铁路卷钢托架自动化吊具设计研究

2023-01-16张慧徐勇

科技风 2023年1期

张慧徐勇

中国铁路兰州局集团有限公司货运部甘肃兰州 730000

1 概述

卷钢是铁路货物运输的重点对象，在铁路货运占比较大[1]。随着国民经济的发展，卷钢需求量大幅增加，卷钢运量也随之增加。据统计，2016年铁路卷钢发运量约为5200万吨，2018年增长为6000万吨，增长了15.3%[2]。

卷钢集装托架结构强度高、无须辅助加固、可重复循环使用，因此，逐步取代凹型草支垫、钢丝绳紧固器，成为铁路运输卷钢装载加固的主流方式[3]。为方便托架装车、卸车以及回送，通常在托架上安装吊钩，便于吊装作业[4-6]。经长期工作发现，卷钢集装托架在装车、卸车以及回送作业过程中，存在安全性差、作业效率低、劳动强度高的问题。为解决上述问题，设计卷钢集装托架自动化吊具，有很强的现实意义：(1)可提高吊装作业机械化程度，减少现场作业人员劳动强度；(2)可提高吊装作业自动化程度，提高装卸效率和精确度；(3)对于实现托架装车、卸车以及回送作业“智能化”发展，尤为关键。

2 自动化吊具设计原则

自动化吊具主要针对如何实现Q系列卷钢集装托架装车、卸车以及回送作业的自动化装卸设计。自动化吊具需满足以下功能需求：(1)吊具需适应现场作业条件，运营安全、稳定、可靠；(2)吊具需同时满足Q1、Q2、Q3型托架自动化吊装作业的需求；(3)吊具需满足托架在叠放状态下的吊装需求，能够准确控制起吊托架数量；(4)吊具需满足装车作业时，托架卡挡结构和车辆补强座准确定位配合的需求；(5)吊具设计需考虑托架吊装作业时，防脱安全保护措施。

3 自动化吊具设计方案

自动化吊具是专门针对Q系列卷钢托架吊装设计的关键设备，采用液压动力驱动，针对不同型号托架进行对应的开闭及收缩动作，通过吊具钳臂下部的钳腿对托架进行夹取作业。自动化吊具由吊架机构、主梁结构及钳腿机构三部分组成，见图1。

图1 自动化吊具结构

自动化吊具设计尺寸参数见下表。

自动化吊具设计参数表

4 自动化吊具结构设计

4.1 吊架设计

吊架结构材料为低合金Q345B钢板[7]。吊架机构可容纳安装吊轴、旋转大齿轮、旋转小齿轮、旋转电机减速器等附件，如图2。旋转电机减速器功率为0.55kW，电压为380V的四极电机吊具回转速度为1r/min。

吊轴与起重机吊钩进行连接与固定，还设有防脱钩装置。吊钩处设有负载传感器，用于吊具起吊承载时的检测。当吊具起吊承载时，PLC会根据承载检测传感器和钳腿底部检测传感器，综合判断吊具起吊状态；当吊具处于空中移动状态时，吊具电气保护功能激活，钳腿开闭功能暂时失效，防止吊具在空中吊运时因误触发而导致钳腿意外开闭。

吊架机构内设置有旋转机构，通过电机驱动旋转齿轮进行回转，旋转角度可根据要求定制，也可固定90°位置设置停止位，到位即停止旋转。

图2 自动化吊具吊架结构

4.2 主梁设计

主梁主要由两滑槽箱和连系梁组成。两滑槽箱焊接在连系梁两端，形成H型结构，以布设四条钳腿的装配，材料为Q345B高强度低合金板，如图3。焊接完成后，进行整体消除应力处理，后对滑槽箱进行机械加工[8]。主梁内部装入四条导板、垫块、连接块、油缸和平衡齿轮、齿条等零件。

主梁结构内部设有开闭导板和滑槽机构，内置驱动液压缸，负载吊具钳臂的开闭动作，梁体内部设有最大和最小开口度限位装置以及电缆拖链，驱动液压缸具有保压作用，当吊具设备在吊运过程中失电时，保压功能可保证吊具设备在失电状态下仍可牢固夹紧托架。

4.3 钳腿设计

该吊具共有四个钳腿，钳腿主材采用Q460以上的高强度钢材，钳齿采用42CrMo合金钢，如图4。每个钳腿内部装有一对保险钩和钳齿、一个单作用油缸等零件。吊具四钳腿设计考虑了适应于各种型号Q型托架的通用性，可采用夹紧和顶撑的方式固定托架。

钳腿表面有层数检测标识，可用于在托架叠放状态下判断夹取托架层数，通过色卡标识方便作业人员观察。钳腿底部设置有二次保护钩爪，钩爪通过液压缸驱动进行伸出和收回动作，当钳腿夹取托架并提升后，保护钩爪伸出，将托架底部托起形成二次保护。

钳腿底部设置有触地检测传感器。吊具离开地面100～200mm时，触发传感器信号，此时吊具处在空中移动状态，吊具电气保护功能被激活，打开功能暂时失效，防止托架在空中移动时意外打开钳腿。

图3 自动化吊具主梁结构

图4 自动化吊具钳腿结构

4.4 液压及电控系统设计

夹钳通过四油缸把推力或拉力通过油缸销轴传递给四个导板，实现导板的伸缩动作，四油缸总推力为7356～10048kg，总拉力为5652～7536kg，由钳齿作用在托架上，以足够保证夹取托架的正压力。

液压管路系统中，先由泵站输出的压力油通过三位四通电磁阀和节流阀、液控单向阀等液压元件输送给油缸的有杆腔或无杆腔，同时向蓄能器储存能量，以备保压时使用。当左压力继电器或右压力继电器达到一定的压力时，接通控制触点，实现连锁控制。当左压力继电器触电接通时，左卸油阀开始泄油，也同时接通保险钩阀，接通单作用油缸的压力油进行保险。同时，每个油缸都有液控组，在工作时即使油管断裂，油缸内的压力油也不会泄露，确保吊具夹取托架的安全。

吊具电气控制主要由PLC集中控制，发出声光信号，指示吊具的各种状态。同时油泵电机工作时，可进行延时控制，当拨动打开或闭合按钮，油泵电机就自动停转，以保护油泵电机长期工作，避免油温升高，延时时间可根据实际工作情况进行设定。

5 自动化吊具设计创新点

(1)自动化吊具钳腿纵向间距的设计以及钳腿开合度的设计，使得吊具满足Q系列不同型号托架的夹取吊装需求，自动化吊具的设计结合了托架的结构特点以及在使用流程中的状态，合理利用了托架结构，满足了托架吊装作业需求，如图5。

图5 自动化吊具起吊托架

(2)自动化吊具的设计不仅能够单层夹取托架，同时能够在托架叠放状态下夹取多层托架，从而满足了在不同作业工况下起吊托架的作业需求，如图6。钳腿的设计满足了夹取多层托架时长度的需要、设计承载重量的需要，同时在吊具钳腿上端安装有摄像头，钳腿上有用于辨别钳腿下降深度的标识线，便于天车驾驶员在驾驶室内准确控制夹取托架数量[9]。