四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)研究

李所先，周源潔

（1.四川航天神坤科技有限公司，四川 成都 610100；2.西北師范大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

20 世紀(jì)80 年代中期，我國(guó)開始發(fā)展首批核電站。早期的核電站基本在80 年代前后投入運(yùn)行，在核電事業(yè)中發(fā)揮了重大的作用。同時(shí)，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)早期的核電站已經(jīng)或即將進(jìn)行較大的維修。對(duì)核電站設(shè)備進(jìn)行檢查、維修，并最終控制整個(gè)核電站的安全性，是核電站檢修的最終目標(biāo)。水泵電機(jī)是核電站的重要設(shè)備，在國(guó)防科技工業(yè)現(xiàn)代化持續(xù)發(fā)展中起到舉足輕重的作用。在以上背景下，開展了對(duì)核電站水泵電機(jī)運(yùn)輸?shù)难芯俊?/p>

1 四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)由4 套獨(dú)立的單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)、拼接機(jī)構(gòu)、緊固件等組成。四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)系統(tǒng)組成示意圖

單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)主要由自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸平臺(tái)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、減震系統(tǒng)、吊裝機(jī)構(gòu)及安全防護(hù)系統(tǒng)等組成。

1.1 自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸平臺(tái)

單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸平臺(tái)由八組麥克納姆輪組成四套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這四套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能獨(dú)立控制完成整車的前進(jìn)、后退、橫移、斜移、原地360°旋轉(zhuǎn)等功能，控制靈活，實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)每一個(gè)麥克納姆輪上均安裝有一個(gè)獨(dú)立的懸掛系統(tǒng)，當(dāng)車體在承受一定負(fù)載時(shí)，軸承座通過導(dǎo)向立柱上下移動(dòng)以擠壓阻尼式彈簧，阻尼式彈簧根據(jù)承受的壓力調(diào)節(jié)自身高度，起到車體減震效果，保證麥克納姆輪始終與地面處于接觸狀態(tài)。

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸平臺(tái)。使用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力強(qiáng)勁，運(yùn)行平穩(wěn)，多檔可調(diào)無極調(diào)速。采用獨(dú)立懸掛，增強(qiáng)了對(duì)地面適應(yīng)能力。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)具有整體操作、獨(dú)立操作兩種功能選項(xiàng)。整體操作即4 套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)組合為一體工作時(shí)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行的整體操控。獨(dú)立操作即單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)獨(dú)立工作時(shí)的操控。單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分通常包括主控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、遙控器、BMS系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及操作面板，其中核心是主控制器，運(yùn)動(dòng)控制器通過通信系統(tǒng)接收主控制器的命令完成各運(yùn)動(dòng)軸的控制，而操作面板則完成人機(jī)交互的功能。主控模塊是單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)車體控制的大腦，它集成多種通訊方式與外部器件控制端口為一體，目的是使通訊更加快捷、靈活、方便，通過CAN 通訊接口與安裝運(yùn)輸臺(tái)架中其它模塊進(jìn)行通訊，發(fā)送和接收指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)整體運(yùn)行的操作。

1.3 電源系統(tǒng)

單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)采用鋰電池為系統(tǒng)提供動(dòng)力，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示蓄電池剩余電量，確保單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的正常使用，并在蓄電池低電量時(shí)自動(dòng)發(fā)出提示。

1.4 安全防護(hù)系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)主要包括智能激光避障系統(tǒng)、防撞安全觸邊和急停按鈕，在非正常情況下可以通過操作急停按鈕使電機(jī)立即斷電，讓車體緊急停車，保障現(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備的安全。

1.5 吊裝機(jī)構(gòu)

為便于吊裝搬運(yùn)，在單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)車體前后兩端各配置兩個(gè)吊裝機(jī)構(gòu)。

1.6 拼接機(jī)構(gòu)

為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的不同規(guī)格，不同型號(hào)（尺寸、重量）的電機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)，4套單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)通過8套連接機(jī)構(gòu)可連接為一體,組成四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)、轉(zhuǎn)場(chǎng)。當(dāng)作為四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)使用時(shí)，需將4臺(tái)單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)平行組裝運(yùn)輸，并用連接機(jī)構(gòu)連接，重型電機(jī)固定安裝在四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)上，通過一臺(tái)遙控器進(jìn)行控制；需要運(yùn)輸輕型電機(jī)時(shí)，將四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)分開使用，單獨(dú)使用多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)。

連接機(jī)構(gòu)包含連接座、連接柱、插等組成，通過螺栓緊固件安裝于車體結(jié)構(gòu)上。

2 關(guān)鍵部件—麥克納姆輪的設(shè)計(jì)計(jì)算[1]

麥克納姆輪由輪轂和多個(gè)輥?zhàn)咏M成，輥?zhàn)优c輪轂軸線成一定角度（偏置角通常為±45°），輥?zhàn)涌梢岳@自身軸線自由旋轉(zhuǎn)。所有輥?zhàn)友剌炤S向方向形成的包絡(luò)面為一個(gè)圓柱面，因此其投影構(gòu)成一個(gè)圓，圓心為o點(diǎn)。麥克納姆輪包絡(luò)面的半徑為R，單個(gè)小輥?zhàn)觾蓚€(gè)端面的圓心為A點(diǎn)和B點(diǎn)，在投影面上的投影分別為m點(diǎn)和m’點(diǎn)，m點(diǎn)和m’點(diǎn)之間的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角為θ，β角為θ的一半，弧pp′為輥?zhàn)油鈬喞€投影，如圖2、3所示。

圖2 輥?zhàn)友佧溈思{姆輪軸向方向投影

為了保證全向移動(dòng)平臺(tái)在工作中承受較重的載荷，同時(shí)為確保運(yùn)動(dòng)的連貫穩(wěn)定性，需要保證任意時(shí)刻每個(gè)麥克納姆輪至少有兩個(gè)小輥?zhàn)雍偷孛娼佑|[2]。因此，相臨兩個(gè)小輥?zhàn)拥耐队按嬖谝欢ǖ闹睾希瑢?duì)應(yīng)的角度為重合角θ′。

令麥克納姆輪中小輥?zhàn)拥目倲?shù)為n，小輥?zhàn)拥拈L(zhǎng)度為L(zhǎng)AB,小輥?zhàn)拥淖钚“霃綖閍，小輥?zhàn)拥闹睾隙葹镋，輥?zhàn)虞S線與麥克納姆輪軸線的空間夾角為η（一般取45°）?？梢酝瞥鋈缦鹿剑?/p>

圖3 相鄰輥?zhàn)友佧溈思{姆輪軸向方向投影

如圖4所示，為了防止正常工作時(shí)輥?zhàn)又g發(fā)生干涉，相鄰兩個(gè)輥?zhàn)又g須存在一定的安全間隙，因此要求LGH ＞2LGE，所以可推導(dǎo)：

圖4 相鄰兩個(gè)輥?zhàn)又g的安全間隙

得到n＜9，由于n通常情況下取能被360°整除的整數(shù)，如8,9,10,12,15等。所以取n=8。所以設(shè)計(jì)的重載全向輪半徑輥?zhàn)釉谌蜉嗇S線方向投影中對(duì)應(yīng)的中心角θ為46°，經(jīng)過計(jì)算和比對(duì)，小輥?zhàn)觽€(gè)數(shù)為8個(gè)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)形式研究[1]

為滿足水泵電機(jī)運(yùn)輸轉(zhuǎn)場(chǎng)功能，四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式，保證X-Y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)形式均采用萬向輪來實(shí)現(xiàn)。萬向輪通常采用聚氨酯輪，通過兩輪差動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向功能，能夠?qū)崿F(xiàn)前、后、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)功能，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，目前廣泛應(yīng)用于汽車、電子、物流等行業(yè)。但由于其運(yùn)動(dòng)靈活性不夠，無法全向平移，效率較低、復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)困難，調(diào)整精度差，有一定的運(yùn)動(dòng)局限性，在很多場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制，無法滿足水泵電機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)空間局限性。

四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)由4 套獨(dú)立的單套多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)、連接機(jī)構(gòu)、緊固件等組成。其最大優(yōu)點(diǎn)在于其卓越的運(yùn)動(dòng)靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的全向移動(dòng)，且不同運(yùn)動(dòng)方式之間的轉(zhuǎn)換迅速，非常適用于零部件、設(shè)備的轉(zhuǎn)運(yùn)工作，尤其是在運(yùn)動(dòng)空間要求較高（運(yùn)行通道空間狹窄）的場(chǎng)合具有出色的表現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)類設(shè)備安全轉(zhuǎn)場(chǎng)等。

3.2 四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)轉(zhuǎn)場(chǎng)安全防護(hù)研究

安全防護(hù)系統(tǒng)是四車聯(lián)動(dòng)多用途重載全向轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)上不可或缺的組成部分，為確保轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)工作滿足核電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全性要求，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)安全防護(hù)系統(tǒng)擬采用智能化激光避障系統(tǒng)、防撞式安全觸邊及傳統(tǒng)的急停開關(guān)、聲光報(bào)警組合方式，在轉(zhuǎn)運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)空間局限，移動(dòng)盲區(qū)較多的情況下，可確保設(shè)備安全工作。在非正常情況下可以通過操作急停按鈕使電機(jī)立即斷電，讓車體緊急停車，保障現(xiàn)場(chǎng)人員及待轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的安全。

4 結(jié)語

以某核電站檢修電機(jī)設(shè)備為依托，結(jié)合以往水泵電機(jī)維修轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)慕?jīng)驗(yàn)，針對(duì)核電站多批次不同規(guī)格電機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)工況開展研究，通過對(duì)電機(jī)設(shè)備工藝的分析研究，研制一套用于水泵電機(jī)類轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)膶Ｓ迷O(shè)備。其目的是建立一套以安全、質(zhì)量保證為核心的電機(jī)維修標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，指導(dǎo)核電站維修工程的順利建造，確保其安全、可靠運(yùn)行，為核電站后續(xù)的運(yùn)行、維護(hù)做好技術(shù)儲(chǔ)備。