韓宇弦
(南華大學(xué),湖南 衡陽421001)
減少搬運(yùn)過程中被物品壓傷造成的意外傷害,減少設(shè)備自身的受損幾率(如圖1),減少人員成本支出;用機(jī)器代替人工,響應(yīng)國家關(guān)于行業(yè)創(chuàng)新的要求,研發(fā)的關(guān)鍵核心達(dá)到行業(yè)首創(chuàng),填補(bǔ)行業(yè)空白。
圖1
需求主要來自四個方面:
需求一:需要提質(zhì)增效,解決人工搬運(yùn)時間長(上下樓梯首趟為5-10分鐘,隨著體能消耗時間逐漸增加),效率低的問題(一般3-4人搬運(yùn)一臺設(shè)備)。
需求二:需要解決搬運(yùn)工人在工作過程中受到的傷害(2年11起),設(shè)備在搬運(yùn)過程中的狹小空間受到的損傷(2年8起),實現(xiàn)智能化搬運(yùn)。
需求三:需要解決出現(xiàn)的特需情況(如新冠疫情期間無人化運(yùn)輸、各種環(huán)境氣候路況情況下的緊急搬運(yùn)、為各個行業(yè)進(jìn)行服務(wù)等)。
需求四:需要滿足專業(yè)要求和規(guī)定,既為綠色服務(wù)添磚加瓦,也為高質(zhì)量檢修運(yùn)行奠定發(fā)展基礎(chǔ)。
根據(jù)需求結(jié)合實際情況,形成了以下工作目標(biāo):(1)研制一種可以裝載100kg物品的智能載重工具,解決人工搬重小于20kg,或者由于表面光滑只能單塊搬運(yùn)的問題,即保證在載重100kg的情況下,平均爬樓時間小于5分鐘/趟。(2)研制一種可以適應(yīng)50度以上樓梯坡度,并在1200×700×450空間自由行使,進(jìn)行180度轉(zhuǎn)彎的智能載重工具,實現(xiàn)全過程機(jī)器操作,避免人員設(shè)備受到傷害。(3)研制一種可以遠(yuǎn)距離操控行駛的智能搬運(yùn)工具,并能在各種環(huán)境行駛,為各種行業(yè)進(jìn)行服務(wù)。(4)研制一種無污染、無干擾、無損傷,全過程機(jī)器操作的智能運(yùn)輸工具。
經(jīng)過一系列實施方案:(1)實現(xiàn)了載重物(35kV電流互感器:80kg,導(dǎo)線:90kg)平穩(wěn)行走,平穩(wěn)上下樓,節(jié)約時間80%,提高效益超過200%。(2)實現(xiàn)了全過程機(jī)器搬運(yùn),人工受傷害為0,設(shè)備受傷害為0。(3)實現(xiàn)了變電工作節(jié)能、增效以及綠色能源的企業(yè)要求。
對智能載重工具的需求:(1)外部需求,需要解決電力生產(chǎn)工作搬運(yùn)設(shè)備時間長、效率低的問題;(2)內(nèi)部需求,以供電可靠性為導(dǎo)向,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程,需要解決智能載重工具在狹小空間的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎,最大限度提高生產(chǎn)效率;(3)環(huán)境需求,需要解決智能載重工具符合發(fā)展需要,適應(yīng)環(huán)保要求,不破壞環(huán)境,符合綠色發(fā)展的要求。
創(chuàng)新水平:根據(jù)查新,國內(nèi)樓梯搬運(yùn)工具主要是使用三個360度轉(zhuǎn)向輪子完成爬樓動作(如圖2),前進(jìn)時需要人用力或用身體重量把握平衡方向,且承重較輕。國內(nèi)目前還沒有關(guān)于載重自動爬樓梯搬運(yùn)小車專門應(yīng)用于設(shè)備搬運(yùn)的記錄,本裝置的研制填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)研究空白。
圖2
(1)本裝置首創(chuàng)了履帶式行走;(2)發(fā)明了防止車輛倒滑的倒車鎖緊裝置;(3)解決了樓道平臺以及其他有限空間小角度轉(zhuǎn)不過彎的問題,同時解決了裝置抗干擾的行業(yè)難題。
工具創(chuàng)新點:(1)首創(chuàng)采用全橡膠履帶,履帶內(nèi)置添加高強(qiáng)度復(fù)合纖維添置層和高分子材料,保證零下30℃和零上40℃使用,無明顯冷硬和熱軟現(xiàn)象保證抗拉斷力,使底盤行走平穩(wěn)對地抓力大且不對地面造成破壞。爬樓梯過程中大支撐輪和小支撐輪交替與樓梯臺階接觸,保證運(yùn)行過程中不會太大抖動或翻倒,可在0-35度的樓梯坡度、0-20cm的臺階高度實現(xiàn)上述目標(biāo);(2)為了防止上下坡下滑,工具將馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計為后輪驅(qū)動,馬達(dá)有帶防下滑夾緊裝置,以防止意外情況或者電量不足時后滑;(3)轉(zhuǎn)彎半徑小,內(nèi)含陀螺儀平衡機(jī)構(gòu)。設(shè)置了左右電機(jī),可同時運(yùn)動,也可不同時運(yùn)動,其轉(zhuǎn)動方向可相同,也可不同。當(dāng)速度不同時就實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,回轉(zhuǎn)半徑≧1m,樓梯轉(zhuǎn)角寬度≧1.5m,樓梯轉(zhuǎn)接平臺≧1.5m。若一個電機(jī)工作而另一電機(jī)不工作則可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎;平地行駛時后擺支撐向上收起,減少轉(zhuǎn)向空間;(4)減震系統(tǒng)采用載人減震級別設(shè)計;(5)滿足整車載重避重結(jié)構(gòu)設(shè)計。低重心,雙電機(jī)電子控制器,正反轉(zhuǎn)控制和差速控制,實現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向和原地制動轉(zhuǎn)向。
技術(shù)方面:裝置包括儲物箱、配電箱和行駛履帶,配電箱包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)以及平衡輔助機(jī)構(gòu),運(yùn)輸機(jī)器人依靠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力對行駛履帶施加牽引力,當(dāng)運(yùn)輸機(jī)器人爬樓梯時依靠支撐機(jī)構(gòu)的作用力使行駛履帶與樓梯臺階接觸,當(dāng)運(yùn)輸機(jī)器人下樓梯時依靠平衡輔助機(jī)構(gòu)的作用力使行駛履帶始終與樓梯成傾斜接觸。本發(fā)明的優(yōu)點:通過配電箱上的驅(qū)動機(jī)構(gòu)對行駛履帶施加牽引力來控制行駛履帶的運(yùn)動,在爬樓梯過程中通過支撐機(jī)構(gòu)的作用力來確保行駛履帶與樓梯臺階接觸,從而確保運(yùn)輸機(jī)器人在爬樓梯過程中的穩(wěn)定性,能減少運(yùn)輸機(jī)器人的翻倒,提高爬樓梯的效率,減少了人工的搬運(yùn)強(qiáng)度,提高了重物搬運(yùn)時的安全性能(見圖3)。
圖3
小組對各個部件的設(shè)計完成以后,交相關(guān)代工廠進(jìn)行加工并進(jìn)行組裝。裝置包括:1儲物箱、2配電箱、3履帶、4驅(qū)動輪、5大支撐輪、6履帶側(cè)鋼板、7平衡輔助鋼件(見圖4)。
圖4 裝置介紹
該裝置不僅可用于變電所的設(shè)備搬運(yùn),也可在不同行業(yè)、不同環(huán)境、不同領(lǐng)域使用。因方便、安全、環(huán)保、可靠,已推廣到行業(yè)以外使用:(1)5G基站的建設(shè)、通訊塔基建的搬運(yùn);(2)庫房的物資搬運(yùn);(3)水務(wù)、天然氣等行業(yè)的有限空間搬運(yùn)作業(yè);(4)新冠疫情期間,來往于應(yīng)急隔離點各類用品的傳遞。
搬運(yùn)工具的創(chuàng)意借鑒了:(1)變電所巡檢機(jī)器人,根據(jù)特定的路線巡視和記錄;(2)坦克技術(shù)的履帶功能,可以在不同狀況的路面行走。
風(fēng)險及控制:(1)裝置突然失電帶來的風(fēng)險:設(shè)計了防下滑夾緊裝置;(2)裝載重物在不同路面的避震、減震:設(shè)計了全履帶前進(jìn)結(jié)構(gòu);(3)下樓梯時的平衡:設(shè)計了平衡輔助件,在電動液壓桿的驅(qū)動下放下,始終與樓梯成斜角度接觸,當(dāng)其離開樓梯與地面接觸時,履帶滾動,保證下樓梯時的穩(wěn)定。
對于關(guān)鍵技術(shù),本裝置借鑒了變電所巡檢機(jī)器人,以及坦克在不同狀況路面行走的特點,載重機(jī)器人更側(cè)重于載重、行走環(huán)境(見表1)。
表1
(1)平地行駛時后擺支撐向上收起,減少轉(zhuǎn)向空間。爬梯時后擺支撐向后放平,增加接地長度,增加穩(wěn)定性(如圖5)。
圖5
(2)采用全橡膠履帶,履帶內(nèi)置添加高強(qiáng)度復(fù)合纖維添置層和高分子材料,不會損傷路面,適合各種地形行駛(如圖6)。
圖6
(3)左右電機(jī)可同時運(yùn)動,也可不同時運(yùn)動,其轉(zhuǎn)動方向可相同,也可不同。當(dāng)速度不同時可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,若一個電機(jī)工作而另一電機(jī)不工作則實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎;驅(qū)動輪上的固定輪與履帶內(nèi)側(cè)的履帶齒嚙合,對履帶施加牽引力,完成驅(qū)動;爬樓梯過程時,履帶外側(cè)的特制花紋會先與臺階接觸,可實現(xiàn)穩(wěn)定抓取,保證行駛過程中不會向下滑落;爬樓梯過程中,大支撐輪和小支撐輪交替與樓梯臺階接觸,保證運(yùn)行過程中不會太大抖動或翻倒;下樓梯時,平衡輔助件在電動液壓桿的驅(qū)動下放下,始終與樓梯成斜角度接觸,當(dāng)其離開樓梯與地面接觸時,履帶滾動,保證下樓梯時的穩(wěn)定(如圖7)。
圖7
以上開發(fā)過程均列入專利調(diào)查說明。
(1)經(jīng)濟(jì)方面:減少人工成本,將傷害控制在零。
(2)工作方面:保證了施工工作的順利進(jìn)行,消除不確定因素,為安全的全過程管控提供了有力支撐,從而平穩(wěn)開展施工安裝工作,按計劃進(jìn)行有序供電。
(3)環(huán)境方面:智能載重機(jī)器人為蓄電池充電,無廢氣產(chǎn)生,噪聲控制在100分貝之內(nèi),不干擾其他設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),符合企業(yè)和國家綠色能源創(chuàng)新的要求。
(4)安全方面:純手工搬運(yùn)時,人員和設(shè)備受到的傷害幾率較大,更需要考慮搬運(yùn)人員的身體狀況和環(huán)境影響。該項目完成以后再進(jìn)行作業(yè),人員和設(shè)備安全完全可控。