铁路卷钢托架自动化吊具设计探讨

摘要:随着国内制造业升级换代，铁路卷钢运量逐年增大。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，铁路现场逐步采用集装托架取代传统凹型草支垫、钢丝绳紧固器运输卷钢。针对Q系列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，设计一款安全、稳定、自动化程度高、定位准确、适用多款托架的卷钢托架自动化吊具十分重要。

关键词:铁路运输;Q系列卷钢集装托架;吊具;安全稳定;自动化

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。

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。

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。

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。(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］。图6自动化吊具吊取多层托架(3)钳腿底部设置有二次保护钩爪，如图7。钩爪通过液压缸驱动进行伸出和收回动作，当钳腿夹取钢卷架并提升后，保护钩爪伸出，将钢卷架兜底，从底部托住钢卷架，形成二次保护，避免了在托架未完全夹紧或运行中托架撞击货车车厢造成托架松动，托架脱落的情况，保证了夹取托架的安全性。图7自动化吊具二次钩爪结构(4)钳腿底部设置有触地检测传感器，传感器会在吊具离开地面100～200mm时触发信号。当吊具处于空中移动状态，吊具电气保护功能被激活，打开功能暂时失效，防止空中移动时意外打开钳腿，造成托架脱落的情况发生。

6现场试验论证

(1)通过现场试验自动化吊具吊取Q1型、Q2型以及Q3型托架证明，吊具能满足夹取Q系列托架的功能需求，通用性好。(2)在单层及叠放多层状态下，自动化吊具分别夹取Q1型、Q2型和Q3型托架，吊具夹取状态稳定，在碰撞时也能够保持夹紧状态，均能够满足吊装需求。(3)在托架起吊时，自动化吊具二次保护钩爪自动伸出，兜底托架底部，对托架形成二次保护。(4)自动化吊具夹取托架进行装车试验，钳腿上端摄像头能够准确反映起吊托架的位置状态，还可在托架卡挡和车辆补强座进行配合时，提供帮助。(5)吊具夹取托架起升高度超过200mm，吊具钳腿开闭开关失效，有效防止了托架在夹取托架时误碰开关造成托架脱落的情况。卷钢托架自动化吊具，解决了Q系列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，实现了卷钢快装、快运、快卸、快回送，提升了铁路运输在整个运输市场的核心竞争力，为今后更好地服务大型钢铁企业提供了装备保障，具有重要的意义。

参考文献:

［1］中国建筑材料联合会．中国建筑材料工业年鉴［Ｒ］．北京:人民出版社，2018:121-125．

［2］中国铁路总公司．中国铁道年鉴［Ｒ］．北京:中国铁路总公司，2019:227-234．

［3］中国铁路总公司．铁路货物装载加固规则［M］．北京:中国铁道出版社，2015:160-168．

［4］周宝宪，潘帅，袁舜，等．铁路20ft玻璃平台式集装箱设计及其有限元分析［J］．包装工程，2020，41(15):88-95．

［5］杨楠，李兵祖，潘帅，等．基于SolidWorks和Ansys的20ft集装箱石材运输架设计［J］．包装工程，2021，42(11):151-156．

［6］陈奇，马玉坤，王延明．卷钢铁路运输装载加固的技术条件分析［J］．铁道运输与经济，2007(10):61-62．

［7］中华人民共和国建设部．钢结构设计规范:GB50017-2003［S］．北京:2003-04-25．

［8］张耀，曹小平，王春芳，等．材料力学［M］．清华大学出版社，2015．

［9］韩立东．卷钢座架强度的理论计算与试验结果的对比［J］．包装工程，2020，41(07):147-151．

作者:张慧 徐勇 单位:中国铁路兰州局集团有限公司货运部