張 慧 徐 勇

中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司貨運(yùn)部 甘肅蘭州 730000

1 概述

卷鋼是鐵路貨物運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)對(duì)象，在鐵路貨運(yùn)占比較大[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，卷鋼需求量大幅增加，卷鋼運(yùn)量也隨之增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年鐵路卷鋼發(fā)運(yùn)量約為5200萬(wàn)噸，2018年增長(zhǎng)為6000萬(wàn)噸，增長(zhǎng)了15.3%[2]。

卷鋼集裝托架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、無(wú)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(yùn)輸卷鋼裝載加固的主流方式[3]。為方便托架裝車(chē)、卸車(chē)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(zhǎng)期工作發(fā)現(xiàn)，卷鋼集裝托架在裝車(chē)、卸車(chē)以及回送作業(yè)過(guò)程中，存在安全性差、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)卷鋼集裝托架自動(dòng)化吊具，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義：(1)可提高吊裝作業(yè)機(jī)械化程度，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度；(2)可提高吊裝作業(yè)自動(dòng)化程度，提高裝卸效率和精確度；(3)對(duì)于實(shí)現(xiàn)托架裝車(chē)、卸車(chē)以及回送作業(yè)“智能化”發(fā)展，尤為關(guān)鍵。

2 自動(dòng)化吊具設(shè)計(jì)原則

自動(dòng)化吊具主要針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)Q系列卷鋼集裝托架裝車(chē)、卸車(chē)以及回送作業(yè)的自動(dòng)化裝卸設(shè)計(jì)。自動(dòng)化吊具需滿(mǎn)足以下功能需求：(1)吊具需適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，運(yùn)營(yíng)安全、穩(wěn)定、可靠；(2)吊具需同時(shí)滿(mǎn)足Q1、Q2、Q3型托架自動(dòng)化吊裝作業(yè)的需求；(3)吊具需滿(mǎn)足托架在疊放狀態(tài)下的吊裝需求，能夠準(zhǔn)確控制起吊托架數(shù)量；(4)吊具需滿(mǎn)足裝車(chē)作業(yè)時(shí)，托架卡擋結(jié)構(gòu)和車(chē)輛補(bǔ)強(qiáng)座準(zhǔn)確定位配合的需求；(5)吊具設(shè)計(jì)需考慮托架吊裝作業(yè)時(shí)，防脫安全保護(hù)措施。

3 自動(dòng)化吊具設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)化吊具是專(zhuān)門(mén)針對(duì)Q系列卷鋼托架吊裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)備，采用液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，針對(duì)不同型號(hào)托架進(jìn)行對(duì)應(yīng)的開(kāi)閉及收縮動(dòng)作，通過(guò)吊具鉗臂下部的鉗腿對(duì)托架進(jìn)行夾取作業(yè)。自動(dòng)化吊具由吊架機(jī)構(gòu)、主梁結(jié)構(gòu)及鉗腿機(jī)構(gòu)三部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)化吊具結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化吊具設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)見(jiàn)下表。

自動(dòng)化吊具設(shè)計(jì)參數(shù)表

4 自動(dòng)化吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 吊架設(shè)計(jì)

吊架結(jié)構(gòu)材料為低合金Q345B鋼板[7]。吊架機(jī)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(jī)減速器等附件，如圖2。旋轉(zhuǎn)電機(jī)減速器功率為0.55kW，電壓為380V的四極電機(jī)吊具回轉(zhuǎn)速度為1r/min。

吊軸與起重機(jī)吊鉤進(jìn)行連接與固定，還設(shè)有防脫鉤裝置。吊鉤處設(shè)有負(fù)載傳感器，用于吊具起吊承載時(shí)的檢測(cè)。當(dāng)?shù)蹙咂鸬醭休d時(shí)，PLC會(huì)根據(jù)承載檢測(cè)傳感器和鉗腿底部檢測(cè)傳感器，綜合判斷吊具起吊狀態(tài)；當(dāng)?shù)蹙咛幱诳罩幸苿?dòng)狀態(tài)時(shí)，吊具電氣保護(hù)功能激活，鉗腿開(kāi)閉功能暫時(shí)失效，防止吊具在空中吊運(yùn)時(shí)因誤觸發(fā)而導(dǎo)致鉗腿意外開(kāi)閉。

吊架機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)齒輪進(jìn)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(dòng)化吊具吊架結(jié)構(gòu)

4.2 主梁設(shè)計(jì)

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(qiáng)度低合金板，如圖3。焊接完成后，進(jìn)行整體消除應(yīng)力處理，后對(duì)滑槽箱進(jìn)行機(jī)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(kāi)閉導(dǎo)板和滑槽機(jī)構(gòu)，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)液壓缸，負(fù)載吊具鉗臂的開(kāi)閉動(dòng)作，梁體內(nèi)部設(shè)有最大和最小開(kāi)口度限位裝置以及電纜拖鏈，驅(qū)動(dòng)液壓缸具有保壓作用，當(dāng)?shù)蹙咴O(shè)備在吊運(yùn)過(guò)程中失電時(shí)，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(jì)

該吊具共有四個(gè)鉗腿，鉗腿主材采用Q460以上的高強(qiáng)度鋼材，鉗齒采用42CrMo合金鋼，如圖4。每個(gè)鉗腿內(nèi)部裝有一對(duì)保險(xiǎn)鉤和鉗齒、一個(gè)單作用油缸等零件。吊具四鉗腿設(shè)計(jì)考慮了適應(yīng)于各種型號(hào)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(cè)標(biāo)識(shí)，可用于在托架疊放狀態(tài)下判斷夾取托架層數(shù)，通過(guò)色卡標(biāo)識(shí)方便作業(yè)人員觀(guān)察。鉗腿底部設(shè)置有二次保護(hù)鉤爪，鉤爪通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行伸出和收回動(dòng)作，當(dāng)鉗腿夾取托架并提升后，保護(hù)鉤爪伸出，將托架底部托起形成二次保護(hù)。

鉗腿底部設(shè)置有觸地檢測(cè)傳感器。吊具離開(kāi)地面100～200mm時(shí)，觸發(fā)傳感器信號(hào)，此時(shí)吊具處在空中移動(dòng)狀態(tài)，吊具電氣保護(hù)功能被激活，打開(kāi)功能暫時(shí)失效，防止托架在空中移動(dòng)時(shí)意外打開(kāi)鉗腿。

圖3 自動(dòng)化吊具主梁結(jié)構(gòu)

圖4 自動(dòng)化吊具鉗腿結(jié)構(gòu)

4.4 液壓及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾鉗通過(guò)四油缸把推力或拉力通過(guò)油缸銷(xiāo)軸傳遞給四個(gè)導(dǎo)板，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)板的伸縮動(dòng)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(guò)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(wú)桿腔，同時(shí)向蓄能器儲(chǔ)存能量，以備保壓時(shí)使用。當(dāng)左壓力繼電器或右壓力繼電器達(dá)到一定的壓力時(shí)，接通控制觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)連鎖控制。當(dāng)左壓力繼電器觸電接通時(shí)，左卸油閥開(kāi)始泄油，也同時(shí)接通保險(xiǎn)鉤閥，接通單作用油缸的壓力油進(jìn)行保險(xiǎn)。同時(shí)，每個(gè)油缸都有液控組，在工作時(shí)即使油管斷裂，油缸內(nèi)的壓力油也不會(huì)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(hào)，指示吊具的各種狀態(tài)。同時(shí)油泵電機(jī)工作時(shí)，可進(jìn)行延時(shí)控制，當(dāng)撥動(dòng)打開(kāi)或閉合按鈕，油泵電機(jī)就自動(dòng)停轉(zhuǎn)，以保護(hù)油泵電機(jī)長(zhǎng)期工作，避免油溫升高，延時(shí)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際工作情況進(jìn)行設(shè)定。

5 自動(dòng)化吊具設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)自動(dòng)化吊具鉗腿縱向間距的設(shè)計(jì)以及鉗腿開(kāi)合度的設(shè)計(jì)，使得吊具滿(mǎn)足Q系列不同型號(hào)托架的夾取吊裝需求，自動(dòng)化吊具的設(shè)計(jì)結(jié)合了托架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及在使用流程中的狀態(tài)，合理利用了托架結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足了托架吊裝作業(yè)需求，如圖5。

圖5 自動(dòng)化吊具起吊托架

(2)自動(dòng)化吊具的設(shè)計(jì)不僅能夠單層夾取托架，同時(shí)能夠在托架疊放狀態(tài)下夾取多層托架，從而滿(mǎn)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(jì)滿(mǎn)足了夾取多層托架時(shí)長(zhǎng)度的需要、設(shè)計(jì)承載重量的需要，同時(shí)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(biāo)識(shí)線(xiàn)，便于天車(chē)駕駛員在駕駛室內(nèi)準(zhǔn)確控制夾取托架數(shù)量[9]。

圖6 自動(dòng)化吊具吊取多層托架

(3)鉗腿底部設(shè)置有二次保護(hù)鉤爪，如圖7。鉤爪通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行伸出和收回動(dòng)作，當(dāng)鉗腿夾取鋼卷架并提升后，保護(hù)鉤爪伸出，將鋼卷架兜底，從底部托住鋼卷架，形成二次保護(hù)，避免了在托架未完全夾緊或運(yùn)行中托架撞擊貨車(chē)車(chē)廂造成托架松動(dòng)，托架脫落的情況，保證了夾取托架的安全性。

圖7 自動(dòng)化吊具二次鉤爪結(jié)構(gòu)

(4)鉗腿底部設(shè)置有觸地檢測(cè)傳感器，傳感器會(huì)在吊具離開(kāi)地面100～200mm時(shí)觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)?shù)蹙咛幱诳罩幸苿?dòng)狀態(tài)，吊具電氣保護(hù)功能被激活，打開(kāi)功能暫時(shí)失效，防止空中移動(dòng)時(shí)意外打開(kāi)鉗腿，造成托架脫落的情況發(fā)生。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)自動(dòng)化吊具吊取Q1型、Q2型以及Q3型托架證明，吊具能滿(mǎn)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(dòng)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(shí)也能夠保持夾緊狀態(tài)，均能夠滿(mǎn)足吊裝需求。

(3)在托架起吊時(shí)，自動(dòng)化吊具二次保護(hù)鉤爪自動(dòng)伸出，兜底托架底部，對(duì)托架形成二次保護(hù)。

(4)自動(dòng)化吊具夾取托架進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)，鉗腿上端攝像頭能夠準(zhǔn)確反映起吊托架的位置狀態(tài)，還可在托架卡擋和車(chē)輛補(bǔ)強(qiáng)座進(jìn)行配合時(shí)，提供幫助。

(5)吊具夾取托架起升高度超過(guò)200mm，吊具鉗腿開(kāi)閉開(kāi)關(guān)失效，有效防止了托架在夾取托架時(shí)誤碰開(kāi)關(guān)造成托架脫落的情況。

結(jié)語(yǔ)

卷鋼托架自動(dòng)化吊具，解決了Q系列卷鋼集裝托架在裝車(chē)、卸車(chē)以及回送作業(yè)過(guò)程中，存在安全性差、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了卷鋼快裝、快運(yùn)、快卸、快回送，提升了鐵路運(yùn)輸在整個(gè)運(yùn)輸市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)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。