一種室內(nèi)管道閥門搬運安裝設(shè)備的設(shè)計

摘要：研究設(shè)計了一種適用于工廠室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的管道閥門搬運安裝設(shè)備，該設(shè)備能夠搬運不同尺寸規(guī)格、不同種類的管道閥門，并在特殊環(huán)境中完成輔助安裝。本研究針對以下三個問題提出了相應(yīng)解決方案：①為克服復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，設(shè)計了一種綜合式的移動底盤，其采用麥輪組合及輔助越障輪，提高了設(shè)備的越障能力；②為適應(yīng)室內(nèi)狹窄空間及管道閥門特殊安裝位置，設(shè)計了一種升降機構(gòu)，其由垂直升降機構(gòu)和水平提升機構(gòu)組成，實現(xiàn)了起重升降，保證了設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性，同時保證了設(shè)備的工作范圍；③為適應(yīng)不同種類閥門的裝夾，提出一種新型末端裝夾機構(gòu)，其能夠快速切換裝夾方式及調(diào)整尺寸，同時能夠?qū)艿篱y門姿態(tài)進行微調(diào)，以實現(xiàn)精確安裝。本研究使用ANSYS軟件對末端裝夾機構(gòu)進行靜力學(xué)分析，校核了強度；分析了設(shè)備的安裝精度及抗傾覆能力，驗證了設(shè)備的合理性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：廠房室內(nèi)；管道閥門；結(jié)構(gòu)設(shè)計；末端裝夾機構(gòu)；ANSYS

中圖分類號：TH69 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.06.008

文章編號：1006-0316 （2024） 06-0053-07

Design of an Indoor Pipeline Valve Handling and Installation Equipment

ZHANG Pengfei，LI Wuyu，DENG Bin，GUO Liang

（ School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：In this study， a pipe valve handling and installation device for complex indoor environments in factories is designed. The device can handle different sizes and types of pipe valves and"assist"with"the"installation"in special environments. Solutions for the following three problems are proposed： to overcome the complex indoor environment， a comprehensive mobile chassis in Mecanum wheel sets"with auxiliary obstacle-crossing wheels is designed to improve the obstacle-crossing ability of the device; to adapt to the narrow indoor space and the special installation position of the pipe valve， a lifting mechanism consisted of vertical and horizontal lifting mechanism is designed， which ensures the compactness of the device structure and expands the working range of the device; to adapt to the clamping of different types of valves， a new end clamping mechanism is proposed， which"allows"quick switch of"the clamping modesnbsp;and size adjustments， as well as the"fine-tuning"of"the pipe valve postures"to achieve precise installation. The"ANSYS software is"used"to perform the"static analysis on the end clamping mechanism and validates the strength."And the analysis of the installation accuracy and overturning resistance "verifies the feasibility and stability of the device.

Key words：factory interior；pipeline valves；structural design；end clamping mechanism；ANSYS

核電廠管道閥門安裝是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工作，直接關(guān)系著核電廠的安全生產(chǎn)^[1]。目前管道閥門通常采用人工安裝，工人將管道閥門搬運到對應(yīng)的安裝廠房，當(dāng)管道閥門體積較小且安裝位置較低時，搭建手腳架進行人工安裝，當(dāng)管道及閥門體積較大且安裝位置較高時，利用手腳架及滑輪進行吊裝，通過人力進行抬放安裝^[2]。進行抬升對接時容易因體力、站姿等原因發(fā)生晃動滑移，抬升對接管道安裝中的水平度和連接質(zhì)量不高，不僅費力、勞動強度大、對接準(zhǔn)確率不高、效率低，還易造成人員受傷、難以滿足工程進度要求^[3]。史世儉等^[4]設(shè)計了一種用于供熱管道閥門安裝的輔助支撐結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造過于簡單，不能很好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，末端支撐不能對閥門姿態(tài)進行調(diào)整；呂東亮^[5]設(shè)計的一種閥門安裝輔助裝置體積較大，不能很好的適用于狹窄復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境。于柏洋^[6]設(shè)計了一種用于供熱管道閥門安裝的輔助支撐結(jié)構(gòu)，其對于閥門姿態(tài)可微調(diào)，但總體為垂直升降，對于特殊位置的閥門，該設(shè)計仍存在限制。

現(xiàn)有起重裝置普遍存在體積過大、越障能力不足、工作范圍小以及末端抓具結(jié)構(gòu)過于簡單等問題。這導(dǎo)致它們無法在廠房內(nèi)靈活移動，也無法有效起吊各類管道和閥門，更無法微調(diào)安裝姿態(tài)以滿足安裝精度要求。為減輕勞動強度、提高工作效率、降低成本，提升廠房建設(shè)過程中的機械化程度，本研究提出一種新型的復(fù)雜環(huán)境管道閥門搬運安裝設(shè)備。

1 整體設(shè)計方案

在工廠建設(shè)初期，廠房室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，存在諸多障礙，如溝槽、小坡、鋪地鋼管、堆放的現(xiàn)有材料等，對設(shè)備的越障能力有一定要求。室內(nèi)空間有限，對設(shè)備在寬度、高度方面存在諸多限制。管道閥門的種類分為通風(fēng)管道閥門（風(fēng)閥）和通水管道閥門（水閥）。通風(fēng)管道一般處于水平位置，管道截面均為矩形；通水管道一般處于垂直位置，管道截面均為圓形。風(fēng)閥體積較大且安裝有電機，存在質(zhì)量偏心，整體為矩形，安裝時必須水平對接；水閥兩端存在法蘭，常見種類為蝶閥、閘閥、止回閥、球閥、截止閥等，安裝時必須垂直對接^[7]。安裝過程中，管道及閥門必須保持“橫平豎直”，明裝水平風(fēng)管水平度偏差不得大于3"mm/m，總偏差不得大于20"mm^[8]；室內(nèi)通水管道立管垂直度允許偏3"mm/m，5"m以上管道偏差不大于8"mm。

基于以上分析，本研究提出的復(fù)雜環(huán)境管道閥門搬運安裝設(shè)備主要由四驅(qū)移動底盤、升降機構(gòu)和末端裝夾機構(gòu)三部分組成。移動底盤將管道閥門搬運到安裝廠房，控制升降機構(gòu)將其舉升到管道接口，再通過末端裝夾機構(gòu)對管道閥門位姿進行微調(diào)，完成精確安裝。該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊，可以在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下靈活移動搬運作業(yè)，具有較大的工作范圍，末端裝夾機構(gòu)在高度方向能夠?qū)崿F(xiàn)管道閥門的多自由度位姿調(diào)節(jié)，操作簡單，便于精確安裝。

采用SolidWorks軟件完成該設(shè)備各零件的建模和虛擬樣機裝配。該設(shè)備結(jié)構(gòu)外形尺寸為2000"mm×1000"mm×1800"mm。具體模型樣機如圖1所示。

該設(shè)備工作范圍如圖2陰影部分所示。其中，垂直升降機構(gòu)伸縮范圍H＝4.5"m；水平提

升機構(gòu)臂長L＝1.2"m；水平提升機構(gòu)初始高度h＝1.5"m；水平提升機構(gòu)活動范圍為±60°。

1.1 四驅(qū)移動底盤

為適應(yīng)工作過程中遇到的斜坡、溝槽、鋪地鋼管等障礙物，設(shè)計了一種具有全方位移動和越障能力的移動底盤。該移動底盤采用四個麥克納姆輪，每個輪子由一個獨立的伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎半徑為0的全方向運動^[9]。在移動底盤前端還安裝了兩個越障輔助輪，可以有效提高設(shè)備的越障性能。在移動底盤上部設(shè)置了一個回轉(zhuǎn)支承機構(gòu)，可以使升降機構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)操作。

移動底盤總體外形結(jié)構(gòu)尺寸為1000"mm×1000"mm×260"mm，四驅(qū)移動底盤離地高度 "h₀＝120"mm，麥克納姆輪直徑D＝400"mm。由于四驅(qū)移動底盤需要實現(xiàn)全方位移動，所以對應(yīng)的麥克納姆輪排列方案如圖3所示。其中，麥輪X方向距離L₁＝920"mm；麥輪Y方向距離L₂＝720"mm。

1.2 升降機構(gòu)

針對狹窄的工作空間、較大的工作范圍需求及部分管道閥門位于角落等復(fù)雜位置問題，綜合設(shè)計了一種垂直升降機構(gòu)和水平提升機構(gòu)組合的升降機構(gòu)。

垂直升降機構(gòu)采用五級繩排伸縮機構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

一級液壓缸活塞桿固定在基本臂尾部，一級液壓缸缸筒與二級臂尾部固定，實現(xiàn)二級臂的伸縮。二級液壓缸活塞桿固定在二級臂尾部，二級液壓缸缸筒與三級臂尾部固定，實現(xiàn)三級臂的伸縮。

伸出過程：繩索I一端固定在二級臂尾部，另一端繞過二級液壓缸缸筒尾部滑輪，固定在四級臂尾部，實現(xiàn)四級臂的伸出。繩索II一端固定在三級臂尾部，另一端繞過四級臂頭部滑輪，固定在五級臂尾部，實現(xiàn)五級臂的伸出。

收回過程：繩索III一端固定在一級液壓缸缸筒尾部，另一端繞過三級臂尾部的滑輪，固定在四級臂尾部，實現(xiàn)四級臂的收回。繩索IV一端固定在二級液壓缸缸筒尾部，另一端繞過四級臂尾部的滑輪，固定在五級臂尾部，實現(xiàn)五級臂的收回。

通過液壓缸等控制垂直升降^[10]，既保證了機構(gòu)自身體積緊湊，又能實現(xiàn)大工作范圍。與其他起重機構(gòu)相比，繩排機構(gòu)質(zhì)量較輕，能夠均勻地分配載荷，降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與磨損，控制精度高，具有較高的安全性，能夠較好地適應(yīng)廠房工況。

水平提升機構(gòu)采用平行四邊形機構(gòu)，如圖5所示。由于部分水閥位于角落等特殊安裝位置，當(dāng)室內(nèi)存在其他安裝完成設(shè)備時，單一的垂直升降機構(gòu)無法完成作業(yè)，因此通過一個液壓缸控制水平提升機構(gòu)在水平和垂直方向同時移動，增加其適用范圍。

1.3 末端裝夾機構(gòu)

設(shè)計了一種適用于水平風(fēng)閥和垂直水閥的末端裝夾機構(gòu)，如圖6所示。該機構(gòu)可以通過拆裝可折疊支撐臂和V型鉗進行模式切換。在水平風(fēng)閥安裝模式下，該機構(gòu)具有三個自由度的手動調(diào)節(jié)功能，可以對管道閥門的位姿進行微調(diào)。考慮到機構(gòu)的尺寸和工作范圍，本文將兩個支撐臂設(shè)計為可折疊式，利用鉸鏈和銷釘實現(xiàn)。

1.3.1 風(fēng)閥安裝

設(shè)計了一種適用于水平方向矩形通風(fēng)管道的風(fēng)閥裝夾機構(gòu)，如圖7所示。該機構(gòu)由四個可調(diào)V型塊組成，可以穩(wěn)定裝夾帶有電機的風(fēng)閥，解決了質(zhì)量偏心的問題。在風(fēng)閥安裝過程中，該機構(gòu)可以實現(xiàn)風(fēng)閥三個自由度的手動調(diào)節(jié)，即繞Z軸、X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同的管道接口。通過調(diào)節(jié)四個V型塊的間距，該機構(gòu)還可以適應(yīng)不同規(guī)格尺寸的風(fēng)閥。

（1）繞Z軸旋轉(zhuǎn)：L型連接板的左端與多級伸縮臂相連，L型連接板與水平支撐板通過弧形導(dǎo)軌滑塊和鉸鏈相連，形成一個可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。在正常安裝時，L型連接板和水平支撐板通過定位銷固定在一起。當(dāng)需要調(diào)整管道閥門繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度時，拆除定位銷，手動旋轉(zhuǎn)L型連接板，使管道閥門到達所需的位置。

（2）繞X軸旋轉(zhuǎn)：通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)V型塊的調(diào)節(jié)螺桿，改變可調(diào)V型塊2和3相對于可調(diào)V型塊1和4的高度，使管道閥門產(chǎn)生一個繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整其姿態(tài)。

（3）繞Y軸旋轉(zhuǎn)：通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)V型塊的調(diào)節(jié)螺桿，改變可調(diào)V型塊1和2相對于可調(diào)V型塊3和4的高度，使管道閥門產(chǎn)生一個繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整其姿態(tài)。

1.3.2 水閥安裝

本文設(shè)計了一種適用于垂直方向圓形通水管道的水閥裝夾機構(gòu)，如圖8所示。該機構(gòu)由兩個V型鉗和兩個可折疊滑軌支撐板組成，可以通過抱夾水閥的法蘭，保證水閥在重力作用下的安裝精度。兩個V型鉗與可折疊滑軌支撐板之間采用兩根承載銷釘連接，可以實現(xiàn)便攜式的拆裝。在安裝水閥時，首先將可折疊滑軌支撐板的銷釘拆除并折疊，然后將V型鉗放置在合適的位置進行安裝，最后將可折疊滑軌支撐板的銷釘重新安裝并展開，形成一個穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。通過旋轉(zhuǎn)手輪，可以調(diào)整兩個可折疊滑軌支撐板之間的距離，使該機構(gòu)適應(yīng)不同規(guī)格尺寸的水閥。

2 仿真分析

2.1 靜力學(xué)分析

2.1.1 風(fēng)閥安裝

本文使用ANSYS軟件進行靜力學(xué)分析。定義L型連接板、水平支撐板、可折疊支撐臂、連接銷釘?shù)牟牧蠟?5鋼，其余材料為結(jié)構(gòu)鋼。具體參數(shù)如表1所示。

有限元模型劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為358"421，單元數(shù)為196"700。在L型連接板后添加固定支撐約束，在四個V型塊上添加大小為2000"N、-Y方向的載荷。

求解應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖9所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連接銷釘處，為244"MPa，小于其屈服強度355"MPa，滿足使用要求。

求解總變形云圖，結(jié)果如圖10所示，整體最大變形出現(xiàn)在可折疊支撐臂末端，最大變形量為0.0293"mm，滿足使用要求。

2.1.2 水閥安裝

定義L型連接板、水平支撐板、可折疊支撐臂、支撐銷釘、V型鉗的材料為45鋼，其余材料為結(jié)構(gòu)鋼。有限元模型劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為368"040，單元數(shù)為204"391。在L型連接板后添加固定支撐約束，在兩個V型鉗上添加大小為2000"N、-Y方向的載荷。

求解應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖11所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐銷釘處，為200.46"MPa，小于其屈服強度355"MPa，滿足使用要求。

求解總變形云圖，結(jié)果如圖12所示，整體最大變形出現(xiàn)在可折疊支撐臂末端，最大變形量為0.0246"mm，滿足使用要求。

2.2 安裝精度分析

定位精度計算為：

E＝E₁＋E₂＋E₃""""""""""""""""""""（1）

式中：E為綜合定位精度；E₁為采用麥輪控制的移動底盤定位精度；E₂為垂直升降機構(gòu)定位精度；E₃為水平提升機構(gòu)定位精度。

E₁、E₂、E₃數(shù)據(jù)均基于現(xiàn)有產(chǎn)品參數(shù)獲得，具體值為：E₁＝5"mm，E₂＝5"mm，E₃＝3"mm。

計算得：E＝13 mm。

對于安裝管道閥門，上述定位精度偏大。該設(shè)備通過四個可調(diào)V型塊組成的補償機構(gòu)可調(diào)節(jié)上述定位偏差，可調(diào)范圍為±15"mm。可調(diào)V型塊定位精度取決于可調(diào)螺桿，最高定位精度達2"mm，小于風(fēng)閥安裝精度要求的3"mm，滿足使用要求。安裝水閥時，通過人工手動輔助調(diào)節(jié)，對水閥位姿進行微調(diào)，實現(xiàn)精確安裝。

2.3 穩(wěn)定性分析

起重機設(shè)計中最基本的要求之一是保證起重機具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性。GB/T"3811－ 2008^[11]采用力矩法校核抗傾覆穩(wěn)定性，其基本原則是：作用于起重機上包括自重在內(nèi)的各項載荷對危險傾覆邊的力矩代數(shù)和必須大于或至少等于0。本設(shè)備極限工況載荷如圖13所示，危險傾覆邊為A端。

根據(jù)圖13和GB/T 3811－2008^[11]，對于流動式起重機整體，有：

F_outer＝1.33P_Q＋0.1F"""""""""""""""（2）

∑M＝Gb－F_outera"""""""""""""""""（3）

式中：F_outer為抗傾覆穩(wěn)定性校驗的計算載荷；∑M為作用于起重機上包括自重在內(nèi)的各項載荷對危險傾覆邊的力矩代數(shù)和。

本設(shè)備中，已知：P_Q＝2000 N，F＝500 N，G＝1200"kg，a＝1.2"m，b＝0.4"m。

計算得：F_outer＝2710 N，∑M＝1548 N·m。

∑M≥0。

綜上，本設(shè)備擁有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性，滿足設(shè)計要求。

F為將主臂或副臂質(zhì)量按力矩相等原理換算到主臂端部或副臂端部的質(zhì)量的重力；P_Q為在不同幅度下起重機的最大起升載荷；G為設(shè)備自重；a為抗傾覆穩(wěn)定性校驗的計算載荷F_outer作用于危險傾覆邊A端的力臂；b為設(shè)備自重G作用于危險傾覆邊A端的力臂；L為設(shè)備水平提升臂的長度；H為設(shè)備極限工作高度。

3 結(jié)論

針對工廠建造過程中人工搬運安裝各類管道閥門存在的問題，研究設(shè)計了一種室內(nèi)管道閥門搬運安裝設(shè)備。該設(shè)備能夠在工廠室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中搬運不同尺寸規(guī)格、不同種類的管道閥門；升降機構(gòu)由垂直升降機構(gòu)和水平提升機構(gòu)組成；設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大，能夠完成特殊位置的閥門安裝；末端裝夾機構(gòu)可實現(xiàn)快速切換閥門種類，通過可調(diào)V型塊實現(xiàn)管道閥門姿態(tài)微調(diào)。通過ANSYS靜力學(xué)仿真分析，驗證了末端裝夾機構(gòu)的強度和安全性。在安裝風(fēng)閥時，末端裝夾機構(gòu)整體最大應(yīng)力占其屈服強度的68.7%；在安裝水閥時，末端裝夾機構(gòu)整體最大應(yīng)力占其屈服強度的56.5%，均滿足安全使用要求。通過安裝精度分析，證明了可調(diào)V型塊的定位精度可以達到2"mm，滿足風(fēng)閥安裝精度要求的3"mm。通過力矩法分析穩(wěn)定性，計算得到設(shè)備的抗傾覆力矩為1548"N·m，大于零，表明本設(shè)備具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性。本設(shè)備極大地降低了人工勞動強度，節(jié)約了成本，并能更加安全高效地完成工廠室內(nèi)管道閥門的安裝。

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