一种智能化便捷式起重装置的设计与研究

单永瑞，魏立展，李 彬，陈书超，张光飞，王凤娟，魏富港

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔161006）

基于当前我国工业发展形势而言，发展形势整体呈上升状态，与工业发展相关的工业设施也随之得到发展[1]。截至目前而言我国工业当中所用的起重设备按型号大体可分为电动单、双梁，单主梁、双主梁龙门，悬臂，电动单梁悬挂等等[2]。以上起重设备多用于大型工厂，操作空间较大的场地，而针对小型生产制造行、粮油超市等可操作空间较小的场所，现有的起重装置则没有办法正常使用[3]。

该装置则是将传统的起重设备与现有的运输装置进行结合，并与现代信息技术进行结合，实现工业设备与现代控制技术的结合。该装置以气压为起重动力，通过控制中心对起重装置数据的处理反馈调节设备工作状态，实现设备的效率最大化。

1 装置数据概述

一种智能化适于小空间作业的便捷式起重装置整体宽度为1500mm；长度为2000mm；机体整体高度为1250mm；材料Q345弹性模量E=260GPa；材料屈服强度σ为172.5MPa，依据设计理念将设备的最大载重量设定为500Kg；所以由F=P*A计算承重达到1000kg时所需要的气压为P=F÷A=（4×5000÷为200mm；气压顶杆为圆筒结构所以由应力状态分析σx=（P×D4）÷（4×δ）；σy=（P×D4）÷（2×δ）。所以根据σx、σy计算得δ4=（（σx、σy）max）=0.189mm；为保证设备的最大安全性，认为的将壁厚增大到2mm；此时d4的直径为196mm；因为气压顶杆连接杆件之间存在突出的边缘，边缘宽度为3mm。所以d3=203mm、D3=207mm再由应力状态公式校正此时壁厚理论值为0.1914mm可见2mm壁厚符合顶杆3的强度要求；同理d2=210mm，D2=214mm，壁厚理论值为0.198mm；d1=217mm，D1=221mm其壁厚理论值为0.2mm。所以δ=2mm满足气压顶杆各节杆的要求。

设计其各节杆的长度：设定安选系数N为2，Fcr=F/N=10000/2=5000N；由压杆稳定公式计算气压顶杆单杆长度，气压顶杆的约束形式为单侧约束[4]，所以μ=2；由公式FCR=（π2×E×I）÷(μ×L)2；以L4为例计算，L4的理论值为27.97m，所以当L小于27.97m时气压顶杆保持其稳定性，故另L4=500mm、L3=504mm、L2=508mm，L1=512mm。

表1 气压顶杆的设计尺寸数据（单位：mm）

2 装置结构及工作原理

本装置由车体，履带，设备箱，储气室，取景摄像头以及气压顶杆组成。车体采用轻质合金结构，保证强度的前提下减轻装置整体的质量提高设备的灵活性。车体内部装有输气管以及信号传输线[5]。设备箱内设有动力装置、空气压缩机以及自动控制系统。

本装置分为两个部分，一部分为自动化的控制部分另一部分为机械部分。其中自动化部分由编译系统控制安放于图1中的（3）控制箱中，主要包括三个模块：数据处理模块、图像处理模块、控制模块。其中数据处理模块连接于图1中的（4）储气室上的压力传感器和（5）气压顶杆上的重力传感器，数据处理模块通过对传感器上数值的处理转化将其传递至控制模块，再由控制模块对图1中（3）设备箱中的空气压缩机和图1中（5）气压顶杆进行工作运转。而图像处理模块负责与图1中（7）取景摄像头相连接，其作用是将取景摄像头中的场景转化为空间直角坐标系并电信号的形式传至控制模块当中，再由控制模块进行转换将图像信息呈现于图1中（2）设备显示屏上，由操作人员通过对图1中的（1）设备操控板的操作实现对起重装置的起始点的设定。

将设备至于相对工作空间较小的环境中如超市等地启动设备，操作人员通过图1中（1）设备操控板打开（7）取景摄像头和（6）履带的运转装置，由操纵人员以工作环境内任意一点为基准启动设备，开启设备取景摄像头的旋转功能，实现对工作场景的扫描识取，当遇到阻隔时需操作人员将其推至与其他地带，继续进行空间扫描直至将环境扫描完毕。当环境读取完毕后操作人员可将设备移至货物装运点并通过图1中的（1）设备控制板来设置货物的起始点，图像处理模块和控制模块共同运转，自动设计一条最优的行进路线。此时操作人员只需将货物放置起重装置上由数据处理模块和控制模块共同调整装置实现设备的自动运转。

图1 装置结构图

3 设备气压顶杆应力应变分析

图2 气压杆应变分析图像

图3 气压杆应力分析图像

采用ANSYSWorkbench软件，对设备的气压顶杆部分利用有限元软件进行应力应变分析。

（1）等效应变分析：图2是起重装置气压顶杆的应变分析的分布云图的结果，应变值范围处于0-0.12739mm，起重最大变形量集中在气压顶杆顶部，其稳定强度符合设备的使用要求。

（2）等效应力分析：图3是起重装置气压顶杆的应力分析的分布云图的结果，经分析应力值最大为216.55MPa，小于选用材料的最大屈服极限应力值320MPa，满足设计使用要求。

4 结语

本文通过设计一种智能化适于小空间作业的便捷式起重装置解决现有的起重机缺陷，创新点在于将传统的机械装置于控制系统结合，在保证设备的灵活性的前提使其能够在小空间的环境中进行操作下进一步创新，增加其工作效率，有效的解决当前起重设备的笨拙体积大等缺点，并引入信息化技术，实现传统工业与现代计算机控制技术的结合，为人们开发，设计新型的智能起重机提供了一个好的设计思路和方向。随着科技技术的革新，在未来起重装置的自动控制部分模块将随之进行革新，使其具备更多的功能和更高的效率。