裝置。吊鉤處設有負載傳感器，用于吊具起吊承載時的檢測。當吊具起吊承載時，PLC會根據承載檢測傳感器和鉗腿底部檢測傳感器，綜合判斷吊具起吊狀態；當吊具處于空中移動狀態時，吊具電氣保護功能激活，鉗腿開閉功能暫時失效，防止吊具在空中吊運時因誤觸發而導致鉗腿意外開閉。

吊架機構內設置有旋轉機構，通過電機驅動旋轉齒輪進行回轉，旋轉角度可根據要求定制，也可固定90°位置設置停止位，到位即停止旋轉。

圖2 自動化吊具吊架結構

4.2 主梁設計

主梁主要由兩滑槽箱和連系梁組成。兩滑槽箱焊接在連系梁兩端，形成H型結構，以布設四條鉗腿的裝配，材料為Q345B高強度低合金板，如圖3。焊接完成后，進行整體消除應力處理，后對滑槽箱進行機械加工[8]。主梁內部裝入四條導板、墊塊、連接塊、油缸和平衡齒輪、齒條等零件。

主梁結構內部設有開閉導板和滑槽機構，內置驅動液壓缸，負載吊具鉗臂的開閉動作，梁體內部設有最大和最小開口度限位裝置以及電纜拖鏈，驅動液壓缸具有保壓作用，當吊具設備在吊運過程中失電時，保壓功能可保證吊具設備在失電狀態下仍可牢固夾緊托架。

4.3 鉗腿設計

該吊具共有四個鉗腿，鉗腿主材采用Q460以上的高強度鋼材，鉗齒采用42CrMo合金鋼，如圖4。每個鉗腿內部裝有一對保險鉤和鉗齒、一個單作用油缸等零件。吊具四鉗腿設計考慮了適應于各種型號Q型托架的通用性，可采用夾緊和頂撐的方式固定托架。

鉗腿表面有層數檢測標識，可用于在托架疊放狀態下判斷夾取托架層數，通過色卡標識方便作業人員觀察。鉗腿底部設置有二次保護鉤爪，鉤爪通過液壓缸驅動進行伸出和收回動作，當鉗腿夾取托架并提升后，保護鉤爪伸出，將托架底部托起形成二次保護。

鉗腿底部設置有觸地檢測傳感器。吊具離開地面100～200mm時，觸發傳感器信號，此時吊具處在空中移動狀態，吊具電氣保護功能被激活，打開功能暫時失效，防止托架在空中移動時意外打開鉗腿。

圖3 自動化吊具主梁結構

圖4 自動化吊具鉗腿結構

4.4 液壓及電控系統設計

夾鉗通過四油缸把推力或拉力通過油缸銷軸傳遞給四個導板，實現導板的伸縮動作，四油缸總推力為7356～10048kg，總拉力為5652～7536kg，由鉗齒作用在托架上，以足夠保證夾取托架的正壓力。

液壓管路系統中，先由泵站輸出的壓力油通過三位四通電磁閥和節流閥、液控單向閥等液壓元件輸送給油缸的有桿腔或無桿腔，同時向蓄能器儲存能量，以備保壓時使用。當左壓力繼電器或右壓力繼電器達到一定的壓力時，接通控制觸點，實現連鎖控制。當左壓力繼電器觸電接通時，左卸油閥開始泄油，也同時接通保險鉤閥，接通單作用油缸的壓力油進行保險。同時，每個油缸都有液控組，在工作時即使油管斷裂，油缸內的壓力油也不會泄露，確保吊具夾取托架的安全。

吊具電氣控制主要由PLC集中控制，發出聲光信號，指示吊具的各種狀態。同時油泵電機工作時，可進行延時控制，當撥動打開或閉合按鈕，油泵電機就自動停轉，以保護油泵電機長期工作，避免油溫升高，延時時間可根據實際工作情況進行設定。

5 自動化吊具設計創新點

(1)自動化吊具鉗腿縱向間距的設計以及鉗腿開合度的設計，使得吊具滿足Q系列不同型號托架的夾取吊裝需求，自動化吊具的設計結合了托架的結構特點以及在使用流程中的狀態，合理利用了托架結構，滿足了托架吊裝作業需求，如圖5。

圖5 自動化吊具起吊托架

(2)自動化吊具的設計不僅能夠單層夾取托架，同時能夠在托架疊放狀態下夾取多層托架，從而滿足了在不同作業工況下起吊托架的作業需求，如圖6。鉗腿的設計滿足了夾取多層托架時長度的需要、設計承載重量的需要，同時在吊具鉗腿上端安裝有攝像頭，鉗腿上有用于辨別鉗腿下降深度的標識線，便于天車駕駛員在駕駛室內準確控制夾取托架數量[9]。

圖6 自動化吊具吊取多層托架

(3)鉗腿底部設置有二次保護鉤爪，如圖7。鉤爪通過液壓缸驅動進行伸出和收回動作，當鉗腿夾取鋼卷架并提升后，保護鉤爪伸出，將鋼卷架兜底，從底部托住鋼卷架，形成二次保護，避免了在托架未完全夾緊或運行中托架撞擊貨車車廂造成托架松動，托架脫落的情況，保證了夾取托架的安全性。

圖7 自動化吊具二次鉤爪結構

(4)鉗腿底部設置有觸地檢測傳感器，傳感器會在吊具離開地面100～200mm時觸發信號。當吊具處于空中移動狀態，吊具電氣保護功能被激活，打開功能暫時失效，防止空中移動時意外打開鉗腿，造成托架脫落的情況發生。

6 現場試驗論證

(1)通過現場試驗自動化吊具吊取Q1型、Q2型以及Q3型托架證明，吊具能滿足夾取Q系列托架的功能需求，通用性好。

(2)在單層及疊放多層狀態下，自動化吊具分別夾取Q1型、Q2型和Q3型托架，吊具夾取狀態穩定，在碰撞時也能夠保持夾緊狀態，均能夠滿足吊裝需求。

(3)在托架起吊時，自動化吊具二次保護鉤爪自動伸出，兜底托架底部，對托架形成二次保護。

(4)自動化吊具夾取托架進行裝車試驗，鉗腿上端攝像頭能夠準確反映起吊托架的位置狀態，還可在托架卡擋和車輛補強座進行配合時，提供幫助。

(5)吊具夾取托架起升高度超過200mm，吊具鉗腿開閉開關失效，有效防止了托架在夾取托架時誤碰開關造成托架脫落的情況。

結語

卷鋼托架自動化吊具，解決了Q系列卷鋼集裝托架在裝車、卸車以及回送作業過程中，存在安全性差、作業效率低、勞動強度高的問題，實現了卷鋼快裝、快運、快卸、快回送，提升了鐵路運輸在整個運輸市場的核心競爭力，為今后更好地服務大型鋼鐵企業提供了裝備保障，具有重要的意義。