一種新型高桿燈燈盤掛接裝置模型的設計與實驗研究

徐輝， 宋睿， 郭亮， 陳嘉文， 韓良

（東南大學機械工程學院，南京211189）

0 引言

高桿燈，一般是指15 m以上鋼制錐形燈桿和大功率組合式燈架構成的新型照明裝置。目前廣泛應用于機場車站、港口碼頭、城市廣場、高速公路等空曠而繁忙的公共場所，可實現大范圍的集中照明。

高桿燈由于燈桿直徑大、高度高，使得照明燈的維護保養工作非常困難，所以通常將照明燈安裝在一個可以升降的燈盤上，即構成可升降式高桿燈。其工作原理是，通過嵌在空心燈桿內的提升裝置牽引與燈盤連接的鋼絲，將燈盤上升至燈桿頂部，通過定位掛接裝置將燈盤懸掛于燈桿頂部的固定燈架上。先前較多的掛接裝置是依靠燈盤頂部三個“掛接點”進行固定，這存在一定弊端。燈盤升至頂端不一定是水平的，這可能導致燈盤有兩個部位對接上，另一個接觸點不受力。此種情況下，燈盤掛接并不安全，同時也會給維護帶來不便。

本課題完成了對一種新型高桿燈燈盤掛接裝置模型的設計。為了能夠指導后期高桿燈產品的設計制造，我們改變燈盤掛接裝置結構，設計出了相對安全的掛接裝置模型。在此基礎上，優化電極對接部分，使照明燈的供電在高桿燈頂部完成，簡化電線布置。整套模型，輔以單片機、傳感器等元件控制燈盤升降位置，使燈盤掛接順利、可靠。運用SolidWorks完成最初的三維結構建模，經過工程圖繪制、零件加工和裝配調試，最終得到實物模型。

1 高桿燈燈盤掛接裝置整體設計

根據實際高桿燈掛接裝置模型的組成部分，本套裝置也由燈盤提升機構、掛接與指示機構、電極對接部分和燈桿主體組成。如圖1為系統整體設計圖。高桿燈整體模型主體部分高700mm，燈桿內徑r1=45mm，外徑R1=50mm，燈盤半徑r2=380 mm。

該模型中，燈盤提升機構將燈盤沿著高桿燈燈桿提升至頂部，鋼纜臂導向桿進入鋼纜臂T型連接件；掛接機構中由直流減速電機驅動，通過絲杠螺母傳動將插銷推送到位，形成插銷-啞鈴式掛接；與此同時，指示機構動作，指示插銷是否運動到指定位置。導向桿進入連接件的同時，電極對接部分工作，可完成取電功能。

1.1 燈盤提升機構設計

燈盤提升機構的工作方式是，鋼纜繩主體部分位于燈桿內部，在燈桿頂部通過兩個滑輪過渡，穿過鋼纜臂T型連接件，端部鎖緊在燈盤上。考慮到實物模型的大小，結合其它方面因素，選用吊籃電機作為動力源。吊籃電機操作簡單，并且能夠通過改變鋼纜繩的纏繞方式調節電機的可提升重量。

1.2 燈盤掛接形式與結構設計

以往設計中，燈盤主要是通過一個類似伸縮式圓珠筆的機械結構掛接在燈桿頂部。這種方式下，三個掛接點掛接同步性較差，易出現兩個點掛接成功，而另一掛接點不受力或受力很小的情況，受力均衡性差。

現設計一種插銷-啞鈴式掛接方式，具體如圖2所示。當鋼纜臂導向桿進入鋼纜臂T型連接件的指定位置時，直流減速電機運轉，將插銷推送到位。此時，吊籃電機反轉使燈盤稍稍下落，啞鈴型的導向桿便下壓到插銷上，實現對鋼纜繩的卸載。因此，只要導向桿上升位置足夠插銷的插入，便可保證3個掛接部位掛接成功，大大提高了掛接可靠性。

整個燈盤部分采用45鋼，密度可取為ρ=7.85 g/cm3，通過軟件仿真得到燈盤架整體質量為m=42.1 kg，不妨按照m=50 kg進行校核。根據實際工作情況，假設整個燈盤重量平均分配給三個鋼纜臂導向桿來承受，即每個鋼纜臂導向桿上的拉力F=mg/3=50×9.8÷3=163.33 N。同時，假設壓力由4個材料為40Cr的M5螺栓平均承擔。查相關手冊，此種螺栓的許用抗拉強度［σb］=600 MPa。對螺栓進行強度校核，因此螺栓強度符合要求。

1.3 指示引導部分設計

采用上述插銷-啞鈴式掛接方式，只有在啞鈴掛接到位才能發揮其作用，為了保證準確到位，設計指示引導部分。這部分需要完成兩項位置控制工作，一是控制鋼纜臂導向桿到位，二是控制插銷運動到位，使用傳感器和機械結構進行控制。

1）傳感器精準檢測位置。如圖3，鋼纜臂與燈盤架連接處，架設兩個傳感器。一個檢測豎直方向的鋼絲臂導向桿（啞鈴）位置是否到位；另一個檢測推桿電機上的插銷位置是否到位。

2）機械指示機構。如圖4，設計一平行四邊形桿組機構，當掛接機構中直流減速電機驅動插銷運動的過程中，桿組機構發生拉伸，將工字型的指示桿頂起，引導插銷運動到位。

1.4 電極對接部分設計

對于高桿燈系統而言，照明燈的通取電是其重要的環節。本設計優化取電方式，電纜布在燈桿內部，利用彈簧提供的預緊力，燈盤架在吊籃電機作用下上升，電極兩端接觸之后，開始取電。電極對接采用鋼棒與觸片接觸方式。考慮到使用壽命要盡量長，燈盤架上觸片易更換，銅棒及觸片磨損，故將銅棒裝在不動的電纜臂上，銅棒頭部鍍金處理。另外，銅棒與觸片接觸的表面做網溝狀處理，以保證銅棒與觸片可靠接觸。

1.5 燈盤定位滾輪組設計

燈盤在鋼纜繩的牽引下沿燈桿上升，為了減小燈盤上升過程中的晃動，故設計定位滾輪組。滾輪用螺釘固連在實心軸上，實心軸與套筒形成間隙配合，用彈簧提供回復力，便構成一個定位裝置。實心軸的外徑d=20 mm，套筒的內徑D=21 mm，彈簧初始長度l=60 mm。

2 控制系統設計

2.1 傳感器的選擇

系統中需要使用到傳感器精確檢測位置，考慮到高桿燈實際工作環境是室外，工作環境惡劣。因此，選用的傳感器需要有較高的防護等級。選用傳感器的設計防護等級應為IP65，防水、防油、防灰塵。選用霍爾傳感器，并配合磁鋼使用。因霍爾傳感器具有許多優點，體積小，壽命長（非接觸式工作），安裝方便，頻率高，耐振動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

2.2 控制電路

控制系統是用單片機控制顯示霍爾傳感器狀態，精確檢測位置。為了能夠很好地完成傳感器信息與地面之間的傳輸，采用兩個單片機通過RS-485總線進行通訊。一個單片機位于地面控制器，另一個單片機隨著燈盤運動，最終升至燈桿頂部。燈盤STC89C52單片機的P2口（其中6個端子）與霍爾傳感器相連，用來讀取各個霍爾傳感器的狀態，地面STC89C52單片機的P2口與六個LED燈相連，其熄滅情況用來實時顯示相應傳感器的狀態，控制系統流程圖如圖5所示。

3 實物模型與試驗

根據實際工作需要，整套機構在掛接部分要求較高，需要保證導向桿能夠順利進入鋼纜臂T型架，并且插銷能夠順利推送到位。綜合上述的機械機構設計、控制電路設計，加上實驗設計的需要，我們搭建了高桿燈燈盤掛接裝置的實物模型，如圖6所示。

在實物模型的基礎上，進行相關的燈盤掛接試驗。通過多次試驗，整套裝置均能順利完成燈盤掛接工作。機械指示機構能夠在掛接完成后抬起，指示掛接的完成；霍爾傳感器在檢測到位置后，也能發出信號，通過單片機控制指示燈的點亮與熄滅。

4 結 語

本文設計了一套掛接和脫卸方便，電極對接可靠的燈盤掛接裝置模型。改變了以往的掛接方式和掛接裝置結構，可最大程度防止燈盤墜落，且易于燈盤的掛接和拆卸；單片機結合傳感器控制燈盤掛接的位置，保證掛接順利；改變取電方式，優化電極對接部分，簡化了電線布置。這種裝置模型的搭建，能夠給實際高桿燈產品的設計制作提供很好的依據。

［1］ 吳克堅，于曉紅，錢瑞明.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［2］ 萬福君，潘松峰，劉芳，等.MCS-51單片機原理、系統設計與應用［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］ 謝龍漢，莫衍.Proteus電子電路設計及仿真［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［4］ 許燕妮.淺談高桿燈安裝施工實踐［J］.城市建設理論研究：電子版，2012（11）：44-46.

［5］ 杜永幫.談城市高桿燈改造設計［J］.山西建筑，2012,38(11):140-141.

［6］ 任萍.升降式高桿燈的安裝技術［J］.科技致富向導，2012(8):200.

［7］ 石聽安.高桿燈總體設計概論［J］.燈與照明，2013，27（1）：13-16.

［8］ 石聽安.30m高桿燈燈盤提升系統動力傳遞的設計計算［J］.中國照明電器，1999（9）：10-12.