一种自动调平吊具设计

一种自动调平吊具设计

焦晓飞;马广亮;邵健帅

【摘要】By analyzing the difficulty in adjusting the levelness of traditional horizontal slings when lifting products, an automatic leveling sling is designed.The sling uses a certain control strategy to realize automatic leveling during the lifting of the lifted object by additionally installing electric control and execution elements such as a balance sensor, a PLC controller, a leveling motor, a turnover motor and the like, greatly saving leveling time.According to the load-bearing requirements of the sling, type selection calculations of key executive components are carried out.The stiffness and strength of the sling framework are calculated and analyzed by using ABAQUS finite element software to make sure that the sling can still meet the safety requirements under the maximum load-bearing conditions.%通过分析传统水平吊具起吊产品时水平度调节困难问题,设计了一款自动调平吊具.该吊具通过加装平衡传感器、PLC控制器、调平电机、翻转电机等电气控制及执行元件,运用一定的控制策略实现被吊物起吊过程中的自动调平,极大地节省了调平时间.根据吊具的承载要求对关键执行元器件进行了选型计算,基于ABAQUS有限元软件对吊具骨架进行了刚强度计算分析,确保吊具在最大承载工况下仍满足安全性要求.

【期刊名称】《起重运输机械》

【年(卷),期】2019(000)005

【总页数】5页(P111-115)

【关键词】自动平衡吊具;选型计算;有限元仿真

【作者】焦晓飞;马广亮;邵健帅

【作者单位】北京航天发射技术研究所北京 100076;北京航天发射技术研究所北京 100076;北京航天发射技术研究所北京 100076

【正文语种】中文

【中图分类】U653.929

0 引言

吊具在我国工业领域有着十分广泛的应用，从钢铁冶炼、港口集装箱吊装、汽车生产、桥梁安装，到航空航天、武器型号的野外吊装等，都需要使用专用吊装设备。随着我国科学技术水平的不断提高，尤其是航空航天等高端领域，对产品起吊后的水平度要求越来越高，用于产品在水平状态下的精准对接。

目前我国各行业所使用的水平吊具大多仍采用纯机械结构形式（见图 1）。起吊后产品的水平度主要通过多次试起吊产品过程中增加或减少斜拉吊带长度来调节。起吊过程为：试吊装—产品歪斜—下放产品—根据歪斜情况调整吊带长度（如增加卸扣）—再次起吊，如此循环直至产品起吊后满足水平度要求，起吊流程如图 2所示。

图 1 传统纯机械水平吊具

根据上述吊装方式，在被吊物质心位置不明确的情况下，被吊物的每次调平均耗时耗力，并且通过卸扣调节吊带长度无法实现无级调节，无法保证产品达到较高精度的水平度要求。

图 2 传统水平吊具调平手动流程

自动调平类吊具目前已经有部分企业和高校进行了研究，巨力索具股份有限公司研制了一款液压调节的自平衡梁式吊具，该吊具通过增加液压和电气控制，将吊点变为可调节式吊点，解决了由于产品质心位置导致的起吊不平衡问题[1]；钟生贵[2]

设计了一款自平衡旋转集装箱吊具，该吊具通过对原有集装箱吊具进行改进，增加水平及垂直方向自动调节电机，加装称重、测偏载报警装置等措施实现集装箱起吊的调平及防摇摆；刘超[3]设计了一款基于嵌入式系统的自平衡吊具，吊具在基于

微处理器系统的自平衡控制器控制下完成起吊过程中快速调平；程梦子[4]设计了

一款三卡爪同步伸缩自动调心吊具，用于实现核废料固化桶的可靠卡紧与松开。

本文总结以往水平吊具质心调节过程中费时费力的问题，设计了一种基于自动控制的电驱动调平吊具，可实现被吊物在起吊过程中的自动调平。

1 自动调平吊具整体方案及控制策略

1.1 整体方案

如图 3所示，自动调平吊具结构主要由吊耳、控制柜、梯形丝杆、轴承、主梁、

支架、调平电机、翻转电机、链轮、链条等结构组成。其中吊耳用于连接厂房吊钩，可适应不同规格的吊钩尺寸，调平电机可通过梯形丝杆调节吊耳位置实现被吊物沿主梁方向的水平度，翻转电机通过驱动齿轮，带动与之配合的链条实现被吊产品的滚转调节，两电机配合实现产品的调平操作。

1.2 调平策略

自动调平吊具坐标方向定义如图 4所示，在吊具主梁上安装平衡传感器，传感器

将吊具倾斜数据反馈给控制柜里的PLC控制器，控制器通过调平算法控制电机转动，实现吊具调平。

图 3 自动调平吊具结构示意图

当被吊物起吊过程中在x方向上出现滚转时，调平电机带动梯形丝杆传动调节吊

耳位置，使吊耳位于被吊物与吊具整体质心的正上方，实现吊具在x方向上的调

平。当被吊物在y方向出现俯仰时，翻转电机通过传动轴同时带动两侧的链轮转动，链轮带动链条传动，通过调节链条前后的长度来实现被吊物在y方向的调平。图 4 自动调平吊具坐标方向示意

吊具设置了手动控制和自动控制两种调平控制策略，用户可根据自身需要进行切换。手动控制模式：用户可通过遥控器手动调节调平电机和翻转电机将被吊物调节至水平状态，但其水平调节精度因人而异，不好控制。

自动控制模式：在吊具起吊被吊物的过程中，由安装在吊具上的平衡传感器自动检测吊具的水平程度，控制调平电机和翻转电机将被吊物调节至预先设定好的水平度，这种调节方式精度较高，可用于起吊航空航天领域中需要精准控制起吊水平度的产品。

调平电机和翻转电机均采用电机+减速器+变频器一体化设计，在满足输出扭矩的

同时可实现无极调速。调平电机输出的线速度为0～1 m/min，翻转电机的翻转速度为0～7.8 r/min。吊具控制方式兼具线控和无线遥控两种模式。

2 吊具关键元器件选型计算

本文设计吊具额定载荷1.5 t，因此所有元器件选型计算均按照额定载荷进行。

2.1 调平电机选型计算

调平电机通过调节吊耳的位置来实现被吊物在x方向的水平度调节，电机转速通

过变频器调节，吊耳可在丝杆上以0～1 m/min速度内实现无级调节，调平电机

选用SEW防爆电机。

按照吊具偏斜角度时进行计算，则丝杆所承受的轴向力

式中：F1为丝杆所承受的轴向力；m为吊具与被吊物质量之和，m=

（1500+600）kg=2100 kg；μ为摩擦系数，取。

计算可得：F1=5600 N。