面向輸變電設(shè)備的小型移動(dòng)吊車設(shè)計(jì)*

楊保健，楊博文，蘇 虎，李曉斌

（1.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

當(dāng)前中國(guó)對(duì)電力的需求與日俱增，大容量、大規(guī)模、智能電網(wǎng)的建設(shè)已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，變電站的擴(kuò)建改造項(xiàng)目日益普遍，需要在室外進(jìn)行吊裝作業(yè)的設(shè)備包括變壓器瓷套管、隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭、支柱絕緣子、均壓環(huán)、避雷器、電流互感器、電壓互感器、耦合電容器設(shè)備[1]。這些設(shè)備一般布置在2～3 m的空中，安裝、維檢、修護(hù)過(guò)程需要吊車協(xié)助。但由于變電站場(chǎng)地空間狹窄，不利于小型汽車起重機(jī)進(jìn)入，而且存在“碰線”觸電的安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。而常規(guī)的處理方法需要對(duì)變電站進(jìn)行停電處理，對(duì)社會(huì)正常的生活生產(chǎn)秩序會(huì)造成一定的損失；另外，在擴(kuò)建過(guò)程中時(shí)常遇到其他困難，例如變電站擴(kuò)建建設(shè)人員的操作安全知識(shí)薄弱、建設(shè)過(guò)程中設(shè)計(jì)方案與實(shí)際可操作環(huán)境有誤差、施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)水文條件復(fù)雜、操作設(shè)備專業(yè)性參差不齊等問(wèn)題。

鑒于此，本文從安全專業(yè)的角度，分析電網(wǎng)間吊裝作業(yè)的特點(diǎn)，以實(shí)際電網(wǎng)間距按1∶5 的比例建立吊機(jī)模型，設(shè)計(jì)了適合輸變電設(shè)備吊裝的無(wú)線小型移動(dòng)吊車專用設(shè)備，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備吊裝過(guò)程的可視化和智能化。

1 小型移動(dòng)吊車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型移動(dòng)吊車采用了直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前輪和支撐架的電機(jī)采用MG995 舵機(jī)；回轉(zhuǎn)部分采用外齒回轉(zhuǎn)支承；卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)由一對(duì)齒輪組成；緊急剎車采用了電磁制動(dòng)器制動(dòng)；吊臂的伸縮采用了螺旋升降機(jī)構(gòu)，由一根絲桿和絲桿套組成。

該小型移動(dòng)吊車具有不同于現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、合理，適合變電站工作環(huán)境。易安裝搬運(yùn)、操作簡(jiǎn)單便攜，符合人機(jī)工程?？傮w設(shè)計(jì)效果如圖1所示。

圖1 小型移動(dòng)吊車3D模型

1.1 行走驅(qū)動(dòng)裝置

行走驅(qū)動(dòng)裝置采取電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠齒輪傳動(dòng)將扭矩傳到輸出軸上。整個(gè)吊車有4個(gè)輪子，總摩擦阻力為235 N 。驅(qū)動(dòng)輪后輪的直徑為83 mm，阻力矩為10 N·m。驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，整個(gè)移動(dòng)吊車前進(jìn)0.267 m，設(shè)計(jì)小車時(shí)速為0.5 m/s，減速比為2∶1，則后輪轉(zhuǎn)速為112 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速至少應(yīng)為112 r/min。

根據(jù)電機(jī)扭矩得出后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率P＝120 W 。由于無(wú)刷直流電機(jī)的效率一般在70%左右[3]，故電機(jī)的額定功率取170 W，綜合價(jià)格選用電機(jī)的型號(hào)為Z55BLD200-24GU，并選用減速比為25 的減速器進(jìn)行降速和提升扭矩。基本參數(shù)如表1所示。

表1 Z55BLD200-24GU行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)向裝置

本文采用雙搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。主動(dòng)柄采用MG955舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90°。連桿兩端通過(guò)魚(yú)眼螺桿與吊車前輪相連，從而通過(guò)連桿的平動(dòng)變?yōu)榍拜喌?0°轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向，如圖2所示。

圖2 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

空間自由度常用的計(jì)算公式：

式中：Pz為自由度總數(shù)；λ為多余自由度；5 為每個(gè)封閉環(huán)的約束數(shù)；K為封閉環(huán)的個(gè)數(shù)。

本機(jī)構(gòu)中自由度總數(shù)Pz＝18，即機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中·部分（6 個(gè)回轉(zhuǎn)副、4個(gè)球面副）；多余自由度λ＝2，即桿2上的2個(gè)回轉(zhuǎn)副；封閉環(huán)數(shù)K＝3，即圖中虛線圈起來(lái)的部分（分別為A-C-E-F-G、A-B-C-D、B-D-H-I-J），用實(shí)心三角形▲表示。代入式（1）得：

由此可知自由度W＝1，故轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)正確。

1.3 吊臂伸縮裝置

由于設(shè)計(jì)時(shí)要控制吊車的整體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有空間在吊臂位置安裝液壓缸或氣缸，而吊臂若只有一節(jié)又難以保證起吊的高度，因此采用螺紋傳動(dòng)的方式來(lái)使吊臂的第二節(jié)伸縮。由電機(jī)控制螺母管的旋轉(zhuǎn)，隨著螺紋的旋合進(jìn)而推動(dòng)第二節(jié)吊臂的伸出。

氣缸的支撐力與吊臂的夾角為35°。因此吊臂受到4 個(gè)力，分別為吊臂自身重力、第二節(jié)吊臂及起吊物的重力、氣缸的支撐力、豎壁的支撐力。這4 個(gè)力的前兩者設(shè)定為施加力，后兩者可以直接在有限元分析中將其設(shè)定為固定約束。分析得到結(jié)果如圖3～4所示。由圖可知第一節(jié)吊臂的最大應(yīng)力集中處在氣缸連接處，最大值為1.95×105N/m2，遠(yuǎn)小于材料的屈服力極限2.275×108N/m2；第二節(jié)吊臂的應(yīng)力集中出在與絲桿的連接面，最大為8.2×107N/m2，同樣小于材料的屈服極限。故零件的整體受力合理。

圖3 第一節(jié)吊臂的應(yīng)力分析

圖4 第二節(jié)吊臂的應(yīng)力分析

2 無(wú)線控制方案設(shè)計(jì)

本文選用GX Works2 作為PLC 的編寫程序，以及Android Studio3.5 作為移動(dòng)電話客戶軟件的設(shè)計(jì)[4-5]。將整個(gè)控制系統(tǒng)分為Android 客戶端、中間層服務(wù)器端、吊車輸出端進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）Android客戶端：在WiFi環(huán)境下，數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議在串口服務(wù)器和移動(dòng)電話之間建立socket連接，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換[6]。

（2）服務(wù)器端：串口服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus協(xié)議傳輸給三菱PLC。三菱PLC 接收后進(jìn)行轉(zhuǎn)碼編譯，控制輸出端口的輸出。

（3）吊車輸出端：吊車上的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器接收PLC輸出信號(hào)，控制小型吊車上的電機(jī)，以此控制吊車的前進(jìn)、起吊等動(dòng)作。

圖6 PLC控制系統(tǒng)接線圖

2.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本吊車電機(jī)較多，需要的PLC輸出口也較多，同時(shí)需要高脈沖輸出控制舵機(jī)，因此選晶體管輸出型PLC，考慮留20%的空余量，最終選用FX3U-32MT 三菱PLC 和FX2N-4DA模塊來(lái)輸出0～5 V電壓控制電機(jī)的速度[7-8]。PLC控制系統(tǒng)接線圖如圖6所示。輸出端Y0和Y1輸出脈寬為1～2 ms的高頻脈沖控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，其余端口輸出高低電平控制電機(jī)的啟停。

2.2 客戶端APP設(shè)計(jì)

本移動(dòng)吊車課題所開(kāi)發(fā)的APP 界面有4 個(gè)，分別是主頁(yè)、檢查通訊頁(yè)、移動(dòng)操作頁(yè)、升降操作頁(yè)，其設(shè)計(jì)界面如圖7 所示。程序編寫的關(guān)鍵點(diǎn)在手機(jī)與三菱PLC 在WiFi 環(huán)境下進(jìn)行通訊的程序編寫。要求當(dāng)每個(gè)按鈕狀態(tài)變化時(shí)（按鈕有按下和松開(kāi)2 種狀態(tài)），PLC 上的寄存器狀態(tài)也隨之變化，起到控制電機(jī)的作用。

圖7 移動(dòng)吊車APP的設(shè)計(jì)界面

通訊部分使用Github 上的開(kāi)源代碼HslCommunication 庫(kù)。首先需要建立Modbus TCP連接，這里建立連接的關(guān)鍵代碼為：

其中IP地址和端口根據(jù)485轉(zhuǎn)WiFi串口服務(wù)器提供的IP進(jìn)行修改。接著調(diào)用melsec_net.Write函數(shù)進(jìn)行寫入PLC寄存器狀態(tài)。由于PLC都是由M寄存器的狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)控制輸出端口的信號(hào)，故這里只需要對(duì)M寄存器進(jìn)行布爾值的真假進(jìn)行寫入，以寫入真為例，函數(shù)使用方法為：

melsec_net.Write("M22",new boolean[]{true})；

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從安全專業(yè)的角度，在分析電網(wǎng)間吊裝作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合輸變電設(shè)備吊裝的無(wú)線小型移動(dòng)吊車專用設(shè)備。在目前手搖小型吊機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)吊臂的伸縮裝置和前輪裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)與校核，零件強(qiáng)度滿足工程實(shí)際要求；并在小型吊車的無(wú)線控制方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了移動(dòng)終端APP控制系統(tǒng)，使操作人員可以在WiFi局域網(wǎng)環(huán)境下對(duì)吊車進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了輸變電設(shè)備吊裝過(guò)程的可視化和智能化，為變電站的擴(kuò)建改造項(xiàng)目的順利實(shí)施提供有效的理論依據(jù)和工程價(jià)值。