關(guān)于岸電電纜輸送設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

張濤

摘 要 本文旨在研究開發(fā)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(jī)構(gòu)于一體的低壓岸電電纜輸送設(shè)備，既滿足船舶充足電力的需求，又可以實(shí)現(xiàn)岸電電纜的快速輸送。

關(guān)鍵詞 岸電電纜輸送設(shè)備;升降機(jī)構(gòu);旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

1裝置的總體方案的分析與確定

1.1 概述

從創(chuàng)新性、實(shí)用性的角度出發(fā)，以理論分析、具體設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)證明相結(jié)合的方法，來研制設(shè)計(jì)電纜輸送裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將進(jìn)行電纜輸送裝置的基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，這主要是為實(shí)現(xiàn)輸送儲(chǔ)存功能創(chuàng)造較好的結(jié)構(gòu)條件。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要完成以下工作：電纜輸送裝置的升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、用于為了使岸電電纜向船體的靠近，具備傾斜功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，具備調(diào)節(jié)自身與船體相對位置的能力的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電纜輸送機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，該設(shè)備需具備后續(xù)輸送電纜的功能，以及自鎖功能的實(shí)現(xiàn)。裝置運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其他相關(guān)配套部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

1.2 輸送裝置的升降類型選擇

升降臺(tái)是一種將人或者貨物升降到某一高度的升降設(shè)備。在工廠、自動(dòng)倉庫等物流系統(tǒng)中進(jìn)行垂直輸送時(shí)，升降平臺(tái)上往往還裝有各種平面輸送設(shè)備， 作為不同高度輸送線的連接裝置。一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，故稱液壓升降臺(tái)[1]。廣泛應(yīng)用于高空的安裝、維修等作業(yè)。在實(shí)際作業(yè)過程中有如下幾種類型的升降結(jié)構(gòu)：

（1）固定式：是一種升降穩(wěn)定好，適用范圍廣的貨物舉升設(shè)備主要用于生產(chǎn)流水線高度差之間貨物運(yùn)送。物料上線、下線;工件裝配時(shí)調(diào)節(jié)工件高度;高處給料機(jī)送料;大型設(shè)備裝配時(shí)部件舉機(jī);大型機(jī)床上料、下料;倉儲(chǔ)裝卸場所與叉車等搬運(yùn)車配套進(jìn)行貨物快速裝卸等。根據(jù)使用要求，可配置附屬裝置，進(jìn)行任意組合，如固定式升降平臺(tái)的安全防護(hù)裝置;固定式升降平臺(tái)的可選配置有人工液壓動(dòng)力、方便與周邊設(shè)施塔接的活動(dòng)翻板、滾動(dòng)或機(jī)動(dòng)輥道、防止扎腳的安全觸條、風(fēng)琴式安全防護(hù)罩、人動(dòng)或機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、液壓翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)、防止升降平臺(tái)下落的安全支撐桿、不銹鋼安全護(hù)網(wǎng)、電動(dòng)或液壓升降平臺(tái)行走動(dòng)力系統(tǒng)、方向滾珠臺(tái)面。

（2）車載式：車載式升降平臺(tái)是為提高升降平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性，將平臺(tái)固定在電瓶搬運(yùn)車或貨車上，它接取汽車引擎動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車載式升降平臺(tái)的升降功能。以適應(yīng)廠區(qū)內(nèi)外的高空作業(yè)。 廣泛應(yīng)用于賓館、大廈、機(jī)場、車站、體育場、車間、倉庫等場所的高空作業(yè);也可作為臨時(shí)性的高空照明、廣告宣傳等。

（3）液壓式：液壓升降平臺(tái)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(yè)企業(yè)流水線，滿足不同作業(yè)高度的升降需求，同時(shí)可配裝各類臺(tái)面形式（如滾珠、滾筒、轉(zhuǎn)盤），配合各種控制方式（分動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、防爆），具有升降平穩(wěn)準(zhǔn)確、頻繁啟動(dòng)、載重量大等特點(diǎn)，有效解決工業(yè)企業(yè)中各類升降作業(yè)難點(diǎn)。

（4）曲臂式：曲臂式高空作業(yè)平臺(tái)能懸伸作業(yè)、跨越一定的障礙或在一處升降可進(jìn)行多點(diǎn)作業(yè);平臺(tái)載重量大，可供兩人或多人同時(shí)作業(yè)并可搭載一定的設(shè)備;可以旋轉(zhuǎn) 360°，具有一定的作業(yè)半徑;升降平臺(tái)移動(dòng)性好，轉(zhuǎn)移場地方便;外形美觀，適于室內(nèi)外作業(yè)和存放。

1.3 輸送裝置的旋轉(zhuǎn)類型選擇

（1）連桿機(jī)構(gòu)：連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)形式多樣，如可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、移動(dòng)和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，從而可用于實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已知軌跡。隨著連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展， 電子計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用以及有關(guān)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)精度有了較大的提高，而且在滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的同時(shí)，還可考慮到動(dòng)力學(xué)特性[2]。尤其是微電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的引入，多自由度連桿機(jī)構(gòu)的采用，使連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)大為簡化，使用范圍更為廣泛。

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

（3）蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)：常用來傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸輪與蝸桿在其中間平面內(nèi)相當(dāng)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)低壓上船位置的局限性。加之設(shè)計(jì)了電纜輸送機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置時(shí)仍可繼續(xù)輸送電纜，無須人為拖拽電纜，大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人力物力的消耗。該設(shè)備還具有如下特點(diǎn)：

（1）可升降：由于該產(chǎn)品上方可能有行車經(jīng)過，該設(shè)備需具備升降功能，

必要時(shí)收縮讓行。且當(dāng)該產(chǎn)品不進(jìn)行作業(yè)時(shí)，可完全收縮，占用空間小，不影響其他作業(yè)的進(jìn)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(huì)影響船舶靠岸，故該設(shè)備伸長后需具備傾斜功能。且該設(shè)備可以根據(jù)船舶?？课恢貌煌刂破鋬A斜不同的角度，既可以實(shí)現(xiàn)向船體的靠近，又不會(huì)裝到船體。

（3）可旋轉(zhuǎn)：由于船舶?？课恢玫牟淮_定性，該設(shè)備需具備調(diào)節(jié)自身與船體相對位置的能力，以保證岸電電纜的準(zhǔn)確輸送。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)±30°的旋轉(zhuǎn)，從而避免由于船舶?？课恢貌煌鳂I(yè)困難的問題。

（4）可輸送電纜：當(dāng)電纜輸送機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，此時(shí)電纜伸出長度未必足夠，升降裝置上設(shè)有輸送裝置，該輸送裝置可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)岸電電纜輸送固定長度，以保證岸電電纜與船艙內(nèi)的快速插座連接。

（5）可實(shí)現(xiàn)多電纜輸送：由于岸電低壓上船有時(shí)需要多根電纜同時(shí)上船，該設(shè)備可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多電纜的輸送，無須再逐一進(jìn)行吊裝，節(jié)省輸送時(shí)間，提高工作效率。為實(shí)現(xiàn)以上各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，選定升降機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選擇蝸輪蝸桿傳動(dòng)，傾斜機(jī)構(gòu)選擇電動(dòng)推桿來實(shí)現(xiàn)，而針對多電纜的輸送采用摩擦輪的作用和多個(gè)彎頭的作用來實(shí)現(xiàn)[3]。接下來將按如上的方案分析來詳細(xì)介紹機(jī)構(gòu)的工作原理，工作特點(diǎn)。

2裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該岸電電纜輸送裝置可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)低壓上船位置的局限性。加之設(shè)計(jì)了電纜輸送機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置時(shí)仍可繼續(xù)輸送電纜，無須人為拖拽電纜，大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人力物力的消耗。

2.1 回轉(zhuǎn)式減速器的設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)式減速器采用蝸輪蝸桿進(jìn)行傳動(dòng)，是一種集成了驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的全周回轉(zhuǎn)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它以回轉(zhuǎn)支承作為傳動(dòng)從動(dòng)件和機(jī)構(gòu)附著件，通過在回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈中的一個(gè)圈上附著主動(dòng)件、驅(qū)動(dòng)源和罩殼，而把另一個(gè)圈既當(dāng)作傳動(dòng)從動(dòng)件，又作為被驅(qū)動(dòng)工作部件的連接基座，這樣利用回轉(zhuǎn)支承本身就是全周回轉(zhuǎn)連接件的特點(diǎn)，高效配置驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源和主傳動(dòng)零件，使之成為一種集回 轉(zhuǎn)、減速和驅(qū)動(dòng)功能于一體而同時(shí)又結(jié)構(gòu)簡單，制造和維護(hù)方便的通用型減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[4]。

2.2 傾斜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)一對絲桿螺母。把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)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(dòng)，第一種是蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式，電機(jī)齒輪上的蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使蝸輪內(nèi)的小絲桿做軸向移動(dòng)，由連接板帶動(dòng)限位桿相應(yīng)做軸向移動(dòng)，至所需行程時(shí)，通過調(diào)節(jié)限位塊壓下行程開關(guān)斷電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)（正反控制相同）。第二種是齒輪傳動(dòng)形式，電機(jī)通過減速齒輪后帶動(dòng)安裝于內(nèi)管的小絲桿，帶動(dòng)與之連接一起的做軸向運(yùn)行螺母，至所設(shè)定的行程時(shí)螺母觸角壓住限位開關(guān)斷開電源，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)（反向與之相同）。

2.3 電動(dòng)推桿的主要結(jié)構(gòu)

電動(dòng)推桿由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、螺桿、螺母、導(dǎo)套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動(dòng)控制開關(guān)等組成。它是一種新型的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)推桿主要由電機(jī)、推桿和控制裝置等機(jī)構(gòu)組成的一種新型直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制。電動(dòng)推桿在一定范圍行程內(nèi)作往返運(yùn)動(dòng)，一般電動(dòng)推桿標(biāo)準(zhǔn)行程在100～400mm之間，特殊行程也可根據(jù)不同應(yīng)用條件要求設(shè)計(jì)定做[5]。

2.4 電動(dòng)推桿傾斜受力分析

為實(shí)現(xiàn)推桿的傾斜功能，推桿與第一節(jié)爬梯的底端固定連接在一起，而第一節(jié)爬梯的底端一側(cè)連接有圓角鏈，圓角鏈與回轉(zhuǎn)式減速器的上表面固定連接，所以電動(dòng)推桿在直線往上推動(dòng)的時(shí)候，第一節(jié)爬梯的底端就繞著圓角鏈傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)傾斜功能。選用最大量程 60KN 的電動(dòng)推桿，由上述分析可得，在回轉(zhuǎn)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(yuǎn)大于 25.95KN，所以該推桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)傾斜功能。

2.5 電纜輸電升降的原理

本升降機(jī)可以實(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)與鋼絲繩相配合的方式實(shí)現(xiàn)。升降裝置的提升原理是：升降裝置第一層固定不動(dòng)，當(dāng)升降裝置第二層受到齒輪齒條機(jī)構(gòu)的作用向上運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩左側(cè)一段相對邊長，右側(cè)一段相對變短，迫使第三層向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)升降裝置的提升，相反即為升降裝置的收縮原理。

而本設(shè)計(jì)升降框架采用四層爬梯結(jié)構(gòu)，升降裝置為 4 級(jí)，由下至上，每一級(jí)高度分別為 3m、2.9m、2.8m、3.2m（包括 0.4m的彎頭），當(dāng)升降裝置完全伸展時(shí)，每級(jí)之間需留 0.3m 過渡段，故當(dāng)升降裝置完全伸展時(shí)可到達(dá) 11m，而當(dāng)升降裝置完全收縮時(shí)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(zhuǎn)式減速器相連接在一起。升降裝置最下面一級(jí)為 80×60 方管，其余三級(jí)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）摩擦輪結(jié)構(gòu)的原理

利用兩個(gè)或兩個(gè)以上互相壓緊的輪子間的摩擦力傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。本電纜輸送裝置采用摩擦輪結(jié)構(gòu)是由于其制造簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲很小;過載時(shí)發(fā)生打滑，故能防止機(jī)器中重要的零件損壞;能無極的改變傳動(dòng)比的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)彎頭，彎頭內(nèi)部有三個(gè)輸入電纜線的通道，當(dāng)電纜輸送機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，此時(shí)電纜伸出長度未必足夠，升降裝置上設(shè)有輸送裝置，該輸送裝置可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)岸電電纜輸送固定長度，以保證岸電電纜與船艙內(nèi)的快速插座連接，實(shí)現(xiàn)了多電纜輸送的特點(diǎn)[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(shí)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(jí)爬梯底部穿過，然后將電纜線穿過第二級(jí)、第三級(jí)和第四級(jí)的頂部，最后穿過摩擦輪的中間位置，每一個(gè)摩擦輪旁邊安裝有控制電機(jī)?？刂齐姍C(jī)的作用是當(dāng)爬梯升高的時(shí)候，控制電機(jī)就正轉(zhuǎn)，同時(shí)電纜車開始放電纜線，電纜線就通過多電纜輸送機(jī)構(gòu)的彎頭結(jié)構(gòu)，在摩擦輪摩擦力的作用下，實(shí)現(xiàn)輸送。當(dāng)完成工作任務(wù)后，電纜車要將電纜線拉回轉(zhuǎn)在電纜車上，這是電纜車開始反轉(zhuǎn)，同時(shí)控制電機(jī)也開始反轉(zhuǎn)，電纜線摩擦輪反轉(zhuǎn)摩擦力的作用下，從多電纜輸送機(jī)構(gòu)彎頭部分反向收回，第二級(jí)、第三級(jí)和第四級(jí)爬梯依次下降，當(dāng)?shù)诙?、三、四?jí)爬梯依次到達(dá)底部位置，碰到行程限位開關(guān)時(shí)，觸碰總控制開關(guān)，電機(jī)停止工作，電纜車也同時(shí)停止工作，從而實(shí)現(xiàn)了電纜車?yán)仉娎|線的作用[7]。

參考文獻(xiàn)

[1] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第六版）[M].北京高等教育出版社，1997.

[2] 楊汝清.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)——系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)[M]，上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2000.

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

[4] 楊渝欽.控制電機(jī)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[5] 唐金松.簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第二版）[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002，6.

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

[7] 劉少達(dá)，我國塑料模具工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，17（3）：66-71.