王 雁

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

電纜、油管繞曲裝置設(shè)計(jì)*

王 雁

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中針對(duì)在有限轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)大功率電源和液壓油的傳輸要求，探索設(shè)計(jì)新型電纜、油管繞曲裝置。介紹了電纜、油管繞曲裝置的構(gòu)成、工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了電纜、油管等繞曲裝置的設(shè)計(jì)方法，提出了結(jié)構(gòu)上徑向嵌套、軸向組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及固定盤(pán)和升降盤(pán)不同直徑繞曲裝置的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、組合性強(qiáng)、適用范圍廣、性能安全可靠，可在有限空間內(nèi)用最簡(jiǎn)單、最可靠的方法實(shí)現(xiàn)功率電源、信號(hào)以及液壓油的旋轉(zhuǎn)連接傳輸，可同時(shí)解決多根電纜、光纜、油管等的繞曲問(wèn)題。

電纜；繞曲裝置；固定盤(pán)；轉(zhuǎn)動(dòng)升降盤(pán)

引 言

在天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有限的情況下，大功率電源、信號(hào)和液壓油等的傳輸不用匯流環(huán)、油鉸鏈，而用軟電纜和油管直接傳輸，為避免天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電纜、光纜、油管磨損和擦傷甚至拉斷，需設(shè)計(jì)特種繞曲裝置。一般繞曲裝置有大卷輪套小卷軸結(jié)構(gòu)以及平面鏈條式定、動(dòng)圈結(jié)構(gòu)[1]，他們的徑向尺寸相對(duì)較大，可同時(shí)卷繞的電纜根數(shù)少。此外，還有固定鋼圈和轉(zhuǎn)動(dòng)鋼圈結(jié)構(gòu)，其軸向和徑向尺寸都較大。可根據(jù)用途、轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、空間尺寸等來(lái)進(jìn)行繞曲裝置的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在有限空間內(nèi)用最簡(jiǎn)單可靠的方法使功率電源、信號(hào)以及液壓油等多種介質(zhì)在不連續(xù)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行連接傳輸具有極大的難度，是設(shè)計(jì)師要探索和解決的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)上徑向嵌套、軸向組合的繞曲裝置以及不同直徑固定盤(pán)和升降盤(pán)結(jié)構(gòu)的繞曲裝置，解決了同時(shí)繞曲多根電纜、光纜、油管的問(wèn)題。

1 電纜、油管繞曲裝置的構(gòu)成及工作原理

1.1 電纜、油管繞曲裝置的構(gòu)成

在天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±180°的情況下，電纜、油管繞曲裝置采用固定盤(pán)和轉(zhuǎn)動(dòng)升降盤(pán)結(jié)構(gòu)，它主要由固定盤(pán)和升降盤(pán)、中心柱、鋼絲繩、拉繩、托盤(pán)支架、固定夾等組成。固定盤(pán)和升降盤(pán)是同軸的，固定盤(pán)安裝在天線轉(zhuǎn)臺(tái)上，升降盤(pán)套在中心柱外，固定盤(pán)在上，升降盤(pán)在下，用鋼絲繩連接固定盤(pán)和升降盤(pán)，固定盤(pán)圓周上的出線孔和升降盤(pán)外周的安裝孔形成圓柱狀(也可為圓臺(tái)狀)，固定夾把電纜和油管夾在固定盤(pán)和升降盤(pán)及托盤(pán)支架上。該裝置適用于天線座內(nèi)軸向尺寸相對(duì)大、徑向尺寸小的條件。

1.2 電纜、油管繞曲裝置原理

從天線下來(lái)的電纜通過(guò)天線座轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)有1個(gè)與其固定的固定盤(pán)，下面還有1個(gè)(或多個(gè))升降盤(pán)，用鋼絲繩懸掛在固定盤(pán)上，再用固定夾把電纜夾在固定盤(pán)和升降盤(pán)上，電纜經(jīng)過(guò)天線基座上的托盤(pán)支架通到天線座外。

如圖1所示，在方位0°時(shí)，懸掛的鋼絲繩和盤(pán)間電纜都沿軸線下垂。方位轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度時(shí)，固定盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)同樣的角度，通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)升降盤(pán)既轉(zhuǎn)動(dòng)又軸向移動(dòng)。方位轉(zhuǎn)到180°時(shí)，固定盤(pán)隨天線座轉(zhuǎn)180°，鋼絲繩就成斜線，升降盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)向上移動(dòng)，固定盤(pán)和升降盤(pán)間距縮小，盤(pán)間電纜更加松弛。這樣，即使電纜較多，也不至于亂絞，可以減少磨損，避免擦傷。升降盤(pán)可用拉繩與天線座固定支座連接，起保護(hù)作用。

圖1 繞曲裝置原理圖

2 電纜、油管繞曲裝置設(shè)計(jì)方法

電纜、油管繞曲裝置的設(shè)計(jì)方法包括以下3個(gè)方面：

1)根據(jù)用途、安裝部位、轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、可用空間，要繞曲的電纜、油管的根數(shù)和直徑，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算方法，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[2]，確定結(jié)構(gòu)和尺寸。如圖2所示，主要尺寸有升降盤(pán)直徑φB，固定盤(pán)直徑φC，從托盤(pán)支架A點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離L，升降盤(pán)與固定盤(pán)之間的距離H1，升降盤(pán)與托盤(pán)支架之間的距離H2，升降盤(pán)與電纜最低點(diǎn)之間的距離H3。首先確定升降盤(pán)直徑φB和固定盤(pán)直徑φC，兩直徑應(yīng)盡量相同。本例在尺寸不允許時(shí)探索性地采用了升降盤(pán)直徑小于固定盤(pán)直徑的倒圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，以增大電纜、油管的彎曲空間，從托盤(pán)支架A點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離L必須大于固定盤(pán)半徑與2倍電纜直徑之和，越大越好，由空間尺寸決定。其次，升降盤(pán)與固定盤(pán)之間的距離H1一般大于固定盤(pán)直徑的1.1倍，升降盤(pán)與托盤(pán)支架之間的距離H2一般大于H1/2，升降盤(pán)與電纜最低點(diǎn)之間的距離H3一般也大于H1/2。當(dāng)天線座方位從0°轉(zhuǎn)到180°時(shí)，固定盤(pán)從C點(diǎn)轉(zhuǎn)到C1點(diǎn)，升降盤(pán)B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)并上升到B1點(diǎn)，電纜最低點(diǎn)D轉(zhuǎn)動(dòng)并上升到D1點(diǎn)。為了保證電纜在繞曲過(guò)程中狀態(tài)良好，一般要求θ角小于15°，α角在120°左右，β角在80°左右。

圖2 繞曲裝置位置圖

2)根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)范圍確定電纜、油管的理論長(zhǎng)度，可采用理論計(jì)算、運(yùn)動(dòng)圖解法[3]確定長(zhǎng)度。一般先根據(jù)理論計(jì)算長(zhǎng)度，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)圖解法或三維建模圖形的方法校核長(zhǎng)度，或采用作圖法確定電纜長(zhǎng)度，再通過(guò)理論計(jì)算校核長(zhǎng)度。實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)比理論長(zhǎng)度長(zhǎng)一些，約長(zhǎng)5%～10%，以留出一定的運(yùn)動(dòng)余量。

3)進(jìn)行固定盤(pán)和升降盤(pán)、中心柱、鋼絲繩、拉繩、托盤(pán)支架、固定夾等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

3 電纜、油管繞曲裝置設(shè)計(jì)

以在常用雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動(dòng)±180°、天線座內(nèi)空間有限的條件下，方位固定盤(pán)和轉(zhuǎn)動(dòng)升降盤(pán)結(jié)構(gòu)電纜、油管繞曲裝置的結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 電纜、油管繞曲裝置的特點(diǎn)

1) 結(jié)構(gòu)上徑向嵌套、軸向組合，擴(kuò)展性強(qiáng)，可同時(shí)繞曲多根電纜、光纜、油管，適用范圍廣；

2) 升降盤(pán)外周安裝孔和固定盤(pán)四周的出線孔形成倒圓臺(tái)，以增大電纜、油管的彎曲空間，充分利用有限的資源；

3) 采用支座、中心柱定位，同軸度好，運(yùn)動(dòng)阻力小；

4) 方位上采用相差120°的3根鋼絲繩, 以減小管纜承受的重力。

3.2 電纜、油管繞曲裝置的結(jié)構(gòu)

如圖3所示，繞曲裝置包括中心柱、 支座、 固定盤(pán)、 升降盤(pán)、繩夾、 固定夾、托盤(pán)支架、 旋轉(zhuǎn)接頭、 鋼絲繩、液壓油管、電纜、光纜、電纜夾等。中心柱外側(cè)為光滑柱面，其上下定位面必須與方位轉(zhuǎn)軸同心。支座與天線座底座定位固定并支撐中心柱，能保證同心度。固定盤(pán)與天線座轉(zhuǎn)臺(tái)定位固定，隨天線座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。升降盤(pán)套在中心柱外側(cè)，并通過(guò)方位上相差120°的3根鋼絲繩與固定盤(pán)連結(jié)，升降盤(pán)既能轉(zhuǎn)動(dòng)也能上下移動(dòng)。托盤(pán)支架安裝在天線座底座的內(nèi)側(cè)圓周上，保證天線座內(nèi)電纜有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)空間，經(jīng)過(guò)托盤(pán)支架固定的電源電纜、光纜、液壓油管再用固定夾固定在升降盤(pán)外周，最后穿出固定盤(pán)圓周上的出線孔并固定。為了在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電纜的繞曲，將電纜分成若干根，并采用彎曲半徑較小的軟電纜，結(jié)構(gòu)上升降盤(pán)外周安裝孔和固定盤(pán)圓周上的出線孔形成倒圓臺(tái)(在空間允許的條件下常為圓柱狀)，以增大電纜的彎曲空間。液壓油管的繞曲與電纜、光纜的繞曲用同一裝置，安裝在不同位置，托盤(pán)支架和升降盤(pán)之間以及升降盤(pán)和固定盤(pán)之間的油管各用1個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，以減少液壓油管的扭曲。升降盤(pán)和固定盤(pán)之間的電纜、光纜、油管長(zhǎng)度比懸掛的3根鋼絲繩要長(zhǎng)些，以減小電纜、光纜、油管承受的重力，3根纜繩帶護(hù)套，不會(huì)磨破電纜。升降盤(pán)下面懸掛的電纜、油管等要比拉繩長(zhǎng)些。

圖3 繞曲裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 固定盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定盤(pán)直接與天線座轉(zhuǎn)臺(tái)定位固定，隨天線座一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定盤(pán)上安裝方位上相差120°的3個(gè)繩夾。根據(jù)需裝電纜的數(shù)量和直徑，在圓周上開(kāi)過(guò)線孔，對(duì)每個(gè)孔都進(jìn)行編號(hào)，并與升降盤(pán)上的安裝孔編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)過(guò)線孔裝相應(yīng)的固定夾,如圖4所示。

圖4 固定盤(pán)俯視圖

3.3.2 升降盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降盤(pán)由3塊120°的扇形盤(pán)、套筒、彈子座、繩夾、 固定夾等構(gòu)成，如圖5所示。彈子座由軸、鋼球、座構(gòu)成，如圖6所示。彈子座分上下2層均勻分布在套筒上，可以通過(guò)軸調(diào)節(jié)鋼球的伸出長(zhǎng)度，鋼球可以在座中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以保證升降盤(pán)在中心柱外表面運(yùn)動(dòng)自如。升降盤(pán)直徑小于固定盤(pán)直徑時(shí)，四周固定夾的安裝孔上下錯(cuò)開(kāi)排列，增加了升降盤(pán)四周電纜和油管的分布數(shù)量。對(duì)于電纜直徑很粗的電纜，升降盤(pán)電纜固定夾可采用其它結(jié)構(gòu)，但要能浮動(dòng)。

圖5 升降盤(pán)結(jié)構(gòu)

圖6 彈子座結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的電纜、油管繞曲裝置結(jié)構(gòu)緊湊，功能多，適用范圍廣，性能安全可靠，成本低，可同時(shí)解決多根電纜、光纜、油管等的繞曲問(wèn)題?？稍谟邢蘅臻g內(nèi)用最簡(jiǎn)單可靠的方法實(shí)現(xiàn)功率電源、信號(hào)以及液壓油的不連續(xù)旋轉(zhuǎn)的連接傳輸。由于采用組合化結(jié)構(gòu)，因而可根據(jù)旋轉(zhuǎn)傳輸要求和品種的增減，方便地增減構(gòu)件，適用范圍廣。

[1] 吳風(fēng)高. 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北電訊工程學(xué)院出版社,1986.

[2] 黃真, 孔令富, 方躍法. 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[3] 黃錫愷, 鄭文緯. 機(jī)械原理[M]. 北京: 人民教育出版社,1981.

Design of Wind Equipment of Cable and Oil Pipe

WANG Yan

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Aiming at the transmitting requirements of high power supply and hydraulic oil in the limited rotation range, the design of new wind equipment of the cable and oil pipe is discussed. In this paper, the wind equipment of the cable and oil pipe including its composition, operation principle and structural feature is introduced. The design method of the wind equipment of the cable and oil pipe is described in detail. The structures inlayed in radius and composed in axle, the fixed plate and motive plate with different diameters are illustrated. The wind equipment is characterized by compact structure, low cost, combination function, wide application scope, safe and reliable performance. It can achieve transmitting of the power supply, signal and hydraulic oil in limited room with the simplest and the most reliable method and can resolve simultaneously the winding problem of several cables, optical fiber cables and oil pipes.

cable; wind equipment; fixed plate; motive plate

2014-07-23

TN81

A

1008-5300(2014)06-0027-03

王 雁(1964-)，女, 碩士, 研究員級(jí)高級(jí)工程師, 主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及雷達(dá)結(jié)構(gòu)研究工作。