賈明中

摘要：低壓岸電電纜輸送裝置是岸電設施的一個重要組成部分，開發(fā)一種智能電液驅動船用岸電電纜輸送裝置，為企業(yè)節(jié)約成本，加快推進港口岸電建設。本文通過軟件建模分析，設計一種矩形截面，結構簡單，自由伸縮，制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

關鍵詞：伸縮臂;應力;位移;應變;分析

為了加快推進港口岸電建設，需開發(fā)一種快速、簡便的裝置將船上的電源電纜吊裝到岸上，再與岸電裝置連接取電，稱這種吊裝裝置為“船用岸電電纜輸送裝置”，屬于一種輕小型起重運輸裝置。該裝置可以自由伸縮，伸縮臂的結構形式及材料直接影響其工作性能和制造成本，本文通過軟件建模分析，設計一種截面為矩形，結構簡單，自由伸縮，制造成本低的岸電電纜輸送裝置伸縮臂。

項目研究設計一種單缸多節(jié)液壓推桿來驅動的智能岸電電纜輸送裝置，工作狀況如下：該裝置不用時，收縮放置岸邊高度不超過2000mm，工作時，水平可俯仰-30°～+45°，裝置伸縮臂可以伸出總長6000mm，起吊重量達到200Kg。伸縮臂由多節(jié)組成，各節(jié)段同步伸出、縮進，伸縮自由，伸縮臂所用材料和結構大小，將決定了單缸多節(jié)液壓推桿的設計。

1 伸縮臂三種工作狀態(tài)分析

伸縮臂是在俯仰到一定位置后開始伸出，從全縮狀態(tài)伸到完全伸出狀態(tài)，再拖著電纜回縮，或拖著電纜俯仰到一定位置后開始伸出，將電纜送置船上。為了合理設計其大小，從三種工作狀態(tài)進行分析，即全縮狀態(tài)，伸出一半狀態(tài)和完全伸出狀態(tài)，這三種狀態(tài)具有典型的代表性。全縮狀態(tài)時伸縮臂總長為1600mm，伸出一半狀態(tài)時，伸縮臂總長為4375mm，完全伸出總長為6000mm。伸縮臂在工作過程中，固定端（最左端，也即約束端）所受應力最大，伸縮臂的最右端（也即施力端）應力最小。在相同起吊重量的情況下，完全伸出狀態(tài)時，伸縮臂最長，伸縮臂固定端所受的彎矩是最大的。通過分析在完全伸出狀態(tài)下，選用普通碳素鋼和鋁合金兩種不同材料，伸縮臂應力、位移，應變的變化情況，確定伸縮臂的材料和結構尺寸。

2 伸縮臂模型建立

根據UG三維設計圖建立有限元分析模型，為了簡化計算，方便有限元模型的建立，在建模過程中進行如下假設及簡化：

（1）省略對靜態(tài)力學分析沒有影響或影響極小的結構，包括伸縮臂上的小孔和倒角。

（2）對設計圖中的連接位置（機械連接及焊接）一律按理想條件下的固結進行考慮，同時忽略機械連接中的螺栓等細微結構。

（3）簡化原模型的一些細節(jié)，對部分尺寸進行微調，如將一些非整數尺寸按四舍五入取整（單位mm）。

（4）全局選用標準單位為mm（長度）、N（力），因此，其他單位統一為MPa（壓強）。

2.1 材料參數

材料采用碳鋼和鋁合金兩種，材料參數如下表。

2.2 模型的建立及加載

伸縮臂的截面形狀設計成矩形，如圖1所示，第一級為最小級，最小內空截面均為200×100mm，然后進行網格劃分及約束加載。約束為第六節(jié)伸縮臂端面的所有自由度，載荷為配重及最大起吊電纜繩重量，這里取值2000N，全局重力加速度取9.8m/s2。選用六面體單元進行網格劃分成62400個單元，126048個節(jié)點。

3 鋁合金伸縮臂及結構數據分析

采用鋁合金材料，伸縮臂壁厚、截面尺寸與普通碳鋼相同時，進行伸縮臂的設計分析。如在伸縮臂壁厚10mm時，伸縮臂壁總重量約為220kg。利用有限元靜力學分析，伸縮臂在完全伸出狀態(tài)下的應力（VON）的最小值為44791.7 N/m2，最大值為44791.7 N/m2;合位移（URES）最小值為 0 mm，最大值為10.6557 mm;對等應變（ESTRN）最小值為5.01882e-007，最大值為 0.000225397 。

4 數據分析

綜合兩種材料，不同壁厚，進行分析，所得數據如下表3所列。根據表中數據進行應力、位移、應變分析。

5 結論

根據伸縮臂在完全伸出工作狀態(tài)下的有限元的應力應變情況，從應力的分析來看，選用鋁合金材料制造伸縮臂，要滿足工作條件，伸縮臂的尺寸大，占用空間大，制造成本高。選擇普通碳鋼制造伸縮臂，四種壁厚情況下，應力都滿足要求，但是對于本研究的伸縮臂而言，伸縮臂在工作伸縮時，各段都有位移變形，若彈性位移過大，影響伸縮臂的正常伸縮。綜合考慮伸縮臂的自重、位移及應力應變，選擇壁厚為6mm的碳鋼作為伸縮臂的制造材料更為合理。

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（作者單位：山東濟寧圣地電業(yè)集團有限公司金鄉(xiāng)金地電力安裝分公司）