浅谈无轨智能转向架转盘吊运设备的设计与控制

马腾

摘要：本文主要是针对转向架转盘检修维护过程中存在的问题进行分析，设计一种无轨智能转向架转盘起吊装置，目的在于保障转向架转盘检修维护施工安全，提高作业效率，减少作业流程，以避免对金属结构的损伤。本设计采用无轨智能门架式机构，大车可在平整地面多方位自由运行，起升机构可控制吊装高度的精确定位，PLC程序可对各机构运行速度、距离、时间进行管控，变频器控制各机构性能输出和保护，配备有线及无线控制器，确保操作人员安全，开阔操作人员视野，从而不受限制，显著提高转向架转盘检修维护作业的效率。为现场设备因故障不能检修提供解决方案，避免因检修不及时或无法进行检修而影响生产，还可减少因检修不便带来的次生伤害。

关键词：转向架转盘  无轨智能  起吊装置  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

轉向架转盘机械传动及电气部件检修维护及损坏时，需将转向架转盘上部转台整体进行吊离，目前采用的作业方式是作业人员配合叉车进行调向，指挥人员指挥叉车司机将叉车前叉架插入转台底部，将转台与叉车架进行临时捆绑固定，同时多人进行配合将其铲运至安全位置。由于在作业过程中，人为和叉车性能的不确定性，需要多次检查调整转台重心位置及提升高度，影响工作效率，且叉车作为提升调向设备与转向架转盘转台底部属于刚性接触，不免会对设备造成金属结构损伤或变形。

1 总体设计方案

1.1设备组成

设备主要门架结构、大车运行机构（可旋转型）、环链葫芦及智能电气装置等组成[1]。

1.2吊运工作方式

“地操+遥控”两种操作方式，吊装高度定位精确，吊运移动方向不受限制，各机构运行平稳，配备“变频+PLC智能控制系统”，便于根据不同工况进行现场调节。

1.3 设备主要配置

（1）支撑架：主要承载金属结构门架[2]。

（2）地梁、旋转梁：由电机驱动大车运行机构使门架结构运行及转向[3]。

（3）电气设备：起重专用变频器+西门子PLC智能控制。

（4）供电：380V交流电源、发电机、蓄电池组。

1.4 结构设计

1.4.1 确定设备主要参数

（1）起重量：5t。

（2）门架跨度：4m。

（3）起升高度：1m。

（4）起升速度：0.1～3m。

（5）大车运行速度：0.1～6m。

（6）小车运行速度：0.1～6m。

1.4.2无轨智能转向架转盘吊运设备

无轨智能转向架转盘吊运设备具体结构包括横梁、所述横梁下面左右两侧对称设置有支撑架、支撑架下面设有地梁、地梁下面两端对称设置有旋转梁，旋转梁可相对所述地梁转动，旋转梁设有行走装置，横梁下面设有提升装置。

（1）支撑架：包括两个人字形支架和连接承，连接承设置在两根支撑斜梁之间，人字形支架包括两根支撑斜梁。

（2）旋转梁：设有齿轮箱，行走装置包括大车电机、变速箱和大车走行轮，大车走行轮位于轮箱内，大车电机、变速箱位于齿轮箱上，大车电机通过变速箱可带动大车走行轮转动。

（3）大车电机：设置为滑环电机，所述地梁上设有环形滑环，所述环形滑环环绕设置在旋转梁转轴外侧，与所述环形滑环相匹配设置断电碳刷。

（4）地梁：设有旋转电机、变速箱、旋转主动盘、旋转链条、旋转负动盘、旋转定位磁头，旋转电机位于地梁的中间部位，旋转电机与变速箱相连，变速箱与旋转主动盘相连，旋转主动盘可通过旋转链条带动旋转负动盘旋转，旋转定位磁头与旋转负动盘相连，旋转定位磁头旋下时可固定住旋转负动盘，旋转负动盘与旋转梁转轴相连。

（5）电气控制：结合无轨智能转向架转盘吊运设备的运行特点，将可编程序控制器与变频器结合应用于其控制系统，其中PLC系统可采用siemens公司产品，大大提高了操作精度和稳定度;变频器综合保护功能完善，能够及时发现、查找、处理故障，并且节约了能源[4]。

（6）供电：无轨智能转向架转盘吊运设备走行动力采用电池组供电。

1.4.3金属结构。

无轨智能转向架转盘吊运设备的金属结构是重要组成部分，它是整台设备的骨架，将机械和电气设备连接组合成一个有机的整体，承受和传递作用在设备上的各种载荷并形成一定的作业空间，以便使起吊的重物搬运到指定的地点。

1.5 机构原理

（1）无轨智能转向架转盘吊运设备中，通过对控制系统的操纵，驱动装置将动力的能量输入，转变为机械能，在传递给取物装置。取物装置将被搬运物体与起升机构联系起来，通过工作机构单独或组合运动，完成物体搬运作业任务。可移动金属结构将各组成部分连接成一个整体，并承载设备本身的自重和吊重。

（2）取物装置是通过吊钩将物体与无轨智能转向架转盘吊运设备联系起来进行物体吊运的装置。根据被吊物体不同的种类、形态、体积大小，采用不同种类的取物装置。合适的取物装置可以减轻工作人员的劳动强度，大大提高工作效率。防止吊物坠落，保证工作人员的安全和吊物不受损伤，满足取物装置对安全的基本要求。

1.6 技术难点

（1）转向架转盘检修维护时转台吊运流程的制定。根据日常轮对转盘检修维护指导书和标准作业规范的，与管理人员，技术人员，现场使用人员进行深入沟通探讨，经过分类、研究、归纳、总结，制定出规范化强，作业标准，操作简单方便的转台吊运流程。

（2）无轨智能转向架转盘吊运设备的各类保护措施。为了保障无轨智能转向架转盘吊运设备的功能协调有序，且保证转台吊运工作的稳定性，就必须保证各类保护措施和器件的完善，必须考虑到各种工作状况和突情况，设置完善的保护措施，以保证设备正常运行。

2 技术方案

2.1 电气部分

（1）PLC接受操作信号，综合处理，使变频器的输出得以控制，驱动电动机的动作。故障处理、达速控制、运行应答、正反转信号、制动信号以及速度信号是控制吊运设备与变频器间的联络。变频调速控制系统调节起升机构升降速度、运行速度，同时对起升、大小车电机和小车限位、大车限位、下降限位、上升限位等进行保护。

（2）起升机构是负载机构，不但对精准的控制制动以及高的转速有要求，还严格要求转矩的控制。应用矢量的控制方法作为控制方式，PLC所接受的电机旋转编码器要经过数模转换卡所送到的反馈信息，防止吊钩下滑。

（3）控制系统包括各种操作电气装置、可视操作显示器、电气元件、线路，用于实现人机对话的接口[5]。控制系统的稳定性、技术状态对吊装、吊运作业安全、作业效率有重大影响。

2.2运行工作

（1）起升机构的电动机通过联轴器和减速器进行连接，通过减速器的低速轴的旋转使卷筒、吊钩、钢丝绳等组合动作。当起升电机工作时，通过正向转动、逆向转动，将起升力矩传递给卷筒，随后卷筒将钢丝绳卷入或者放出，使得吊运物上升或者下降，其基本的原理是将电动机的旋转转化成为重物的升降运动。当突然断电时进行制动，吊物就会在指定位置停止。当上升到极限位置时，会触碰限制器，使得吊钩停止运动。

（2）该设备运行部分的走行电机通过联轴器与减速器进行连接，经减速器低速轴的旋转驱动车轮运行。当电动机工作时，通过正反方向旋转，将动作传递给车轮，然后车轮向指定方向转动，其基本的原理是将电动机的旋转转化成为了机构的平行移动。当突然断电时进行制动，设备就会在指定位置停止。当运行到极限位置时，会触碰限制器，使得车轮停止运动[6]。运行机构还配套了防风抗滑装置、缓冲器等，这些装置可以有效避免小车脱轨和防止起重机被强风吹跑而导致倾覆。

4 设备结构及原理图

无轨智能转向架转盘吊运设备主要由横梁、支撑架、地梁、旋转梁、齿轮箱等部分组成，其组成结构简图如下图1所示。

5 取得效益

5.1 安全效益

结合现场实际应用特点，通过无轨智能转向架转盘吊运设备进行结构设计、电气控制设计等，使其最大化满足现场检修作业使用的同時，保障了作业过程中的人身安全、设备安全，避免了由于目前采用叉车进行临时替代作业的各种安全隐患，包括重物滑落、设备倾翻、操作难度系数高、设备刚性损伤等，提高了作业效率，对现场安全有着十分重要的意义。

5.2 经济实用效益

一是采用无轨智能吊运完全不用安装道轨，在施工现场平整地面任意行车吊物，能节省资金和人力;二是无轨智能吊运设备可选三种电源，自带电池组供电、自带发电机供电或380伏三相电源供电;三是可以随意调整角度和方向，作业区域内外，不留死角，任意吊运。

参考文献

[1]潘宗才.斗轮堆取料机自动化控制系统的研制[D].南宁：广西大学，2018.

[2]高顺德，王欣，张氢.工程机械手册[M].北京：清华大学出版社，2018：12-98.

[3]刘静，杜静.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2019：30-236.

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

[5] 朱晓慧，党金顺.电气控制技术[M].北京：清华大学出版社，2021：12-295.

[6] 安仲举.智能机械设计制造自动化特点与发展趋势研究[J].中国设备工程，2020（6）：25-27.