鐵路卷鋼托架自動化吊具設(shè)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?shù)闹攸c對象，在鐵路貨運占比較大[1]。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，卷鋼需求量大幅增加，卷鋼運量也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計，2016年鐵路卷鋼發(fā)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(jié)構(gòu)強度高、無須輔助加固、可重復(fù)循環(huán)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(yè)[4-6]。經(jīng)長期工作發(fā)現(xiàn)，卷鋼集裝托架在裝車、卸車以及回送作業(yè)過程中，存在安全性差、作業(yè)效率低、勞動強度高的問題。為解決上述問題，設(shè)計卷鋼集裝托架自動化吊具，有很強的現(xiàn)實意義：(1)可提高吊裝作業(yè)機械化程度，減少現(xiàn)場作業(yè)人員勞動強度；(2)可提高吊裝作業(yè)自動化程度，提高裝卸效率和精確度；(3)對于實現(xiàn)托架裝車、卸車以及回送作業(yè)“智能化”發(fā)展，尤為關(guān)鍵。

2 自動化吊具設(shè)計原則

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

3 自動化吊具設(shè)計方案

自動化吊具是專門針對Q系列卷鋼托架吊裝設(shè)計的關(guān)鍵設(shè)備，采用液壓動力驅(qū)動，針對不同型號托架進行對應(yīng)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(yè)。自動化吊具由吊架機構(gòu)、主梁結(jié)構(gòu)及鉗腿機構(gòu)三部分組成，見圖1。

圖1 自動化吊具結(jié)構(gòu)

自動化吊具設(shè)計尺寸參數(shù)見下表。

自動化吊具設(shè)計參數(shù)表

4 自動化吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 吊架設(shè)計

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

吊軸與起重機吊鉤進行連接與固定，還設(shè)有防脫鉤裝置。吊鉤處設(shè)有負載傳感器，用于吊具起吊承載時的檢測。當(dāng)?shù)蹙咂鸬醭休d時，PLC會根據(jù)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(tài)；當(dāng)?shù)蹙咛幱诳罩幸苿訝顟B(tài)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(fā)而導(dǎo)致鉗腿意外開閉。

吊架機構(gòu)內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，通過電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)齒輪進行回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度可根據(jù)要求定制，也可固定90°位置設(shè)置停止位，到位即停止旋轉(zhuǎn)。

圖2 自動化吊具吊架結(jié)構(gòu)

4.2 主梁設(shè)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(jié)構(gòu)，以布設(shè)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(yīng)力處理，后對滑槽箱進行機械加工[8]。主梁內(nèi)部裝入四條導(dǎo)板、墊塊、連接塊、油缸和平衡齒輪、齒條等零件。

主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有開閉導(dǎo)板和滑槽機構(gòu)，內(nèi)置驅(qū)動液壓缸，負載吊具鉗臂的開閉動作，梁體內(nèi)部設(shè)有最大和最小開口度限位裝置以及電纜拖鏈，驅(qū)動液壓缸具有保壓作用，當(dāng)?shù)蹙咴O(shè)備在吊運過程中失電時，保壓功能可保證吊具設(shè)備在失電狀態(tài)下仍可牢固夾緊托架。

4.3 鉗腿設(shè)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(nèi)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(shè)計考慮了適應(yīng)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(shù)檢測標識，可用于在托架疊放狀態(tài)下判斷夾取托架層數(shù)，通過色卡標識方便作業(yè)人員觀察。鉗腿底部設(shè)置有二次保護鉤爪，鉤爪通過液壓缸驅(qū)動進行伸出和收回動作，當(dāng)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(shè)置有觸地檢測傳感器。吊具離開地面100～200mm時，觸發(fā)傳感器信號，此時吊具處在空中移動狀態(tài)，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(jié)構(gòu)

圖4 自動化吊具鉗腿結(jié)構(gòu)

4.4 液壓及電控系統(tǒng)設(shè)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(dǎo)板，實現(xiàn)導(dǎo)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(tǒng)中，先由泵站輸出的壓力油通過三位四通電磁閥和節(jié)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(dāng)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(xiàn)連鎖控制。當(dāng)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(nèi)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(fā)出聲光信號，指示吊具的各種狀態(tài)。同時油泵電機工作時，可進行延時控制，當(dāng)撥動打開或閉合按鈕，油泵電機就自動停轉(zhuǎn)，以保護油泵電機長期工作，避免油溫升高，延時時間可根據(jù)實際工作情況進行設(shè)定。

5 自動化吊具設(shè)計創(chuàng)新點

(1)自動化吊具鉗腿縱向間距的設(shè)計以及鉗腿開合度的設(shè)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(shè)計結(jié)合了托架的結(jié)構(gòu)特點以及在使用流程中的狀態(tài)，合理利用了托架結(jié)構(gòu)，滿足了托架吊裝作業(yè)需求，如圖5。

圖5 自動化吊具起吊托架

(2)自動化吊具的設(shè)計不僅能夠單層夾取托架，同時能夠在托架疊放狀態(tài)下夾取多層托架，從而滿足了在不同作業(yè)工況下起吊托架的作業(yè)需求，如圖6。鉗腿的設(shè)計滿足了夾取多層托架時長度的需要、設(shè)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(nèi)準確控制夾取托架數(shù)量[9]。

圖6 自動化吊具吊取多層托架

(3)鉗腿底部設(shè)置有二次保護鉤爪，如圖7。鉤爪通過液壓缸驅(qū)動進行伸出和收回動作，當(dāng)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(jié)構(gòu)

(4)鉗腿底部設(shè)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(fā)信號。當(dāng)?shù)蹙咛幱诳罩幸苿訝顟B(tài)，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(fā)生。

6 現(xiàn)場試驗論證

(1)通過現(xiàn)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(tài)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(tài)穩(wěn)定，在碰撞時也能夠保持夾緊狀態(tài)，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(tài)，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(guān)失效，有效防止了托架在夾取托架時誤碰開關(guān)造成托架脫落的情況。

結(jié)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(yè)過程中，存在安全性差、作業(yè)效率低、勞動強度高的問題，實現(xiàn)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(wù)大型鋼鐵企業(yè)提供了裝備保障，具有重要的意義。