港口岸電電纜提升輸送裝置設計

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(江蘇科技大學機械工程學院，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)全力推進電能替代戰(zhàn)略，船舶用電由原有的燃煤供電轉化為依靠港口電纜供電，這促使該裝置需求量劇增。值得關注的是，國內(nèi)外生產(chǎn)和研究還處于基礎開發(fā)階段[1-7]。因此，針對電纜提升輸送裝置進行設計與研究具有十分重要的意義。

1 電纜輸送提升裝置結構設計

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

圖1 電纜提升輸送裝置模型

1.1 升降裝置結構設計

升降裝置主要作用是實現(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，當升降裝置完全伸展時，每層之間需留0.45 m過渡段，最上層頂部設有輸送裝置，高度0.75 m。故當升降裝置完全伸展時可到達10.2 m，而當升降裝置完全收縮時僅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一步延伸。每一層的頂部側面分別設置有導向架，以保護電纜不受損傷，如圖2所示。

圖2 升降裝置實物

升降裝置的伸縮采用鏈條與齒輪齒條機構配合的方式實現(xiàn)，使升降裝置展開并伸長至預設高度，在導向架中的電纜也隨之達到預設高度。為實現(xiàn)升降，在升降裝置的第3層側面固定設置有齒條，并在第4層頂部固定有與之相配合的齒輪，通過驅動機構的正反轉來驅動齒輪轉動，從而實現(xiàn)第3層的升降。第1層和第2層分別通過鏈條來實現(xiàn)升降，鏈條實現(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，當升降裝置第3層受到齒輪齒條機構的作用向上運動，鏈條左側一段相對邊長，右側一段相對變短，迫使第2層向上運動，從而實現(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，當升降裝置第3層受到齒輪齒條機構的作用向下運動，鏈條左側一段相對邊長，右側一段相對變短，迫使第2層向下運動，從而實現(xiàn)升降裝置的下降。

1.2 傾斜裝置結構設計

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(jù)船舶停靠位置不同，控制其傾斜不同的角度，既可以實現(xiàn)向船體的靠近，又不會撞到船體。

傾斜裝置功能的實現(xiàn)主要通過將電纜輸送提升裝置靠近船舶一側的底部與底板鉸接，螺旋升降機[9]頂部鉸接在升降裝置第4層的中下部，螺旋升降機的另一側與底板鉸接，傾斜裝置結構如圖4所示。當傾斜裝置工作時，驅動機構驅動螺旋升降機伸長，由于電纜輸送提升裝置采用鉸鏈鏈接，隨著螺旋升降機的伸長，升降裝置開始發(fā)生傾斜，直至達到所需角度。反之，當驅動機構反向轉動，隨著螺旋升降機縮短，升降裝置逐漸恢復收狀態(tài)。

1.3 升降裝置結構設計

旋轉裝置主要作用是實現(xiàn)電纜輸送提升裝置的旋轉，且具有防傾覆功能，安裝在電纜輸送提升裝置的底板下部，采用回轉式減速器的形式[10]，驅動整個電纜輸送機構實現(xiàn)所需角度的旋轉，從而避免由于船舶?？课恢貌煌鳂I(yè)困難的問題。且當彎頭影響船舶?？堪稌r，可將整個電纜輸送機構順時針旋轉90°，旋轉裝置結構如圖5所示。

圖5 旋轉裝置實物

1.4 輸送裝置結構設計

輸送裝置主要作用是當電纜輸送提升裝置達到最大高度后，可進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現(xiàn)岸電電纜的進一步輸送，而避免采用人力拉扯電纜，岸電電纜相對較重，這樣可以極大減小人工作業(yè)的強度和時間?？朔藗鹘y(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，提高工作質量，避免因打滑引起的安全隱患。

輸送裝置結構如圖6所示，輸送裝置的兩側設置有用于固定的安裝板，安裝板4個角上穿設有導柱，導柱中間穿設有摩擦輪板，摩擦輪板與安裝板之間分別設置有彈簧，從而實現(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個驅動軸的一端設置有摩擦輪，另一端通設有鏈輪，并通過1根鏈繞過，保證4個驅動軸同步轉動。工作時，分別通過2個手柄對摩擦輪板進行粗調和微調，實現(xiàn)電纜的夾緊，在驅動機構的作用下，摩擦輪子轉動，實現(xiàn)電纜的輸送。

圖6 輸送裝置實物

2 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)實現(xiàn)旋轉聯(lián)動、升降聯(lián)動、傾斜聯(lián)動、伸縮聯(lián)動、收放聯(lián)動以及極限位置自保護和充電自保護控制系統(tǒng)。各聯(lián)動系統(tǒng)通過張力傳感器實時采集電纜上張力變化信號，通過編程控制器運算分析，使電纜的收放運行平穩(wěn)。自保護系統(tǒng)有效提高了提升裝置的安全性和可靠性。根據(jù)設計需求，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臺三相交流異步電動機，實現(xiàn)裝置的動作要求。電機M1用于裝置的旋轉，電機M2用于裝置的傾斜，電機M3用于裝置的升降，電機M4用于電纜的收放，電機M5用于頂部結構的伸縮。主電路中設有交流接觸器和熱繼電器等保護措施。其中電機M1～M5選擇變頻電機，通過西門子變頻器實現(xiàn)電機實時變速，與卷盤裝置實現(xiàn)變速聯(lián)動。

電纜質量過大，使其被提升的過程中會出現(xiàn)緊繃或冗余的情況，這樣會加劇電纜表皮和內(nèi)部結構造成疲勞損傷，縮短電纜服役壽命。因此，安裝張力傳感器實時采集運動狀態(tài)下電纜上張力值，通過可編程控制器進行數(shù)值分析，改變變頻電機的速度，使電纜上張力值在合理的范圍內(nèi)波動，進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)動設計

2.2.1 旋轉時的聯(lián)動

初始運行時，提升裝置要旋轉到所需的工作位置，當裝置旋轉到大于60°時，會對電纜有一個較大的拉力，經(jīng)試驗分析測得此處電纜上張力大于1 500 N時，電纜處于非正常工作狀態(tài)。因此，可編程控制器同時控制卷盤聯(lián)動，使電纜上張力值下降到標定值以下，然后自動停止聯(lián)動。

2.2.2 裝置上升、下降時的聯(lián)動

當提升裝置上升或者下降時，要求電纜也要同步運動。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的速度，去配合卷盤的收/放纜速度，從而實現(xiàn)升降運動和卷盤的收放纜達到同步。

2.2.3 裝置傾斜、回正時的聯(lián)動

為了方便用戶的使用，裝置工作時，更靠近船只，裝置設有傾斜這個動作。在裝置傾斜過程中，由于頂部位置向前運動，對電纜有較大的拉拽作用，會對電纜造成損傷，經(jīng)試驗分析測得此處電纜上張力處于1 000～1 500 N時，電纜正常輸送。所以在裝置傾斜時，可編程控制器根據(jù)張力反饋信號，控制卷盤進行放纜，進而達到裝置傾斜時和卷盤的聯(lián)動。

當裝置回正時，會造成底部電纜的冗余，經(jīng)試驗分析測得此處電纜上張力處于800～1 300 N時，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，控制卷盤進行間斷性收纜動作。

2.2.4 收纜、放纜時的聯(lián)動

收纜和放纜過程中，要求頂部摩擦輪電機和卷盤保持聯(lián)動。為了防止電纜出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)，經(jīng)試驗分析測得此處電纜上張力處于1 200～1 400 N范圍內(nèi)波動時，電纜收/放平穩(wěn)?？删幊炭刂破鞲鶕?jù)張力反饋信號，進而實時調整摩擦輪電機速度的變化，達到改變電纜收/放速度的效果。

2.2.5 充電時，電纜自保護系統(tǒng)

在給過往船只供電時，電纜接頭變動會隨著船體的浮動而上下變動，因此會對電纜造成一定的拉拽作用，嚴重時會損傷電纜和機械結構。為了保護電纜和機械結構，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電纜上的張力變化，經(jīng)試驗分析測得此處電纜上張力大于1 600 N時，電纜開始進入非正常工作狀態(tài)。此時，可編程控制器得到張力反饋信號，控制摩擦輪電機及卷盤，進行自保護放纜動作。

3 試驗與分析

為了驗證所設計港口岸電電纜輸送提升裝置的性能，在0～8級風下進行了試驗，試驗過程如圖8所示。

圖8 試驗過程

試驗過程包括：初始狀態(tài)、部分伸出狀態(tài)、完全伸出狀態(tài)和傾斜試驗狀態(tài)。風速是在0～8級風速下測試產(chǎn)品性能，測試結果反映產(chǎn)品性能良好，到達預期的設計高度、傾斜度數(shù)、旋轉角度、電纜輸送速度等值。經(jīng)試驗分析測得此處電纜上張力處于1 000～1 500 N時，電纜正常輸送。具體試驗值如表1所示，誤差在5%以內(nèi)，符合設計要求和規(guī)范。

表1 試驗測試值

4 結束語

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

a. 該設備可以將電纜按照設計需求速度，提升并輸送到預計高度和位置。

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

c. 設備傾斜角度與旋轉角度均達到設計要求，使用方便可靠，根據(jù)船舶停靠距離可以靈活自由調整。

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

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