武曉民，侯朋飛，朱容萱，張嘉元，李濤

（中國(guó)人民解放軍 96881部隊(duì)，河南 洛陽 471002）

0 引言

重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝平臺(tái)主要針對(duì)柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)組、降濕機(jī)組等重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝受場(chǎng)地條件限制[1]，不適宜起重吊裝設(shè)備使用而研制。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)重型設(shè)備在狹小空間條件下的快速裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)、就位及找平找正，提高設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝自動(dòng)化程度，降低安全隱患，提高施工效率。

在工程建設(shè)中，柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)組、液壓防護(hù)門、橋式起重機(jī)、燃油罐等重型設(shè)備的轉(zhuǎn)運(yùn)和就位受作業(yè)場(chǎng)地條件限制，在狹小空間條件下傳統(tǒng)起重吊裝設(shè)備無法使用，例如柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)組、燃油罐的二次搬運(yùn)和就位，只能依靠滾杠滾、倒鏈拉、撬杠撬、方木墊等傳統(tǒng)施工手段進(jìn)行作業(yè)，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全隱患多，嚴(yán)重制約了工程施工進(jìn)度[2]。重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝平臺(tái)在不借助其它起重、運(yùn)輸設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)重型設(shè)備在狹小空間條件下的快速裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、就位及找平找正。能顯著提高施工效率和工程質(zhì)量,有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度和安全隱患。

本文研究確定了液壓泵站、油缸、行走機(jī)構(gòu)、全向輪、調(diào)整裝置、升降裝置及卡具的規(guī)格型號(hào)、連接方式、安裝形式等，同時(shí)完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的基于全向輪驅(qū)動(dòng)的重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝平臺(tái)采用框架式結(jié)構(gòu)，遙控操作，全向四輪驅(qū)動(dòng)，在4個(gè)車輪不同轉(zhuǎn)向和速度的配合下，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退、橫向平移、側(cè)向移動(dòng)、繞中心自轉(zhuǎn)、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向前進(jìn)等功能。平臺(tái)運(yùn)行平穩(wěn)，整體剛度高，升降操作靈活，節(jié)省就位和撤離操作時(shí)間。

1.1 設(shè)備組成

重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)由機(jī)架、升降動(dòng)力艙、行走動(dòng)力艙、擺動(dòng)升降臂、全向輪、液壓缸、吊具、操控設(shè)備、主被動(dòng)安全裝置等部件組成。

1）機(jī)架。

機(jī)架采用型鋼焊接而成，上部安裝有4只吊裝環(huán)，用于設(shè)備起吊與固定。

2）升降動(dòng)力艙。

機(jī)架兩側(cè)為升降動(dòng)力艙，艙內(nèi)集成安裝液壓動(dòng)力系統(tǒng)、電控板等，用于接收控制指令，控制擺動(dòng)升降臂動(dòng)作。

3）擺動(dòng)升降臂。

擺動(dòng)升降臂用于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)機(jī)架上下升降功能，與機(jī)架、液壓缸三者之間均采用鉸接連接，形成連桿機(jī)構(gòu)，通過液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)升降臂擺動(dòng)，完成平臺(tái)升降。

4）行走動(dòng)力艙。

行走動(dòng)力艙安裝于擺動(dòng)升降臂底部，艙內(nèi)集成安裝電池、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，信號(hào)接收板卡、運(yùn)動(dòng)控制板卡等，用于接收行走控制指令，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)定向行走。

5）全向輪。

全向輪安裝于行走動(dòng)力艙兩側(cè)，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。它主要由輪轂和具有特殊輪廓曲線的滾子組成，滾子均勻地分布在輪轂上，可以自由旋轉(zhuǎn)，它的軸線與輪轂軸線成45°角，所有滾子組成的外包絡(luò)線近似為一個(gè)圓，依靠4個(gè)機(jī)輪不同的方向和速度，使驅(qū)動(dòng)力最終合成在任何要求的方向上，從而保證平臺(tái)能夠平移至指定位置[3]。

6）主被動(dòng)安全裝置。

主被動(dòng)安全裝置包括急停按鈕、駐車制動(dòng)裝置、微型紅外防撞儀和防撞膠條等4部分，確保平臺(tái)在使用過程中周圍人員、平臺(tái)本身及墻面不受損傷。

1.2 平臺(tái)操作實(shí)施步驟

步驟一。液壓缸伸出，平臺(tái)以平時(shí)高度橫移至設(shè)備上方。

步驟二。液壓缸回收，平臺(tái)降低，通過吊具將設(shè)備安裝于機(jī)架。

步驟三。液壓缸伸出，機(jī)架起升將設(shè)備起吊至距地面約0.05～0.10 m，平臺(tái)行進(jìn)穿過限高2.0～2.8 m的門欄及過道，將設(shè)備運(yùn)往安裝基礎(chǔ)旁。

步驟四。平臺(tái)將設(shè)備運(yùn)至安裝基礎(chǔ)附近后，機(jī)架起升將設(shè)備起吊，使設(shè)備底面高于安裝基礎(chǔ)面0.05～0.08 m（安裝基礎(chǔ)標(biāo)高0.12 m）。

步驟五。平臺(tái)橫移，將設(shè)備運(yùn)至安裝基礎(chǔ)上方，機(jī)架下降，設(shè)備底部接觸到安裝基礎(chǔ)上平面時(shí)，微動(dòng)平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行找平、找正，最后將設(shè)備降落至安裝基礎(chǔ)。

步驟六。卸開設(shè)備吊具后，機(jī)架起升至橫梁下沿高于設(shè)備上沿后，平臺(tái)橫移離開，至此，完成設(shè)備安裝就位。

2 實(shí)現(xiàn)方式

2.1 多種行走功能的實(shí)現(xiàn)方式

全向輪包括輪轂和從動(dòng)輪，該輪轂的外周處均勻開設(shè)3個(gè)或3個(gè)以上的輪轂齒，每?jī)蓚€(gè)輪轂之間裝設(shè)有一個(gè)從動(dòng)輪，該從動(dòng)輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直。采用麥克納姆輪技術(shù)，四輪布局，實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，前行、后退、零半徑轉(zhuǎn)彎、斜行、橫行，特別擅長(zhǎng)在狹小空間運(yùn)動(dòng)。它主要由輪轂和具有特殊輪廓曲線的滾子組成，滾子均勻地分布在輪轂上，可以自由旋轉(zhuǎn)，它的軸線與輪轂軸線成45°角，所有滾子組成的外包絡(luò)線近似為一個(gè)圓（如圖7）。

全向輪能夠在許多不同的方向移動(dòng)，左右車輪的小光盤將全力推出，但也將極大地方便橫向滑動(dòng)，這是建立其完整驅(qū)動(dòng)器的方法，全向輪可以像一個(gè)正常的車輪或使用滾輪的錕側(cè)向滾動(dòng)。依靠4個(gè)機(jī)輪不同的方向和速度，使驅(qū)動(dòng)力最終合成在任何要求的方向上，從而可以保證平臺(tái)在最終合力矢量方向上能自由地移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)原理如圖8所示。

2.2 平臺(tái)升降功能的實(shí)現(xiàn)方式

采用連桿機(jī)構(gòu)，安裝有全向輪的支腿與機(jī)架鉸接連接，在支腿與機(jī)架側(cè)壁之間鉸接安裝液壓缸，通過液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)升降臂擺動(dòng)，完成平臺(tái)升降[4]。用于驅(qū)動(dòng)液壓缸的液壓系統(tǒng)集成安裝于平臺(tái)側(cè)壁的機(jī)箱內(nèi)，設(shè)置手動(dòng)及遙控兩種操作方式。

2.3 行走就位精度保證

每個(gè)輪子獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，獨(dú)立懸掛，根據(jù)國(guó)內(nèi)技術(shù)水平，采用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)全向輪，可使制動(dòng)時(shí)間小于1 s，加減速小于2 s，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)任意位置自鎖，運(yùn)行平穩(wěn)、精確。

2.4 遙控操作方式

操控方面采用遙控操作方式，開發(fā)定制專用運(yùn)動(dòng)控制板卡，運(yùn)動(dòng)控制板卡將傳來的控制信息轉(zhuǎn)化為相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)并依照核心算法程序解算結(jié)果調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)，向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制指令解碼成脈沖控制信號(hào)，通過編碼器和放大器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，全向輪做出相應(yīng)動(dòng)作。

2.5 設(shè)備安全性

設(shè)置急停按鈕和停車制動(dòng)裝置，并在平臺(tái)四周安裝物理防撞條和微型紅外防撞儀，防撞儀利用激光在空氣中傳播遇障礙物反射的原理，以激光發(fā)射/接收一體模塊組為接口部件，應(yīng)用單片技術(shù)計(jì)算激光波束在空氣中傳播的時(shí)間并處理成相應(yīng)的距離，當(dāng)達(dá)到警戒距離時(shí)，發(fā)出聲響警報(bào)，并能夠向運(yùn)動(dòng)控制板卡發(fā)出制動(dòng)控制信息，使平臺(tái)自動(dòng)剎車。

3 叉車輔助作業(yè)方式

本文設(shè)計(jì)采用組合式結(jié)構(gòu)，以叉車作動(dòng)力，通過液壓油缸驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降，實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速轉(zhuǎn)運(yùn)、就位及找平找正。使平臺(tái)安裝方便快捷，連接可靠，具有成本低、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

3.1 結(jié)構(gòu)組成

設(shè)計(jì)專用快速連接機(jī)構(gòu)和卡具，將平臺(tái)與重型設(shè)備快速可靠連接；通過特定設(shè)計(jì)升降裝置驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降實(shí)現(xiàn)設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)、快速裝卸、就位；通過多組特種油缸和調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)重型設(shè)備的找平找正[5]。

重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)由專用卡具、固定機(jī)架、升降機(jī)構(gòu)、牽引裝置、腳踏油泵等部件組成。

1）專用卡具。專用卡具主要針對(duì)重型設(shè)備底座常用槽鋼而設(shè)計(jì)，適用于不同型號(hào)設(shè)備底座的快速連接，拆裝方便，連接牢固。

2）固定機(jī)架。固定機(jī)架選用優(yōu)質(zhì)合金鋼加工，通過專用卡具與設(shè)備底座卡接連接，用于安裝升降機(jī)構(gòu)。

3）升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)由液壓缸、支撐臂和萬向輪組成。液壓缸用于驅(qū)動(dòng)支撐臂使萬向輪移動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備升降，液壓缸缸體中部設(shè)計(jì)有銷軸與固定機(jī)架鉸接連接；支撐臂通過銷軸安裝于固定機(jī)架，與活塞桿鉸接連接。

4）牽引裝置。牽引裝置卡接于專用卡具，與叉車硬性連接，借助叉車動(dòng)力對(duì)平臺(tái)進(jìn)行牽引或推動(dòng)。

5）腳踏油泵。腳踏油泵通過高壓軟管及快速接頭與液壓缸插接連接，高壓軟管為三通形式，以保證兩側(cè)油缸同步升降。

3.2 操作實(shí)施步驟

步驟一。通過專用卡具將固定機(jī)架、升降裝置安裝于設(shè)備底座，通過手動(dòng)油泵快速接頭、高壓軟管連接液壓缸，液壓缸推動(dòng)支撐臂擺動(dòng)使萬向輪支起，實(shí)現(xiàn)設(shè)備提升。

步驟二。利用叉車輔助動(dòng)力牽引或推動(dòng)，使設(shè)備進(jìn)入安裝位置，拆除牽引裝置，完成設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)。

步驟三。微調(diào)平臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行找正，通過腳踏油泵驅(qū)動(dòng)升降裝置將萬向輪收起，使設(shè)備精確降落至安裝基礎(chǔ)上方，拆除升降裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)備就位。

步驟四。通過多組超薄油缸和調(diào)整機(jī)構(gòu)，對(duì)設(shè)備進(jìn)一步找平，至此完成全部安裝過程。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)與解決途徑

3.3.1 專用卡具設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)備底座框架結(jié)構(gòu)常用型鋼及規(guī)格尺寸，設(shè)計(jì)成套專用卡具。使用時(shí)，將多個(gè)卡具與設(shè)備底座型鋼框架連接，相當(dāng)于讓設(shè)備長(zhǎng)出了“腳”。

3.3.2 行走功能設(shè)計(jì)

承載及行走方面選用8 in超重型合金芯尼龍萬向輪，單體承載能力為3 t，全向輪經(jīng)改造后在上方焊接支腿。

3.3.3 升降功能設(shè)計(jì)

升降功能采用由液壓缸參與的折疊機(jī)構(gòu)（即升降裝置）來實(shí)現(xiàn)，主要由液壓缸、定長(zhǎng)連桿、固定機(jī)架和棘輪式自鎖裝置組成，如圖12所示。升降裝置由油缸、支撐臂和萬向輪組成。油缸用于驅(qū)動(dòng)支撐臂使萬向輪移動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備升降，缸體中部設(shè)計(jì)有對(duì)稱銷軸與油缸座鉸接連接，支撐臂通過銷軸安裝于油缸座，與活塞桿鉸接連接。

圖1 液壓缸伸出

圖2 液壓缸回收

圖3 機(jī)架起升

圖4 設(shè)備起吊

圖5 平臺(tái)橫移

圖6 安裝就位

圖7 全向輪實(shí)物圖

圖8 四全向輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理示意圖

圖9 設(shè)備提升

圖10 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)

圖11 設(shè)備就位

圖12 升降裝置

4 性能參數(shù)與主要設(shè)備選型

電動(dòng)機(jī)功率為4×1500 W；最大移動(dòng)速度為0.5 m/s；續(xù)航時(shí)間（滿載）6 h；續(xù)航時(shí)間（空載）＞12 h；驅(qū)動(dòng)輪直徑為300 mm；待機(jī)時(shí)間為30 h；最大自轉(zhuǎn)速度為365(°)/s；加減速度時(shí)間＜2 s；爬坡角度＞8°；制動(dòng)時(shí)間＜1 s；充電器輸入220 V/15 A；充電方式為AC 220 V；控制方式為無線/有線（可選）；越障高度為10 mm；通信方式為藍(lán)牙；動(dòng)力方式為電動(dòng)；控制精度為±1 mm；供電方式為蓄電池/外接電纜；制動(dòng)方式為停車制動(dòng)、電動(dòng)機(jī)制動(dòng)；導(dǎo)航方式為人工控制；安全措施為距離感應(yīng)、急停開關(guān)。

5 結(jié)語

本文針對(duì)重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝平臺(tái)安裝受場(chǎng)地條件限制、不適宜起重吊裝設(shè)備等問題，研究設(shè)計(jì)了基于全向輪驅(qū)動(dòng)的重型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝平臺(tái)，確定了液壓泵站、油缸、行走機(jī)構(gòu)、全向輪、調(diào)整裝置、升降裝置及卡具的規(guī)格型號(hào)、連接方式、安裝形式等。設(shè)計(jì)平臺(tái)由機(jī)架、升降動(dòng)力艙、行走動(dòng)力艙、擺動(dòng)升降臂、全向輪、液壓缸、吊具、操控設(shè)備、主被動(dòng)安全裝置等部件構(gòu)成，同時(shí)完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。分析了平臺(tái)操作實(shí)施步驟，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)快速裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)、就位及找平找正，提高設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)安裝自動(dòng)化程度，降低安全隱患，提高施工效率。