李所先，周源潔

（1.四川航天神坤科技有限公司，四川 成都 610100；2.西北師范大學，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

20 世紀80 年代中期，我國開始發(fā)展首批核電站。早期的核電站基本在80 年代前后投入運行，在核電事業(yè)中發(fā)揮了重大的作用。同時，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，我國早期的核電站已經(jīng)或即將進行較大的維修。對核電站設(shè)備進行檢查、維修，并最終控制整個核電站的安全性，是核電站檢修的最終目標。水泵電機是核電站的重要設(shè)備，在國防科技工業(yè)現(xiàn)代化持續(xù)發(fā)展中起到舉足輕重的作用。在以上背景下，開展了對核電站水泵電機運輸?shù)难芯俊?/p>

1 四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺簡介

四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺由4 套獨立的單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺、拼接機構(gòu)、緊固件等組成。四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺系統(tǒng)組成示意圖

單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺主要由自動導引運輸平臺、自動控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、減震系統(tǒng)、吊裝機構(gòu)及安全防護系統(tǒng)等組成。

1.1 自動導引運輸平臺

單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺的自動導引運輸平臺由八組麥克納姆輪組成四套驅(qū)動系統(tǒng)，這四套驅(qū)動系統(tǒng)能獨立控制完成整車的前進、后退、橫移、斜移、原地360°旋轉(zhuǎn)等功能，控制靈活，實現(xiàn)全方位運行。驅(qū)動系統(tǒng)每一個麥克納姆輪上均安裝有一個獨立的懸掛系統(tǒng)，當車體在承受一定負載時，軸承座通過導向立柱上下移動以擠壓阻尼式彈簧，阻尼式彈簧根據(jù)承受的壓力調(diào)節(jié)自身高度，起到車體減震效果，保證麥克納姆輪始終與地面處于接觸狀態(tài)。

自動導引運輸平臺。使用伺服電機進行驅(qū)動，動力強勁，運行平穩(wěn)，多檔可調(diào)無極調(diào)速。采用獨立懸掛，增強了對地面適應能力。

1.2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)具有整體操作、獨立操作兩種功能選項。整體操作即4 套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺組合為一體工作時，對設(shè)備進行的整體操控。獨立操作即單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺獨立工作時的操控。單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺的自動控制系統(tǒng)的核心部分通常包括主控制器、運動控制器、遙控器、BMS系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及操作面板，其中核心是主控制器，運動控制器通過通信系統(tǒng)接收主控制器的命令完成各運動軸的控制，而操作面板則完成人機交互的功能。主控模塊是單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺車體控制的大腦，它集成多種通訊方式與外部器件控制端口為一體，目的是使通訊更加快捷、靈活、方便，通過CAN 通訊接口與安裝運輸臺架中其它模塊進行通訊，發(fā)送和接收指令，實現(xiàn)對單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺整體運行的操作。

1.3 電源系統(tǒng)

單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺采用鋰電池為系統(tǒng)提供動力，并實時監(jiān)測、顯示蓄電池剩余電量，確保單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺的正常使用，并在蓄電池低電量時自動發(fā)出提示。

1.4 安全防護系統(tǒng)

安全防護系統(tǒng)主要包括智能激光避障系統(tǒng)、防撞安全觸邊和急停按鈕，在非正常情況下可以通過操作急停按鈕使電機立即斷電，讓車體緊急停車，保障現(xiàn)場人員及設(shè)備的安全。

1.5 吊裝機構(gòu)

為便于吊裝搬運，在單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺車體前后兩端各配置兩個吊裝機構(gòu)。

1.6 拼接機構(gòu)

為適應現(xiàn)場的不同規(guī)格，不同型號（尺寸、重量）的電機轉(zhuǎn)運，4套單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺通過8套連接機構(gòu)可連接為一體,組成四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺，對電機進行搬運、轉(zhuǎn)場。當作為四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺使用時，需將4臺單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺平行組裝運輸，并用連接機構(gòu)連接，重型電機固定安裝在四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺上，通過一臺遙控器進行控制；需要運輸輕型電機時，將四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺分開使用，單獨使用多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺。

連接機構(gòu)包含連接座、連接柱、插等組成，通過螺栓緊固件安裝于車體結(jié)構(gòu)上。

2 關(guān)鍵部件—麥克納姆輪的設(shè)計計算[1]

麥克納姆輪由輪轂和多個輥子組成，輥子與輪轂軸線成一定角度（偏置角通常為±45°），輥子可以繞自身軸線自由旋轉(zhuǎn)。所有輥子沿轂軸向方向形成的包絡(luò)面為一個圓柱面，因此其投影構(gòu)成一個圓，圓心為o點。麥克納姆輪包絡(luò)面的半徑為R，單個小輥子兩個端面的圓心為A點和B點，在投影面上的投影分別為m點和m’點，m點和m’點之間的圓弧對應的圓心角為θ，β角為θ的一半，弧pp′為輥子外圍輪廓線投影，如圖2、3所示。

圖2 輥子沿麥克納姆輪軸向方向投影

為了保證全向移動平臺在工作中承受較重的載荷，同時為確保運動的連貫穩(wěn)定性，需要保證任意時刻每個麥克納姆輪至少有兩個小輥子和地面接觸[2]。因此，相臨兩個小輥子的投影存在一定的重合，對應的角度為重合角θ′。

令麥克納姆輪中小輥子的總數(shù)為n，小輥子的長度為LAB,小輥子的最小半徑為a，小輥子的重合度為E，輥子軸線與麥克納姆輪軸線的空間夾角為η（一般取45°）?？梢酝瞥鋈缦鹿剑?/p>

圖3 相鄰輥子沿麥克納姆輪軸向方向投影

如圖4所示，為了防止正常工作時輥子之間發(fā)生干涉，相鄰兩個輥子之間須存在一定的安全間隙，因此要求LGH ＞2LGE，所以可推導：

圖4 相鄰兩個輥子之間的安全間隙

得到n＜9，由于n通常情況下取能被360°整除的整數(shù)，如8,9,10,12,15等。所以取n=8。所以設(shè)計的重載全向輪半徑輥子在全向輪軸線方向投影中對應的中心角θ為46°，經(jīng)過計算和比對，小輥子個數(shù)為8個。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺運動形式研究[1]

為滿足水泵電機運輸轉(zhuǎn)場功能，四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺設(shè)計為可移動式，保證X-Y平面內(nèi)運動。傳統(tǒng)的運動形式均采用萬向輪來實現(xiàn)。萬向輪通常采用聚氨酯輪，通過兩輪差動原理實現(xiàn)整個轉(zhuǎn)運平臺的轉(zhuǎn)向功能，能夠?qū)崿F(xiàn)前、后、轉(zhuǎn)彎等運動功能，制造簡單，價格便宜，目前廣泛應用于汽車、電子、物流等行業(yè)。但由于其運動靈活性不夠，無法全向平移，效率較低、復雜環(huán)境中作業(yè)困難，調(diào)整精度差，有一定的運動局限性，在很多場合的應用受到了限制，無法滿足水泵電機轉(zhuǎn)場現(xiàn)場空間局限性。

四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺由4 套獨立的單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺、連接機構(gòu)、緊固件等組成。其最大優(yōu)點在于其卓越的運動靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的全向移動，且不同運動方式之間的轉(zhuǎn)換迅速，非常適用于零部件、設(shè)備的轉(zhuǎn)運工作，尤其是在運動空間要求較高（運行通道空間狹窄）的場合具有出色的表現(xiàn)，可實現(xiàn)水泵電機類設(shè)備安全轉(zhuǎn)場等。

3.2 四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺轉(zhuǎn)場安全防護研究

安全防護系統(tǒng)是四車聯(lián)動多用途重載全向轉(zhuǎn)運平臺上不可或缺的組成部分，為確保轉(zhuǎn)運平臺工作滿足核電作業(yè)現(xiàn)場的安全性要求，轉(zhuǎn)運平臺安全防護系統(tǒng)擬采用智能化激光避障系統(tǒng)、防撞式安全觸邊及傳統(tǒng)的急停開關(guān)、聲光報警組合方式，在轉(zhuǎn)運現(xiàn)場空間局限，移動盲區(qū)較多的情況下，可確保設(shè)備安全工作。在非正常情況下可以通過操作急停按鈕使電機立即斷電，讓車體緊急停車，保障現(xiàn)場人員及待轉(zhuǎn)運設(shè)備的安全。

4 結(jié)語

以某核電站檢修電機設(shè)備為依托，結(jié)合以往水泵電機維修轉(zhuǎn)場運輸?shù)慕?jīng)驗，針對核電站多批次不同規(guī)格電機轉(zhuǎn)場工況開展研究，通過對電機設(shè)備工藝的分析研究，研制一套用于水泵電機類轉(zhuǎn)場運輸?shù)膶Ｓ迷O(shè)備。其目的是建立一套以安全、質(zhì)量保證為核心的電機維修標準和規(guī)范，指導核電站維修工程的順利建造，確保其安全、可靠運行，為核電站后續(xù)的運行、維護做好技術(shù)儲備。