关于岸电电缆输送设备的结构设计概述

张涛

摘 要 本文旨在研究开发一种与民用船舶配套的，集岸电电缆、电缆绞车及电缆输送机构于一体的低压岸电电缆输送设备，既满足船舶充足电力的需求，又可以实现岸电电缆的快速输送。

关键词 岸电电缆输送设备;升降机构;旋转机构

1装置的总体方案的分析与确定

1.1 概述

从创新性、实用性的角度出发，以理论分析、具体设计和实验证明相结合的方法，来研制设计电缆输送装置的机械结构和控制系统。机械结构设计，将进行电缆输送装置的基本机构设计，这主要是为实现输送储存功能创造较好的结构条件。在机构设计上需要完成以下工作：电缆输送装置的升降结构设计、用于为了使岸电电缆向船体的靠近，具备倾斜功能结构的设计，具备调节自身与船体相对位置的能力的旋转结构设计和电缆输送机构到达预设位置后，该设备需具备后续输送电缆的功能，以及自锁功能的实现。装置运行所需的驱动和传动结构设计以及其他相关配套部分的结构设计等。

1.2 输送装置的升降类型选择

升降台是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降平台上往往还装有各种平面输送设备， 作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降台[1]。广泛应用于高空的安装、维修等作业。在实际作业过程中有如下几种类型的升降结构：

（1）固定式：是一种升降稳定好，适用范围广的货物举升设备主要用于生产流水线高度差之间货物运送。物料上线、下线;工件装配时调节工件高度;高处给料机送料;大型设备装配时部件举机;大型机床上料、下料;仓储装卸场所与叉车等搬运车配套进行货物快速装卸等。根据使用要求，可配置附属装置，进行任意组合，如固定式升降平台的安全防护装置;固定式升降平台的可选配置有人工液压动力、方便与周边设施塔接的活动翻板、滚动或机动辊道、防止扎脚的安全触条、风琴式安全防护罩、人动或机动旋转工作台、液压翻转工作台、防止升降平台下落的安全支撑杆、不锈钢安全护网、电动或液压升降平台行走动力系统、方向滚珠台面。

（2）车载式：车载式升降平台是为提高升降平台的机动性，将平台固定在电瓶搬运车或货车上，它接取汽车引擎动力，实现车载式升降平台的升降功能。以适应厂区内外的高空作业。 广泛应用于宾馆、大厦、机场、车站、体育场、车间、仓库等场所的高空作业;也可作为临时性的高空照明、广告宣传等。

（3）液压式：液压升降平台广泛用于汽车、集装箱、模具制造，木材加工，化工灌装等各类工业企业流水线，满足不同作业高度的升降需求，同时可配装各类台面形式（如滚珠、滚筒、转盘），配合各种控制方式（分动、联动、防爆），具有升降平稳准确、频繁启动、载重量大等特点，有效解决工业企业中各类升降作业难点。

（4）曲臂式：曲臂式高空作业平台能悬伸作业、跨越一定的障碍或在一处升降可进行多点作业;平台载重量大，可供两人或多人同时作业并可搭载一定的设备;可以旋转 360°，具有一定的作业半径;升降平台移动性好，转移场地方便;外形美观，适于室内外作业和存放。

1.3 输送装置的旋转类型选择

（1）连杆机构：连杆机构构件运动形式多样，如可实现转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动，从而可用于实现已知运动规律和已知轨迹。随着连杆机构设计方法的发展， 电子計算机的普及应用以及有关设计软件的开发，连杆机构的设计速度和设计精度有了较大的提高，而且在满足运动学要求的同时，还可考虑到动力学特性[2]。尤其是微电子技术及自动控制技术的引入，多自由度连杆机构的采用，使连杆机构的结构和设计大为简化，使用范围更为广泛。

（2）平面铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式，其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。选定其中一个构件作为机架之后，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动，则称之为整转副，反之称之为摆转副。铰链四杆机构中，按照连架杆是否可以做整周转动，可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构。

（3）蜗轮蜗杆机构：常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。

1.4 方案的确定

该岸电电缆输送装置可实现岸电低压上船，主要包括：将电缆绞车安装在岸上，既不需要对船舶加装、改造，又突破了传统低压上船位置的局限性。加之设计了电缆输送机构，当到达预定位置时仍可继续输送电缆，无须人为拖拽电缆，大大降低工人劳动强度，减少人力物力的消耗。该设备还具有如下特点：

（1）可升降：由于该产品上方可能有行车经过，该设备需具备升降功能，

必要时收缩让行。且当该产品不进行作业时，可完全收缩，占用空间小，不影响其他作业的进行;

（2）可倾斜：为了使岸电电缆向船体靠近，且不能船向伸长太多，否则会影响船舶靠岸，故该设备伸长后需具备倾斜功能。且该设备可以根据船舶停靠位置不同，控制其倾斜不同的角度，既可以实现向船体的靠近，又不会装到船体。

（3）可旋转：由于船舶停靠位置的不确定性，该设备需具备调节自身与船体相对位置的能力，以保证岸电电缆的准确输送。该设备可以实现±30°的旋转，从而避免由于船舶停靠位置不同而作业困难的问题。

（4）可输送电缆：当电缆输送机构到达预设位置后，此时电缆伸出长度未必足够，升降装置上设有输送装置，该输送装置可进一步实现岸电电缆输送固定长度，以保证岸电电缆与船舱内的快速插座连接。

（5）可实现多电缆输送：由于岸电低压上船有时需要多根电缆同时上船，该设备可以同时实现多电缆的输送，无须再逐一进行吊装，节省输送时间，提高工作效率。为实现以上各个功能的实现，选定升降机构为齿轮齿条传动，旋转机构选择蜗轮蜗杆传动，倾斜机构选择电动推杆来实现，而针对多电缆的输送采用摩擦轮的作用和多个弯头的作用来实现[3]。接下来将按如上的方案分析来详细介绍机构的工作原理，工作特点。

2装置机械结构设计

该岸电电缆输送装置可实现岸电低压上船，主要包括：将电缆绞车安装在岸上，既不需要对船舶加装、改造，又突破了传统低压上船位置的局限性。加之设计了电缆输送机构，当到达预定位置时仍可继续输送电缆，无须人为拖拽电缆，大大降低工人劳动强度，减少人力物力的消耗。

2.1 回转式减速器的设计

回转式减速器采用蜗轮蜗杆进行传动，是一种集成了驱动动力源的全周回转减速传动机构，它以回转支承作为传动从动件和机构附着件，通过在回转支承内外圈中的一个圈上附着主动件、驱动源和罩壳，而把另一个圈既当作传动从动件，又作为被驱动工作部件的连接基座，这样利用回转支承本身就是全周回转连接件的特点，高效配置驱动动力源和主传动零件，使之成为一种集回 转、减速和驱动功能于一体而同时又结构简单，制造和维护方便的通用型减速传动机构[4]。

2.2 倾斜机构的设计

电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作。通过改变杠杆力臂长度，可以增大或减小行程。主要有两种类型的传动，第一种是蜗轮蜗杆传动形式，电机齿轮上的蜗杆带动蜗轮转动，使蜗轮内的小丝杆做轴向移动，由连接板带动限位杆相应做轴向移动，至所需行程时，通过调节限位块压下行程开关断电，电动机停止运转（正反控制相同）。第二种是齿轮传动形式，电机通过减速齿轮后带动安装于内管的小丝杆，带动与之连接一起的做轴向运行螺母，至所设定的行程时螺母触角压住限位开关断开电源，电机停止运动（反向与之相同）。

2.3 电动推杆的主要结构

电动推杆由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导套、推杆、滑座、弹簧、外壳及涡轮、微动控制开关等组成。它是一种新型的电动执行机构，电动推杆主要由电机、推杆和控制装置等机构组成的一种新型直线执行机构，可以实现远距离控制、集中控制。电动推杆在一定范围行程内作往返运动，一般电动推杆标准行程在100～400mm之间，特殊行程也可根据不同应用条件要求设计定做[5]。

2.4 电动推杆倾斜受力分析

为实现推杆的倾斜功能，推杆与第一节爬梯的底端固定连接在一起，而第一节爬梯的底端一侧连接有圆角链，圆角链与回转式减速器的上表面固定连接，所以电动推杆在直线往上推动的时候，第一节爬梯的底端就绕着圆角链倾斜转动，从而实现倾斜功能。选用最大量程 60KN 的电动推杆，由上述分析可得，在回转式减速器上表面的所有爬梯及钢丝绳的总重力为 25.95KN，60KN 远大于 25.95KN，所以该推杆机构能够实现倾斜功能。

2.5 电缆输电升降的原理

本升降机可以实现岸电电缆竖直方向的提升，为保证升降装置的伸缩，采用齿轮齿条机构与钢丝绳相配合的方式实现。升降装置的提升原理是：升降装置第一层固定不动，当升降装置第二层受到齿轮齿条机构的作用向上运动，钢丝绳左侧一段相对边长，右侧一段相对变短，迫使第三层向上运动，从而实现升降装置的提升，相反即为升降装置的收缩原理。

而本设计升降框架采用四层爬梯结构，升降装置为 4 级，由下至上，每一级高度分别为 3m、2.9m、2.8m、3.2m（包括 0.4m的弯头），当升降装置完全伸展时，每级之间需留 0.3m 过渡段，故当升降装置完全伸展时可到達 11m，而当升降装置完全收缩时仅 3.5m。这四层爬梯底下一层为第一层，往上依次为第二层、第三层和第四层。其中第一层是与底下的回转式减速器相连接在一起。升降装置最下面一级为 80×60 方管，其余三级为 40×60 方管，材料均为普通钢，表面采用喷塑理。

2.6 多电缆输送装置结构的设计

（1）摩擦轮结构的原理

利用两个或两个以上互相压紧的轮子间的摩擦力传递动力和运动的机械传动。本电缆输送装置采用摩擦轮结构是由于其制造简单、运行平稳、噪声很小;过载时发生打滑，故能防止机器中重要的零件损坏;能无极的改变传动比的优点，虽然其传递效率低，但是针对低压岸电上船的输电装置来讲是不用考虑的问题。摩擦轮可以满足包含有一个弯头，弯头内部有三个输入电缆线的通道，当电缆输送机构到达预设位置后，此时电缆伸出长度未必足够，升降装置上设有输送装置，该输送装置可进一步实现岸电电缆输送固定长度，以保证岸电电缆与船舱内的快速插座连接，实现了多电缆输送的特点[6]。

（2）多电缆输送装置的工作过程

多电缆输送装置的工作过程，首先在未实行升降工作之前，先将电缆车上的3根电缆线依次从第一级爬梯底部穿过，然后将电缆线穿过第二级、第三级和第四级的顶部，最后穿过摩擦轮的中间位置，每一个摩擦轮旁边安装有控制电机。控制电机的作用是当爬梯升高的时候，控制电机就正转，同时电缆车开始放电缆线，电缆线就通过多电缆输送机构的弯头结构，在摩擦轮摩擦力的作用下，实现输送。当完成工作任务后，电缆车要将电缆线拉回转在电缆车上，这是电缆车开始反转，同时控制电机也开始反转，电缆线摩擦轮反转摩擦力的作用下，从多电缆输送机构弯头部分反向收回，第二级、第三级和第四级爬梯依次下降，当第二、三、四级爬梯依次到达底部位置，碰到行程限位开关时，触碰总控制开关，电机停止工作，电缆车也同时停止工作，从而实现了电缆车拉回电缆线的作用[7]。

参考文献

[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计（第六版）[M].北京高等教育出版社，1997.

[2] 杨汝清.现代机械设计——系统与结构[M]，上海科学技术文献出版社，2000.

[3] 南京工学院，西安交通大学.理论力学[M].北京：高等教育出版社，1986.

[4] 杨渝钦.控制电机（第二版）[M].北京：机械工业出版社，1998.

[5] 唐金松.简明机械设计手册（第二版）[M].上海科学技术出版社，2002，6.

[6] 李德群，肖祥芷.模具CAD_CAE_CAM的发展概况及趋势[J]，模具工业，2005（7）：9-12.

[7] 刘少达，我国塑料模具工业的现状及发展趋势[J].仲恺农业技术学院学报，2004，17（3）：66-71.