一种自动型悬臂式密闭装车鹤管及其控制方法

摘要

本发明公开一种自动型悬臂式密闭装车鹤管及其控制方法。其鹤管包括控制系统、立柱、旋转机构组件、液相接口、内臂、外臂、提升机构组件、液相短接组件、多级垂管组件和密封装置，其中，旋转机构组件包括旋转接头、气动马达、蜗轮、蜗杆、安装支架和旋转编码器，蜗轮固定在旋转接头上，气动马达输出轴与蜗杆的一端连接，蜗杆另一端与旋转编码器输入轴连接，旋转编码器与安装支架连接，安装支架与旋转接头固定连接，蜗杆与蜗轮相互啮合控制器通过电磁阀控制气动马达。气动马达带动内、外臂转动，完成鹤管与罐车口的自动对位。本发明可以减少或替代人工操作，相应减少了由人员不关注和误操作带来的不安全因素，避免了人员从高处坠落等风险。

说明书

技术领域

本发明涉及流体装卸领域，具体涉及一种自动型悬臂式密闭装车鹤管及其控制方法。

背景技术

鹤管是一种多关节可旋转移动式液体或气体装车设备，其主要结构包括：立柱、内臂、中部弯管、外臂、垂管等，内臂与液相工艺管线配制旋转接头，内臂与中部弯管配置旋转接头，中部弯管与外臂配置旋转接头，外臂与垂管配置旋转接头。液体介质从现场工艺管线进入鹤管的内臂、中部弯管、外臂及垂管，最后进入槽车。

目前的鹤管工作时主要靠手动，即装车前操作人员用手抱着鹤管垂管从栈桥的鹤管收拢位置沿栈桥活动梯进到槽车上，将鹤管的垂管放到槽车口内，有密闭装车要求时将密封盖或密封帽盖住槽车口。然后再开泵、开阀进行装车作业，当装车完成后，手动提起垂管及密封盖，并手工使鹤管复位。这种鹤管为全手动操作，操作人员在栈桥和槽车之间搬运垂管增加了劳动强度，而且操作人员与垂管及罐车口近距离接触，增加了接触液体或气体介质可能性，特别是易燃易爆、有毒有害的化工品，增加了燃烧爆炸及中毒的风险；同时由于火车槽车或汽车槽车上面距地面大于3米，易造成高空坠落的安全隐患。

中国专利CN201920644108.2公开了“一种气动全自动鹤管”，其技术方案中采用了气缸和电动伸缩杆，利用控制器对气缸和电动伸缩杆进行控制，从而实现鹤管的气动自动化操作。但是该方案在鹤管上方设置的支撑结构及滑块装置，使得设备整体安装时需要的净高空间较大，而上装鹤管设备多安装于雨棚之下，这往往导致现场不具备安装该设备的条件。另外，该专利的鹤管不具备密闭装车功能，无法实现挥发性气体介质的密闭回收。

中国专利CN201520231845.1公开了“一种带自对位功能的多关节鹤管”，其技术方案中采用了伺服电机和定位传感器，利用控制系统对伺服电机进行控制，从而实现鹤管的自动化操作。但是其电机控制系统结构复杂、成本高，且位置感知单元安装在垂管上，和垂管同时运动，所能扫描到的范围受垂管运动路径的约束，从而影响自动对位的效率。

发明内容

针对以上现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种自动型悬臂式密闭装车鹤管及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明的鹤管采用的技术方案如下：

一种自动型悬臂式密闭装车鹤管，包括控制系统、立柱、旋转机构组件、液相接口、内臂、外臂、提升机构组件、液相短接组件、多级垂管组件和密封装置，内臂通过第一旋转机构组件与液相接口连接，内臂通过第二旋转机构组件与外臂连接，多级垂管组件的底部设置密封装置；所述外臂与液相短接组件连接，液相短接组件的上端与提升机构组件连接，其下端与多级垂管组件的上端连接；所述旋转机构组件包括旋转接头、第一气动马达、第一蜗轮、第一蜗杆、安装支架和旋转编码器，第一蜗轮固定在旋转接头上，第一气动马达输出轴与第一蜗杆的一端连接，第一蜗杆另一端与旋转编码器输入轴连接，旋转编码器与安装支架连接，安装支架与旋转接头固定连接，第一蜗杆与第一蜗轮相互啮合；所述控制系统包括电磁阀和控制器，控制器分别与电磁阀和旋转编码器连接；控制器通过电磁阀控制第一气动马达。

进一步地，所述提升机构组件包括第二气动马达、第二蜗轮、第二蜗杆、链轮和链条，第二气动马达与第二蜗杆连接，第二蜗杆与第二蜗轮相互啮合，链轮与第二蜗轮同轴连接，链条与链轮相互啮合；所述第二气动马达由控制器通过电磁阀控制。

进一步地，所述多级垂管组件包括外套管、内套管、多级液相垂管以及密封件，外套管固定在液相短接组件下端，内套管套装在外套管内部，多级液相垂管安装在内套管内，内套管下端固定密封装置；所述外套管的外壁下部设有接近开关，接近开关与控制器连接。

进一步地，所述密封装置上固定有感应装置，当密封装置向上运动靠近所述接近开关的时候，电信号反馈至控制器。

进一步地，所述内臂与立柱之间设置有复位接近开关，复位接近开关与控制器连接。

进一步地，所述控制器包括依次相连的检测单元、计算单元、控制单元和报警单元，检测单元用于检测鹤管作业中的参数或状态；计算单元用于计算检测单元的检测值与目标值的差值；控制单元用于输出控制信号；报警单元用于对异常情况进行报警。

进一步地，所述鹤管还包括位置探测单元，位置探测单元与控制器相连。

本发明利用上述一种自动型悬臂式密闭装车鹤管的控制方法，其步骤如下：根据罐车口的位置，控制系统驱动旋转机构组件中的第一气动马达，通过第一蜗轮和第一蜗杆分别带动鹤管内臂和外臂的左右摆动，同时旋转编码器记录摆动角度，并将信号反馈给控制系统，使得密封装置与罐车口实现自动对位。

本发明实现了一种可自动操作的密闭装车鹤管，具有以下优点：

(1)相比传统鹤管，本发明的装置在装车过程中不存在外臂上仰角、下俯动作，其结构紧凑，可大大减少安装净空的要求。

(2)垂管上设有锁紧密封装置，可实现密闭装车，其挥发性有机物排放小于80ppm，远低于国家标准及市面上的同类产品。

(3)本发明鹤管的转动对位采用气动马达，而非电机，其成本较低、维护方便，无需做防爆隔离以及铺设电缆，对于易挥发燃爆介质，更加安全可靠。

(4)垂管的提升采用链条提升机构，链轮转动缠绕链条，可避免卡滞，且链条强度高，耐磨不易断，大大降低了故障率。

(5)自动化程度高，可以减少或替代人工操作，从而相应减少了由人员不关注和误操作带来的不安全因素，避免了人员从高处坠落及燃爆、中毒的风险。不仅提高了装车效率，节约了人力成本，而且能对工作异常情况迅速响应，远远快于人工处理速度，提高了安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中鹤管的结构示意图。

图2为本发明实施例中旋转机构组件结构示意图。

图3为本发明实施例中提升机构、多级垂管及密封装置的结构示意图。

图4为本发明实施例中自动对位的原理示意图，(a)系统俯视图，(b)角度计算示意图。

具体实施方式

下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。

如图1所示，本实施例提供一种自动型密闭装车鹤管，主要包括鹤管控制柜1、立柱2、旋转机构组件3、复位接近开关4、液相接口5、内臂6、油气软管7、外臂8、提升机构组件9、液相短接组件10、多级垂管组件11、锁紧式密封盖板12。立柱2与现场基础固定，内臂6接口与液相管线连接，液相接口5通过旋转机构组件3与内臂6连接，内臂6可以沿液相管线水平旋转。内臂6通过另一旋转机构组件3与外臂8连接，外臂8可以沿内臂6水平旋转。外臂8与液相短接组件10连接，液相短接组件10采用三通结构，三端分别设置有法兰，侧面法兰与外臂8连接，上方法兰与提升机构9的下端连接，下方法兰与多级垂管组件11的上端连接，多级垂管组件11下方设置锁紧式密封盖板12。油气软管7的一端和内臂6上的气相管道法兰连接，一端和液相短接组件10上的气相法兰连接。复位接近开关4设置在内臂6与立柱2之间。

本实施例的旋转机构组件3为气动式的，如图2所示，具体包括旋转接头3.2、气动马达3.5、由蜗轮3.1和蜗杆3.4组成的传动机构组件，以及安装支架3.3、旋转编码器3.6，蜗轮3.1固定在旋转接头3.2上、所述气动马达3.5输出轴与蜗杆3.4的一端连接，蜗杆3.4另一端与旋转编码器3.6输入轴连接，旋转编码器3.6外壳体与蜗杆安装支架3.3连接，所述安装支架3.3与旋转接头3.1固定连接，蜗杆3.4与蜗轮3.1相互啮合。气动马达3.5通过蜗轮3.1和蜗杆3.4分别带动鹤管内臂6、外臂8左右摆动，同时旋转编码器3.6记录摆动位移，并将信号反馈给PLC控制器。

本实施例的提升机构组件9为气动式的，也可以采用电动或者液压式的。提升机构组件9的具体结构如图3所示，包括：气动马达9.2、蜗轮9.3、蜗杆9.1、链轮9.2、链条9.4、壳体9.5。蜗轮9.3、蜗杆9.1、链轮9.3安装在壳体9.5内，气动马达9.2安装在壳体9.5上并与蜗杆9.1连接，链轮9.2与蜗轮9.3同轴连接，链条9.4与链轮9.2啮合。气动马达9.2的输出轴带动蜗杆9.1运动，蜗杆9.1带动蜗轮9.3并带动链轮9.2运动，链轮9.2带动链条9.4上下运动。

多级垂管组件11包括外套管11.1、内套管11.2、多级液相垂管11.3以及密封件11.4，外套管11.1固定在液相短接组件10下方，内套管11.2套装在外套管11.1内部，多级液相垂管11.3安装在内套管11.2内，各级液相垂管之间以及外套管11.1与内套管11.2之间均设置密封圈11.4，外套管11.1竖直方向相对固定，内套管11.2可以在外套管11.1内上下滑动，内套管11.2下端固定锁紧式密封盖板12，升降行程满足槽车的高度要求。多级液相垂管11.3中，直径最小的直管段安装在液相短接组件10上，在竖直方向相对固定，其余管段按直径大小依次套装，在管端可设置挡环及导向环，保证升降导向顺畅。最外端液相垂管降到槽车底部，在最外端液相垂管下方设置分流口，使油品向沿径向流入槽车，减少对槽车底部的冲击。分流口内部与链条9.4连接，当提升机构组件9带动链条9.4提升时，链条9.4带动分流口向上提升，分流口依次托住多级液相垂管11.3、内套管11.2、密封盖板12向上提升动位。下降时，提升机构组件9及链轮9.2反方向旋转，多级液相垂管11.3依靠自重下降到位。接近开关13固定在外套管11.1外壁的下部，锁紧式密封盖板12上固定有感应板或杆，当锁紧式密封盖板12向上运动时，其上的感应板或杆同步运动，当靠近接近开关13的时候，电信号反馈至PLC控制器，控制提升机构组件9自动停止运行。

锁紧式密封盖板12包括锁紧气缸12.1、球轴承组件12.2、盖板筒体12.3、密封橡胶垫12.4和机械锁紧机构。机械锁紧机构包括内锁紧杆12.7、外导向套12.6、台阶式锁紧板12.8和导向销12.5，其中，外导向套12.6上部设置由直槽和螺旋槽构成的导向槽，内锁紧杆12.7与台阶式锁紧板12.8固定连接，内锁紧杆12.7上设有导向销12.5，内锁紧杆12.7套装在外导向套12.6内，导向销12.5位于导向槽内。锁紧气缸12.1缸体与盖板筒体12.3连接，气缸的活塞杆与内锁紧杆12.7连接，外导向套12.6与盖板筒体12.3连接，密封橡胶垫12.4安装在盖板筒体12.3上。锁紧气缸12.1上升时活塞杆驱动内锁紧杆12.7上升，内锁紧杆上的导向销12.5与外导向套12.6的导向槽配合，当内锁紧杆12.7上提时，导向销12.5沿螺旋槽旋转上升，台阶锁紧板12.8从盖板筒体12.3内伸出，当导向销12.5进入直槽后，台阶式锁紧板12.8竖直向上提升锁紧罐车口。球轴承组件12.2用于实现一定角度的摆动，来调整盖板筒体12.3的方向。

鹤管控制系统包括PLC控制器和电磁阀，还可以包括位置探测单元，PLC控制器分别与电磁阀、位置探测单元、旋转编码器3.6、接近开关13、复位接近开关4连接。接近开关13用于发送鹤臂回收到中位信号及垂管上升到顶部发送信号，鹤管左右摆动到最大角度设置边界保护。PLC控制器通过气动防爆电磁换向阀实现对气动马达3.5、气动马达9.2、锁紧气缸12.1的启停、换向。PLC控制器包括检测单元(输入)、计算单元、控制单元(输出)和报警单元。系统中可采用多种传感器，用来检测系统作业中的各种参数和状态。如：温度、压力、液位、静电、编码器、接近开关、位置探测、空气浓度检测等，传感器与PLC控制器连接，并根据实际的需要可改变或增减。PLC控制器的计算单元根据传感器的信号，计算当前值与目标值的差值，控制电磁阀门的动作驱动气动马达推动摆臂动作，实现当前值逼近目标值直至相同。控制系统在工作过程中同时实时监测作业现场安全状态，按既定的逻辑进行连锁控制。若有异常发生，立即按预定方案处置(自动停车，报警，锁定等)，使现场设备转入安全状态，待异常处理后，安全条件满足作业要求后，可继续自动工作，直至作业完成。

操作人员可以通过远程或在现场栈桥上通过控制柜1的键盘或手持式遥控器控制鹤管自动对位装车，不需要接触鹤管，不需要人工抱着垂管往返栈桥与槽车，同时与垂管及槽车口保持适当的距离。本实施例列举一种鹤管的运行方式：

鹤管安装在栈桥中间，分别装左右两侧槽车，槽车已停在鹤管的装车范围内，控制器电源开启，气动控制系统气源开启，压力正常，操作人员通过远程键盘或触摸屏或站在栈桥通过遥控器，按下右对位按键，鹤管内外臂自动向右运行，与罐车口进行对位，保证密封盖板筒体12.3能进入槽车口；当对位完成后，多级液相垂管11.3带动密封装置随垂管一起下降，密封盖板橡胶垫12.4与罐车口接触，继续自动下降垂管，当垂管下降到位后，提升机构组件9的进气阀自动关闭，垂管停止下降，鹤管密封盖板12自动锁紧罐车口，打开油气管线阀门，打开液相装车阀门，开始装车，灌装时监控现场作业和安全状态，对现场的动作进行连锁控制。如由异常即发出报警，并按规定的程序进行处置。装车结束，关闭液相阀，关闭油气阀门。如果接下来装左侧槽车，则通过键盘或遥控器输入左对位按键，密封盖板12自动松开，多级液相垂管11.3自动提升，提升到位后，鹤管内外臂自动向左摆臂，到左侧与槽车口对位，装车程序与前述相同，装完车后，液相及油气回收阀门关闭，通过键盘或遥控器，操作回中位，鹤管内外臂运行到栈桥中间自动停止，安装在中位的复位接近开关4起到中位修正作用。回到中位后待用或关闭电源及气源结束装车。

本发明具体实现自动对位的方法例举如下：

①使用现场标记的刻度坐标系统(以立柱2的中心位置坐标作为原点，平台13的两个方向轴线为X轴和Y轴)，可人工地快速测量槽车14的罐口15的中心坐标，然后将坐标输入PCL控制器。如图4所示，由于罐口15的横坐标为：L

②若工作中，槽车14的罐口15的位置是相对固定的几个停放位置，则可以先调整内、外臂的角度，使密封装置与罐口15对位，然后记录罐口15的位置信息并存入PCL控制器。再次工作时，根据槽车14的实际停放位置，选定相应的罐口15位置信息，系统会自动控制内、外臂的旋转，使得鹤管运动到所选的相应的罐口15位置，即可实现对位。

③在鹤管装车范围的上方安装位置探测单元，PCL控制器发送信号给位置探测单元(摄像头平面网格化定位+图形识别技术或二维CCED扫描设备)，位置探测单元接到信号后开始扫描，根据画面的图位信号识别罐口15(具有固定尺寸的圆环)，再利用观测区域内的标定点(坐标固定的参考点)，计算出识别到的罐口15(圆环)的几何中心坐标，然后位置探测单元将该中心坐标值传送给控制器，控制器控制内外臂转动到罐口处，完成对位。该定位方式是固定的大范围内平面观测定位方法，具有准确、范围广、效率高的特点。其中，位置探测单元和控制器可通过通讯协议握手实现协同工作。

④在鹤管装车范围的上方安装位置探测单元，通过位置探测单元(如摄像头)同时观察鹤管的端头和罐口15位置，通过图像识别判定端头的移动方向(左转或右转)以及内外臂动作的先后和移动量，然后控制系统移动鹤管端头至罐口15的中心(在许可的范围以内)，使两者的位置在图像中重合，即完成定位。