關于岸電電纜輸送設備的結構設計概述

張濤

摘 要 本文旨在研究開發一種與民用船舶配套的，集岸電電纜、電纜絞車及電纜輸送機構于一體的低壓岸電電纜輸送設備，既滿足船舶充足電力的需求，又可以實現岸電電纜的快速輸送。

關鍵詞 岸電電纜輸送設備;升降機構;旋轉機構

1裝置的總體方案的分析與確定

1.1 概述

從創新性、實用性的角度出發，以理論分析、具體設計和實驗證明相結合的方法，來研制設計電纜輸送裝置的機械結構和控制系統。機械結構設計，將進行電纜輸送裝置的基本機構設計，這主要是為實現輸送儲存功能創造較好的結構條件。在機構設計上需要完成以下工作：電纜輸送裝置的升降結構設計、用于為了使岸電電纜向船體的靠近，具備傾斜功能結構的設計，具備調節自身與船體相對位置的能力的旋轉結構設計和電纜輸送機構到達預設位置后，該設備需具備后續輸送電纜的功能，以及自鎖功能的實現。裝置運行所需的驅動和傳動結構設計以及其他相關配套部分的結構設計等。

1.2 輸送裝置的升降類型選擇

升降臺是一種將人或者貨物升降到某一高度的升降設備。在工廠、自動倉庫等物流系統中進行垂直輸送時，升降平臺上往往還裝有各種平面輸送設備， 作為不同高度輸送線的連接裝置。一般采用液壓驅動，故稱液壓升降臺[1]。廣泛應用于高空的安裝、維修等作業。在實際作業過程中有如下幾種類型的升降結構：

（1）固定式：是一種升降穩定好，適用范圍廣的貨物舉升設備主要用于生產流水線高度差之間貨物運送。物料上線、下線;工件裝配時調節工件高度;高處給料機送料;大型設備裝配時部件舉機;大型機床上料、下料;倉儲裝卸場所與叉車等搬運車配套進行貨物快速裝卸等。根據使用要求，可配置附屬裝置，進行任意組合，如固定式升降平臺的安全防護裝置;固定式升降平臺的可選配置有人工液壓動力、方便與周邊設施塔接的活動翻板、滾動或機動輥道、防止扎腳的安全觸條、風琴式安全防護罩、人動或機動旋轉工作臺、液壓翻轉工作臺、防止升降平臺下落的安全支撐桿、不銹鋼安全護網、電動或液壓升降平臺行走動力系統、方向滾珠臺面。

（2）車載式：車載式升降平臺是為提高升降平臺的機動性，將平臺固定在電瓶搬運車或貨車上，它接取汽車引擎動力，實現車載式升降平臺的升降功能。以適應廠區內外的高空作業。 廣泛應用于賓館、大廈、機場、車站、體育場、車間、倉庫等場所的高空作業;也可作為臨時性的高空照明、廣告宣傳等。

（3）液壓式：液壓升降平臺廣泛用于汽車、集裝箱、模具制造，木材加工，化工灌裝等各類工業企業流水線，滿足不同作業高度的升降需求，同時可配裝各類臺面形式（如滾珠、滾筒、轉盤），配合各種控制方式（分動、聯動、防爆），具有升降平穩準確、頻繁啟動、載重量大等特點，有效解決工業企業中各類升降作業難點。

（4）曲臂式：曲臂式高空作業平臺能懸伸作業、跨越一定的障礙或在一處升降可進行多點作業;平臺載重量大，可供兩人或多人同時作業并可搭載一定的設備;可以旋轉 360°，具有一定的作業半徑;升降平臺移動性好，轉移場地方便;外形美觀，適于室內外作業和存放。

1.3 輸送裝置的旋轉類型選擇

（1）連桿機構：連桿機構構件運動形式多樣，如可實現轉動、擺動、移動和平面或空間復雜運動，從而可用于實現已知運動規律和已知軌跡。隨著連桿機構設計方法的發展， 電子計算機的普及應用以及有關設計軟件的開發，連桿機構的設計速度和設計精度有了較大的提高，而且在滿足運動學要求的同時，還可考慮到動力學特性[2]。尤其是微電子技術及自動控制技術的引入，多自由度連桿機構的采用，使連桿機構的結構和設計大為簡化，使用范圍更為廣泛。

（2）平面鉸鏈四桿機構：所有運動副均為轉動副的四桿機構稱為鉸鏈四桿機構，它是平面四桿機構的基本形式，其他四桿機構都可以看成是在它的基礎上演化而來的。選定其中一個構件作為機架之后，直接與機架鏈接的構件稱為連架桿，不直接與機架連接的構件稱為連桿，能夠做整周回轉的構件被稱作曲柄，只能在某一角度范圍內往復擺動的構件稱為搖桿。如果以轉動副連接的兩個構件可以做整周相對轉動，則稱之為整轉副，反之稱之為擺轉副。鉸鏈四桿機構中，按照連架桿是否可以做整周轉動，可以將其分為三種基本形式，即曲柄搖桿機構，雙曲柄機構和雙搖桿機構。

（3）蝸輪蝸桿機構：常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力。蝸輪與蝸桿在其中間平面內相當于齒輪與齒條，蝸桿又與螺桿形狀相似。

1.4 方案的確定

該岸電電纜輸送裝置可實現岸電低壓上船，主要包括：將電纜絞車安裝在岸上，既不需要對船舶加裝、改造，又突破了傳統低壓上船位置的局限性。加之設計了電纜輸送機構，當到達預定位置時仍可繼續輸送電纜，無須人為拖拽電纜，大大降低工人勞動強度，減少人力物力的消耗。該設備還具有如下特點：

（1）可升降：由于該產品上方可能有行車經過，該設備需具備升降功能，

必要時收縮讓行。且當該產品不進行作業時，可完全收縮，占用空間小，不影響其他作業的進行;

（2）可傾斜：為了使岸電電纜向船體靠近，且不能船向伸長太多，否則會影響船舶靠岸，故該設備伸長后需具備傾斜功能。且該設備可以根據船舶停靠位置不同，控制其傾斜不同的角度，既可以實現向船體的靠近，又不會裝到船體。

（3）可旋轉：由于船舶停靠位置的不確定性，該設備需具備調節自身與船體相對位置的能力，以保證岸電電纜的準確輸送。該設備可以實現±30°的旋轉，從而避免由于船舶停靠位置不同而作業困難的問題。

（4）可輸送電纜：當電纜輸送機構到達預設位置后，此時電纜伸出長度未必足夠，升降裝置上設有輸送裝置，該輸送裝置可進一步實現岸電電纜輸送固定長度，以保證岸電電纜與船艙內的快速插座連接。

（5）可實現多電纜輸送：由于岸電低壓上船有時需要多根電纜同時上船，該設備可以同時實現多電纜的輸送，無須再逐一進行吊裝，節省輸送時間，提高工作效率。為實現以上各個功能的實現，選定升降機構為齒輪齒條傳動，旋轉機構選擇蝸輪蝸桿傳動，傾斜機構選擇電動推桿來實現，而針對多電纜的輸送采用摩擦輪的作用和多個彎頭的作用來實現[3]。接下來將按如上的方案分析來詳細介紹機構的工作原理，工作特點。

2裝置機械結構設計

該岸電電纜輸送裝置可實現岸電低壓上船，主要包括：將電纜絞車安裝在岸上，既不需要對船舶加裝、改造，又突破了傳統低壓上船位置的局限性。加之設計了電纜輸送機構，當到達預定位置時仍可繼續輸送電纜，無須人為拖拽電纜，大大降低工人勞動強度，減少人力物力的消耗。

2.1 回轉式減速器的設計

回轉式減速器采用蝸輪蝸桿進行傳動，是一種集成了驅動動力源的全周回轉減速傳動機構，它以回轉支承作為傳動從動件和機構附著件，通過在回轉支承內外圈中的一個圈上附著主動件、驅動源和罩殼，而把另一個圈既當作傳動從動件，又作為被驅動工作部件的連接基座，這樣利用回轉支承本身就是全周回轉連接件的特點，高效配置驅動動力源和主傳動零件，使之成為一種集回 轉、減速和驅動功能于一體而同時又結構簡單，制造和維護方便的通用型減速傳動機構[4]。

2.2 傾斜機構的設計

電動機經齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機的旋轉運動變成直線運動，利用電動機正反轉完成推桿動作。通過改變杠桿力臂長度，可以增大或減小行程。主要有兩種類型的傳動，第一種是蝸輪蝸桿傳動形式，電機齒輪上的蝸桿帶動蝸輪轉動，使蝸輪內的小絲桿做軸向移動，由連接板帶動限位桿相應做軸向移動，至所需行程時，通過調節限位塊壓下行程開關斷電，電動機停止運轉（正反控制相同）。第二種是齒輪傳動形式，電機通過減速齒輪后帶動安裝于內管的小絲桿，帶動與之連接一起的做軸向運行螺母，至所設定的行程時螺母觸角壓住限位開關斷開電源，電機停止運動（反向與之相同）。

2.3 電動推桿的主要結構

電動推桿由驅動電機、減速齒輪、螺桿、螺母、導套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動控制開關等組成。它是一種新型的電動執行機構，電動推桿主要由電機、推桿和控制裝置等機構組成的一種新型直線執行機構，可以實現遠距離控制、集中控制。電動推桿在一定范圍行程內作往返運動，一般電動推桿標準行程在100～400mm之間，特殊行程也可根據不同應用條件要求設計定做[5]。

2.4 電動推桿傾斜受力分析

為實現推桿的傾斜功能，推桿與第一節爬梯的底端固定連接在一起，而第一節爬梯的底端一側連接有圓角鏈，圓角鏈與回轉式減速器的上表面固定連接，所以電動推桿在直線往上推動的時候，第一節爬梯的底端就繞著圓角鏈傾斜轉動，從而實現傾斜功能。選用最大量程 60KN 的電動推桿，由上述分析可得，在回轉式減速器上表面的所有爬梯及鋼絲繩的總重力為 25.95KN，60KN 遠大于 25.95KN，所以該推桿機構能夠實現傾斜功能。

2.5 電纜輸電升降的原理

本升降機可以實現岸電電纜豎直方向的提升，為保證升降裝置的伸縮，采用齒輪齒條機構與鋼絲繩相配合的方式實現。升降裝置的提升原理是：升降裝置第一層固定不動，當升降裝置第二層受到齒輪齒條機構的作用向上運動，鋼絲繩左側一段相對邊長，右側一段相對變短，迫使第三層向上運動，從而實現升降裝置的提升，相反即為升降裝置的收縮原理。

而本設計升降框架采用四層爬梯結構，升降裝置為 4 級，由下至上，每一級高度分別為 3m、2.9m、2.8m、3.2m（包括 0.4m的彎頭），當升降裝置完全伸展時，每級之間需留 0.3m 過渡段，故當升降裝置完全伸展時可到達 11m，而當升降裝置完全收縮時僅 3.5m。這四層爬梯底下一層為第一層，往上依次為第二層、第三層和第四層。其中第一層是與底下的回轉式減速器相連接在一起。升降裝置最下面一級為 80×60 方管，其余三級為 40×60 方管，材料均為普通鋼，表面采用噴塑理。

2.6 多電纜輸送裝置結構的設計

（1）摩擦輪結構的原理

利用兩個或兩個以上互相壓緊的輪子間的摩擦力傳遞動力和運動的機械傳動。本電纜輸送裝置采用摩擦輪結構是由于其制造簡單、運行平穩、噪聲很小;過載時發生打滑，故能防止機器中重要的零件損壞;能無極的改變傳動比的優點，雖然其傳遞效率低，但是針對低壓岸電上船的輸電裝置來講是不用考慮的問題。摩擦輪可以滿足包含有一個彎頭，彎頭內部有三個輸入電纜線的通道，當電纜輸送機構到達預設位置后，此時電纜伸出長度未必足夠，升降裝置上設有輸送裝置，該輸送裝置可進一步實現岸電電纜輸送固定長度，以保證岸電電纜與船艙內的快速插座連接，實現了多電纜輸送的特點[6]。

（2）多電纜輸送裝置的工作過程

多電纜輸送裝置的工作過程，首先在未實行升降工作之前，先將電纜車上的3根電纜線依次從第一級爬梯底部穿過，然后將電纜線穿過第二級、第三級和第四級的頂部，最后穿過摩擦輪的中間位置，每一個摩擦輪旁邊安裝有控制電機。控制電機的作用是當爬梯升高的時候，控制電機就正轉，同時電纜車開始放電纜線，電纜線就通過多電纜輸送機構的彎頭結構，在摩擦輪摩擦力的作用下，實現輸送。當完成工作任務后，電纜車要將電纜線拉回轉在電纜車上，這是電纜車開始反轉，同時控制電機也開始反轉，電纜線摩擦輪反轉摩擦力的作用下，從多電纜輸送機構彎頭部分反向收回，第二級、第三級和第四級爬梯依次下降，當第二、三、四級爬梯依次到達底部位置，碰到行程限位開關時，觸碰總控制開關，電機停止工作，電纜車也同時停止工作，從而實現了電纜車拉回電纜線的作用[7]。

參考文獻

[1] 濮良貴，紀名剛.機械設計（第六版）[M].北京高等教育出版社，1997.

[2] 楊汝清.現代機械設計——系統與結構[M]，上海科學技術文獻出版社，2000.

[3] 南京工學院，西安交通大學.理論力學[M].北京：高等教育出版社，1986.

[4] 楊渝欽.控制電機（第二版）[M].北京：機械工業出版社，1998.

[5] 唐金松.簡明機械設計手冊（第二版）[M].上海科學技術出版社，2002，6.

[6] 李德群，肖祥芷.模具CAD_CAE_CAM的發展概況及趨勢[J]，模具工業，2005（7）：9-12.

[7] 劉少達，我國塑料模具工業的現狀及發展趨勢[J].仲愷農業技術學院學報，2004，17（3）：66-71.