港口岸電電纜提升輸送裝置設(shè)計(jì)

，， ， ， ，

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

港口岸電電纜提升輸送裝置的主要作用是輸送電纜至船體以便充電，隨著2015年國家電網(wǎng)全力推進(jìn)電能替代戰(zhàn)略，船舶用電由原有的燃煤供電轉(zhuǎn)化為依靠港口電纜供電，這促使該裝置需求量劇增。值得關(guān)注的是，國內(nèi)外生產(chǎn)和研究還處于基礎(chǔ)開發(fā)階段[1-7]。因此，針對(duì)電纜提升輸送裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究具有十分重要的意義。

1 電纜輸送提升裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此裝置主要功能用于輸送電纜到達(dá)船體指定需要位置，基本機(jī)構(gòu)包括：升降裝置、傾斜裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、輸送裝置和電纜卷筒，如圖1所示。在各機(jī)構(gòu)共同作用下，實(shí)現(xiàn)電纜提升輸送裝置的升降、傾斜、旋轉(zhuǎn)和輸送等功能。其中產(chǎn)品參數(shù)要求：工作風(fēng)速0～8級(jí)風(fēng)[8]，提升高度10 m，傾斜20°，水平伸出距離2 m，旋轉(zhuǎn)角度±90°，電纜輸送速度5 m/min。

圖1 電纜提升輸送裝置模型

1.1 升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降裝置主要作用是實(shí)現(xiàn)電纜豎直方向的提升，該裝置由上至下分為4層。 每一層高度均為2.5 m，當(dāng)升降裝置完全伸展時(shí)，每層之間需留0.45 m過渡段，最上層頂部設(shè)有輸送裝置，高度0.75 m。故當(dāng)升降裝置完全伸展時(shí)可到達(dá)10.2 m，而當(dāng)升降裝置完全收縮時(shí)僅4.5 m。另外，升降裝置的上一層依次嵌套在下一層內(nèi)部，并且兩層之間通過滾輪接觸，可大幅度減小摩擦。第1層上部裝有延伸裝置，延伸裝置可向船體方向進(jìn)一步延伸。每一層的頂部側(cè)面分別設(shè)置有導(dǎo)向架，以保護(hù)電纜不受損傷，如圖2所示。

圖2 升降裝置實(shí)物

升降裝置的伸縮采用鏈條與齒輪齒條機(jī)構(gòu)配合的方式實(shí)現(xiàn)，使升降裝置展開并伸長至預(yù)設(shè)高度，在導(dǎo)向架中的電纜也隨之達(dá)到預(yù)設(shè)高度。為實(shí)現(xiàn)升降，在升降裝置的第3層側(cè)面固定設(shè)置有齒條，并在第4層頂部固定有與之相配合的齒輪，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)來驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)第3層的升降。第1層和第2層分別通過鏈條來實(shí)現(xiàn)升降，鏈條實(shí)現(xiàn)升降的原理如圖3所示，提升原理如圖3a所示，升降裝置第4層固定不動(dòng)，當(dāng)升降裝置第3層受到齒輪齒條機(jī)構(gòu)的作用向上運(yùn)動(dòng)，鏈條左側(cè)一段相對(duì)邊長，右側(cè)一段相對(duì)變短，迫使第2層向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)升降裝置的提升。下降原理如圖3b所示，升降裝置第4層固定不動(dòng)，當(dāng)升降裝置第3層受到齒輪齒條機(jī)構(gòu)的作用向下運(yùn)動(dòng)，鏈條左側(cè)一段相對(duì)邊長，右側(cè)一段相對(duì)變短，迫使第2層向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)升降裝置的下降。

1.2 傾斜裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傾斜裝置主要作用是使電纜輸送提升裝置向船體靠近，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)船舶停靠位置不同，控制其傾斜不同的角度，既可以實(shí)現(xiàn)向船體的靠近，又不會(huì)撞到船體。

傾斜裝置功能的實(shí)現(xiàn)主要通過將電纜輸送提升裝置靠近船舶一側(cè)的底部與底板鉸接，螺旋升降機(jī)[9]頂部鉸接在升降裝置第4層的中下部，螺旋升降機(jī)的另一側(cè)與底板鉸接，傾斜裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)傾斜裝置工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)伸長，由于電纜輸送提升裝置采用鉸鏈鏈接，隨著螺旋升降機(jī)的伸長，升降裝置開始發(fā)生傾斜，直至達(dá)到所需角度。反之，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺旋升降機(jī)縮短，升降裝置逐漸恢復(fù)收狀態(tài)。

1.3 升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)裝置主要作用是實(shí)現(xiàn)電纜輸送提升裝置的旋轉(zhuǎn)，且具有防傾覆功能，安裝在電纜輸送提升裝置的底板下部，采用回轉(zhuǎn)式減速器的形式[10]，驅(qū)動(dòng)整個(gè)電纜輸送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需角度的旋轉(zhuǎn)，從而避免由于船舶停靠位置不同而作業(yè)困難的問題。且當(dāng)彎頭影響船舶停靠岸時(shí)，可將整個(gè)電纜輸送機(jī)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)物

1.4 輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送裝置主要作用是當(dāng)電纜輸送提升裝置達(dá)到最大高度后，可進(jìn)一步輸送岸電電纜長度，以保證岸電電纜與船艙內(nèi)的快速插座連接。輸送裝置采用摩擦輪形式，通過摩擦輪與電纜之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)岸電電纜的進(jìn)一步輸送，而避免采用人力拉扯電纜，岸電電纜相對(duì)較重，這樣可以極大減小人工作業(yè)的強(qiáng)度和時(shí)間。克服了傳統(tǒng)的電纜輸送裝置推力不足，特別是在傾斜的地方，電纜很容易打滑的缺點(diǎn)，提高工作質(zhì)量，避免因打滑引起的安全隱患。

輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，輸送裝置的兩側(cè)設(shè)置有用于固定的安裝板，安裝板4個(gè)角上穿設(shè)有導(dǎo)柱，導(dǎo)柱中間穿設(shè)有摩擦輪板，摩擦輪板與安裝板之間分別設(shè)置有彈簧，從而實(shí)現(xiàn)電纜的柔性夾緊，不損傷電纜，使電纜的輸送更為安全可靠。4個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的一端設(shè)置有摩擦輪，另一端通設(shè)有鏈輪，并通過1根鏈繞過，保證4個(gè)驅(qū)動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。工作時(shí)，分別通過2個(gè)手柄對(duì)摩擦輪板進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào)，實(shí)現(xiàn)電纜的夾緊，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，摩擦輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電纜的輸送。

圖6 輸送裝置實(shí)物

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)、升降聯(lián)動(dòng)、傾斜聯(lián)動(dòng)、伸縮聯(lián)動(dòng)、收放聯(lián)動(dòng)以及極限位置自保護(hù)和充電自保護(hù)控制系統(tǒng)。各聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)通過張力傳感器實(shí)時(shí)采集電纜上張力變化信號(hào)，通過編程控制器運(yùn)算分析，使電纜的收放運(yùn)行平穩(wěn)。自保護(hù)系統(tǒng)有效提高了提升裝置的安全性和可靠性。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，作出如下控制，如圖7所示。

圖7 控制原理

2.1 電氣元件的選擇

控制系統(tǒng)采用5臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)裝置的動(dòng)作要求。電機(jī)M1用于裝置的旋轉(zhuǎn)，電機(jī)M2用于裝置的傾斜，電機(jī)M3用于裝置的升降，電機(jī)M4用于電纜的收放，電機(jī)M5用于頂部結(jié)構(gòu)的伸縮。主電路中設(shè)有交流接觸器和熱繼電器等保護(hù)措施。其中電機(jī)M1～M5選擇變頻電機(jī)，通過西門子變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)實(shí)時(shí)變速，與卷盤裝置實(shí)現(xiàn)變速聯(lián)動(dòng)。

電纜質(zhì)量過大，使其被提升的過程中會(huì)出現(xiàn)緊繃或冗余的情況，這樣會(huì)加劇電纜表皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷，縮短電纜服役壽命。因此，安裝張力傳感器實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下電纜上張力值，通過可編程控制器進(jìn)行數(shù)值分析，改變變頻電機(jī)的速度，使電纜上張力值在合理的范圍內(nèi)波動(dòng)，進(jìn)而消除電纜的緊繃或者冗余現(xiàn)象，增加電纜服役壽命周期，提高裝置的可靠性。

2.2 輸送的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.2.1 旋轉(zhuǎn)時(shí)的聯(lián)動(dòng)

初始運(yùn)行時(shí)，提升裝置要旋轉(zhuǎn)到所需的工作位置，當(dāng)裝置旋轉(zhuǎn)到大于60°時(shí)，會(huì)對(duì)電纜有一個(gè)較大的拉力，經(jīng)試驗(yàn)分析測得此處電纜上張力大于1 500 N時(shí)，電纜處于非正常工作狀態(tài)。因此，可編程控制器同時(shí)控制卷盤聯(lián)動(dòng)，使電纜上張力值下降到標(biāo)定值以下，然后自動(dòng)停止聯(lián)動(dòng)。

2.2.2 裝置上升、下降時(shí)的聯(lián)動(dòng)

當(dāng)提升裝置上升或者下降時(shí)，要求電纜也要同步運(yùn)動(dòng)。為了防止電纜出現(xiàn)異常，要使裝置的升降的速度和卷盤的放纜速度保持同步，本裝置采用變頻器改變異步電機(jī)的速度，去配合卷盤的收/放纜速度，從而實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)和卷盤的收放纜達(dá)到同步。

2.2.3 裝置傾斜、回正時(shí)的聯(lián)動(dòng)

為了方便用戶的使用，裝置工作時(shí)，更靠近船只，裝置設(shè)有傾斜這個(gè)動(dòng)作。在裝置傾斜過程中，由于頂部位置向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)電纜有較大的拉拽作用，會(huì)對(duì)電纜造成損傷，經(jīng)試驗(yàn)分析測得此處電纜上張力處于1 000～1 500 N時(shí)，電纜正常輸送。所以在裝置傾斜時(shí)，可編程控制器根據(jù)張力反饋信號(hào)，控制卷盤進(jìn)行放纜，進(jìn)而達(dá)到裝置傾斜時(shí)和卷盤的聯(lián)動(dòng)。

當(dāng)裝置回正時(shí)，會(huì)造成底部電纜的冗余，經(jīng)試驗(yàn)分析測得此處電纜上張力處于800～1 300 N時(shí)，可以避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，可編程控制器收到張力反饋信號(hào)，控制卷盤進(jìn)行間斷性收纜動(dòng)作。

2.2.4 收纜、放纜時(shí)的聯(lián)動(dòng)

收纜和放纜過程中，要求頂部摩擦輪電機(jī)和卷盤保持聯(lián)動(dòng)。為了防止電纜出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，經(jīng)試驗(yàn)分析測得此處電纜上張力處于1 200～1 400 N范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，電纜收/放平穩(wěn)。可編程控制器根據(jù)張力反饋信號(hào)，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整摩擦輪電機(jī)速度的變化，達(dá)到改變電纜收/放速度的效果。

2.2.5 充電時(shí)，電纜自保護(hù)系統(tǒng)

在給過往船只供電時(shí)，電纜接頭變動(dòng)會(huì)隨著船體的浮動(dòng)而上下變動(dòng)，因此會(huì)對(duì)電纜造成一定的拉拽作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損傷電纜和機(jī)械結(jié)構(gòu)。為了保護(hù)電纜和機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要避免上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，采用張力傳感器檢測充電時(shí)電纜上的張力變化，經(jīng)試驗(yàn)分析測得此處電纜上張力大于1 600 N時(shí)，電纜開始進(jìn)入非正常工作狀態(tài)。此時(shí)，可編程控制器得到張力反饋信號(hào)，控制摩擦輪電機(jī)及卷盤，進(jìn)行自保護(hù)放纜動(dòng)作。

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)港口岸電電纜輸送提升裝置的性能，在0～8級(jí)風(fēng)下進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程包括：初始狀態(tài)、部分伸出狀態(tài)、完全伸出狀態(tài)和傾斜試驗(yàn)狀態(tài)。風(fēng)速是在0～8級(jí)風(fēng)速下測試產(chǎn)品性能，測試結(jié)果反映產(chǎn)品性能良好，到達(dá)預(yù)期的設(shè)計(jì)高度、傾斜度數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度、電纜輸送速度等值。經(jīng)試驗(yàn)分析測得此處電纜上張力處于1 000～1 500 N時(shí)，電纜正常輸送。具體試驗(yàn)值如表1所示，誤差在5%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范。

表1 試驗(yàn)測試值

4 結(jié)束語

隨著環(huán)保理念的深入，國家提倡電能代替化學(xué)能，船舶用電由原有的燃煤供電轉(zhuǎn)化為依靠港口電纜供電，這促使電纜輸送裝置需求量劇增。本設(shè)計(jì)滿足了對(duì)港口輸送電纜的需求，具體功能主要包含升降、輸送、傾斜、旋轉(zhuǎn)等幾個(gè)方面。本研究得出如下結(jié)論：

a. 該設(shè)備可以將電纜按照設(shè)計(jì)需求速度，提升并輸送到預(yù)計(jì)高度和位置。

b. 輸送時(shí)，各機(jī)構(gòu)之間配合良好，輸送電纜速度適宜，未出現(xiàn)纜繩過緊或過松現(xiàn)象。

c. 設(shè)備傾斜角度與旋轉(zhuǎn)角度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使用方便可靠，根據(jù)船舶停靠距離可以靈活自由調(diào)整。

d. 有效防止由于船體上下浮動(dòng)造成電纜過緊或者過松等問題，從而保護(hù)整體裝置與纜繩免受的巨大拉力傷害。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃道華, 楊昌加, 李奕宏,等. 電纜提升牽引裝置的研制與應(yīng)用[J]. 電世界, 2011(11):29-30.

[2] 林琦. 提升10KV電纜不停電作業(yè)實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 北京：華北電力大學(xué), 2016.

[3] 李東風(fēng),陳欣,徐銀付，等.提升機(jī)移動(dòng)電纜“竄磨傷”故障分析[J].科技信息,2012(35):156.

[4] Lu Y F，F(xiàn)an D P,Liu H,et al.Transmission capability of precise cable drive including bending rigidity[J].Mechanism & Machine Theory, 2015,94:132-140.

[5] 陳宇曉.電纜輸送機(jī)的設(shè)計(jì)與制造[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù), 2007(4):27-28.

[6] 王麗敏.電纜輸送機(jī)在施工中的應(yīng)用[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 30(9):68-70.

[7] 孫皓寧, 隋玉晶.電纜輸送機(jī)在電纜敷設(shè)中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)：文摘版,2015，50(9):295.

[8] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.港口裝卸機(jī)械風(fēng)載荷計(jì)算及防風(fēng)安全要求:JT/T90—2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

[9] 王宇,王艷豐.螺旋升降機(jī)的選用[J].機(jī)械工程師,2013(2):168-170.

[10] 王金奎.蝸輪蝸桿減速機(jī)的應(yīng)用及維護(hù)[J].黑龍江冶金,2017,37(1):28-29.