基于互联 吊运装置的设计

王增涛

纽科伦（新乡）起重机有限公司 长垣 453400

摘 要：陶瓷纤维是高分子材料的重要组成部分，在国民经济的快速发展中起着至关重要的作用。吊运装置作为陶瓷纤维生产过程中关键设备，其吊运效率严重制约着陶瓷纤维的生产效率。为了解决这一难题，对陶瓷纤维的制作工艺及现场工况分析研究后，基于互联 技术，采用低净空的设计理念，结合电控系统与液压驱动技术，设计一种四吊点同步吊运装置。该吊运装置具有运行平稳、定位精准、实时响应与适应性强的特点，满足了陶瓷纤维吊运的特殊工况，实现了陶瓷纤维的抓取、吊运、旋转与松放，提高了陶瓷纤维的生产效率。

关键词：陶瓷纤维；低净空；同步起吊；定位精准；实时响应

中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）24-0046-05

0 引言

陶瓷纤维作为高分子材料的重要部分，具有耐酸碱、耐高温、热传导率低、抗机械震动、电绝缘和化学稳定性好等特点，在冶金、化工、电力、机械工业熔炉等热能设备上得到广泛的应用。陶瓷纤维以喷涂纤维为原料，加入一定比例的结合剂、填料剂等辅助剂，经过搅拌、吸附、脱水、脱模、烘干等步骤后制得半成品，磨削机及切割机等设备二次处理制得成品，后对其包装、转运与销售等。在此过程中，吊运装置的吊运效率成为影响陶瓷纤维生产效率的关键因素。

由于机械结构与电气控制系统的局限性，此类设备的吊运装置还不成熟。张瑞侠等[1] 的一种四吊点同时平衡起吊电动悬挂吊车采用四吊点框架结构，保证重物在吊运时保持平衡状态，不倾斜；鹿成洪等陶瓷纤维板切割装置发明一种新型陶瓷纤维的切割装置，调节两套切割线垂直距离，可以调整陶瓷纤维板的切割厚度。现今，由于陶瓷纤维的制作工艺及现场工况的特殊性，传统的吊运装置已不能满足其生产需要。为了解决这一难题，基于互联 技术，采用低净空的设计理念，结合电控系统与液压驱动技术，设计出一种四吊点同步吊运装置[2]，实现了陶瓷纤维的抓取、旋转、转运与松放，满足了陶瓷纤维吊运的特殊工况，提高了企业的生产效率，降低了操作人员的施工强度。

1 吊运装置的整体设计

吊运装置采用低净空的设计理念，在有限的空间内最大化起升高度。旋转吊具在旋转电机和微型液压站的驱动下，实现重物的抓取、吊运、旋转与松放。该吊运装置具有运行平稳、定位精准、适应性强与实时响应等特点，适用于狭小空间和定位精度要求高等工况，满足客户的使用要求，结构如图1 所示。

1. 绳索 2. 变向装置 3. 支撑梁 4. 提升机装置5. 运行机构 6. 主梁 7. 旋转吊具 8. 重物

图1 起吊装置的结构图

提升机装置通过电机的正、反转驱动绳索的缠绕与释放，在变向装置的作用下，控制旋转吊具的上升和下降。在回转支撑、旋转驱动电机与微型液压站的联合控制下，实现旋转吊具在水平面±180°范围内的抓取、吊运、旋转与松放，完成重物的转运与精准定位。

2 吊运装置的结构设计

2.1 提升机装置

如图2 所示，提升机装置由提升机、导轨装置、防脱轨装置、跑车、吊钩装置、挂梁、防坠落装置等组成。固定梁A/B 焊接在主梁内侧，提升机与导轨装置安装在固定梁A/B 上，采用低净空的设计理念，提升机沉没在主梁内，可保证吊运装置在狭小空间内的安装要求。吊钩装置与跑车采用螺栓组固定，绳索与挂梁采用索具螺旋扣连接，转动索具螺旋扣调节绳索的长度，保证旋转吊具处于水平状态。提升机采用4/2 倍率的设计思路，绳索从卷筒中间出绳，保证吊钩的受力处于一条直线上，电机的正、反转驱动绳索在卷筒上的缠绕与释放，控制吊钩在导轨装置上做水平运动，在变向装置的作用下实现旋转吊具的上升与下降。

1. 绳索 2. 主梁 3. 固定梁A 4. 导轨装置 5. 防坠落装置6. 防脱轨装置 7. 绳夹 8. 索具螺旋扣 9. 挂梁 10. 跑车11. 吊钩装置 12. 固定梁B 13. 提升机

图2 提升机装置的结构图

2.2 变向装置

变向装置由水平定滑轮装置、垂直定滑轮装置、固定梁、托辊装置与防脱绳装置等组成。绳索在导轨装置上的水平运动，在变向装置的作用下转换为垂直运动，控制旋转吊具的起升和下降，结构如图3 所示。固定梁C/D 焊接在主梁内侧，定滑轮装置安装在固定梁C/D 上。经过定滑轮装置的变向作用，绳索的水平运动转换为垂直运动，在提升机的作用下控制旋转吊具的起升与下降。

1. 防脱绳装置 2. 水平定滑轮装置 3. 托辊装置 4. 绳索5. 垂直定滑轮装置 6. 固定梁C 7. 固定梁D 8. 主梁

图3 变向装置

2.3 旋转吊具

旋转吊具采用微型液压站与旋转驱动电机控制吊臂的开闭与吊具的旋转，在机械传动装置与电气控制系统的配合下，实现旋转吊具在水平面内±180°抓取、吊运、旋转与松放，结构如图4 所示。旋转吊具与提升机装置采用绳索柔性连接，绳索在卷筒上的缠绕与释放控制旋转吊具的上升与下降。

在机械传动与齿轮啮合的配合下，旋转电机驱动吊架绕回转支撑缓慢转动[3]。旋转检测装置实时监控驱动电机、小齿轮、回转支撑的运行状态，向电控系统发射电信号，经中央处理器数据分析处理后反馈输出信号，控制回转支撑的转动，实现旋转吊具在±180o 范围内的精准定位。

1. 电缆卷筒 2. 护栏 3. 绳索 4. 绳楔装置5. 旋转驱动电机 6. 固定横梁 7. 旋转检测装置8. 回转支撑 9. 小齿轮 10. 输出轴 11. 回转架12. 微型液压站 13. 传动轴 14. 液压缸 15. 回转轴16. 吊架 17. 吊臂 18. 接触检测装置 19. 重物

图4 旋转吊具的机构图

小齿轮与回转支撑间的传动比i12 为

式中：z1 为小齿轮的齿数，z2 为回转支撑的齿数，d1 为小齿轮的分度圆直径，d2 为回转支撑的分度圆直径。回转支撑的转速n2 为

式中：n1 为电动机的输出转速。转动角度θ 为

式中：θ 为回转支撑的转动角度，n2 为回转支撑的转速，t 为回转支撑的转动时间。

由式（3）可知，旋转电机驱动回转支撑与小锥齿轮的转动，监控旋转电机的转动时间即可控制回转支撑的转动角度。

微型液压站中的电磁阀向液压缸发射电信号，经电磁换向阀的作用后控制液压推杆的移动，驱动吊臂绕回转轴转动，控制吊臂的张开与闭合。接触检测装置与微型液压站在电控系统的控制下配合工作，实现吊臂的抓取与松放，保证旋转吊具的安全运行。

电缆卷筒为旋转电机与微型液压提供工作电源，护栏为旋转吊具的检修提供安全防护。

2.4 防护装置

1) 防脱绳装置

绳索自然下垂或运动中的震动都可能导致绳索从定滑轮槽中脱离，防脱绳装置保证绳索在定滑轮上安全运行。托辊装置与防脱绳装置配合使用，控制绳索水平进出滑轮装置，保证变向装置的正常运行。

2) 防脱轨装置

由于机械结构的局限性和运动过程中的震动现象，导轨装置的间隙会出现局部增大，跑车发生倾斜而脱离预定的运行路线，从导轨装置上掉落，存在安全隐患。为此，在导轨装置下方设置防脱轨装置，保护跑车的安全运行。

3) 防坠落装置

跑车在导轨装置上滚动摩擦，运行过程中会产生铁屑等杂物，下落后会污染起陶瓷纤维，影响陶瓷纤维的产品质量。防坠落装置的设置，一方面用来收集由于摩擦而产生的铁屑等杂物；另一方面，与防脱轨装置配合使用，为跑车的安全运行提供二次保护。

3 电气控制系统

吊运装置基于互联 技术，采用低净空的设计理念，统筹兼顾机械结构与电气装置，在电气控制系统的作用下，实时检测吊运装置的运行状态，向电气控制系统发射电信号，经中央处理器的数据分析后反馈电信号，控制执行器完成相应的动作，实现了旋转吊具的抓取、吊运、旋转与松放。

图5 电气控制系统的结构图

3.1 防摇摆装置

惯性是引起重物摇摆的主要因素，摇摆现象的发生严重影响重物转运的定位精度及生产效率。

为了削弱摇摆现象，采用防摇摆控制原理，建立重物摆幅与运行加减速间的单摆数学模型[4,5]，经过中央处理器的数据分析后传递给相应的执行器，实时补偿运行机构的运行状态，即可有效地减少重物摇摆现象的发生，提高了重物转运的定位精度。

3.2 实时监控装置

1) 起升检测装置

电机的正、反转驱动卷筒的转动，控制绳索在卷筒上的缠绕与释放，实现旋转吊具的上升、下降。当旋转吊具运行到极限位置时，起升检测装置检测到物理信号后向电动系统发射电信号，经中央处理器数据分析后反馈电信号，控制相应的执行器，此时吊具只能反向运行，保证旋转吊具的安全运行。

2) 超载检测装置

超载检测装置上的质量传感器实时监测重物的质量，当检测值大于阈值时，向电控系统发射电信号，经中央处理器处理后输出反馈信号，控制执行器发出预警信号及切断相应的控制器，旋转吊具只能下降，禁止起升、旋转或其他动作。

3) 旋转检测装置

旋转检测装置实时监测旋转吊具在水平面内的旋转，在电控系统的作用下，控制旋转吊具的转动角度，实现旋转吊具的精准定位。

4) 接触检测装置

吊臂上设置接触检测装置，实时检测吊臂与重物的间距，求解检测值与阈值的比值，以此值判断吊臂是否夹紧重物，监控吊臂的开闭状态。

3.3 数据分析装置

吊运装置设置安全监控单元，实时检测并记录吊运装置的运行状态及相关数据，提供历史故障诊断分析、安全剩余工作周期与制动安全剩余工作周期的到期提醒、累计运行次数统计、累计运行总时长统计和设备保养到期提醒等服务。

3.4 远程维保装置

吊运装置采用互联 大数据系统，按照规定的通讯协议将吊运设备与互联 连接起来，客户通过专用的手机APP 实时查看设备的运行状态及历史数据，对吊运设备的工作状态有直观的了解。当吊运装置发生故障时，服务人员征得客户同意授权后采用互联 远程遥控技术，实时检测和查看吊运装置的运行数据、设备状态与故障信息，对数据信息处理分析，指导现场人员工作，完成吊运装置的远程维护、保养与检修，为客户节约了大量时间、精力和金钱，降低了经济损失，提高了客户满意度。

4 实验结果与数据分析

目前，吊运装置已在陶瓷纤维生产厂家使用，满足客户的使用要求，获得客户的认可。对现场工况进行多次数据采集，运用数理统计与数据分析可知，防摇摆装置使吊具的摆幅减弱95% 以上，且停止摆角＜ 0.2°；旋转吊具在水平面±180°旋转，旋转角度误差控制在±1°，实现了旋转吊具的抓取、吊运、旋转与松放，完成了陶瓷纤维的转运。

5 结论

基于互联 的吊运装置采用微型液压站与电控系统相结合的机电控制技术，适应于低矮空间、定位精度高等工况，具有运行平稳、定位精准、适应性强与实时响应等特点，实现了陶瓷纤维的抓取、吊运、旋转与松放，加快了陶瓷纤维的转运效率，提高了生产效率。然而，由于机械结构与电控系统的设计尚不完善，起吊装置存在以下问题：

1）无法实现全自动化控制，部分过程需要人为操控，一定程度上影响了生产效率与定位精度。

2）由于机械结构的局限性，吊点间的距离只能在许可的范围内调整，限制了旋转吊具的作业空间。

参考文献

[1] 张瑞侠，付普，金庆好，等. 一种四吊点同时平衡起吊电动悬挂吊车：201520730488.3[P].2016-02-03.

[2] 金庆好，王增涛，杨孟虎，等. 一种四吊点同步起吊装置：201920419123.7[P].2019-12-24.

[3] 孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理[M] . 北京：高等教育出版社，2006.

[4] 王增涛，张瑞侠，李珠. 基于PLC 的欧式葫芦双梁起重机在电镀车间的应用[J]. 起重运输机械，2017(6)：58-60.

[5] 肖鹏，王冰. 基于MEMS 微加速度计的无视觉传感器防摇控制系统研究[J]. 机电工程，2005(1)：1-5.