岸电箱插头辅助插拔装置设计研究.pdf

机械设计与制造70Machinery Design&Manufacture第8 期2023年8 月岸电箱插头辅助插拔装置设计研究刘源洞 2,杨运政12,曹小华3,黄益斌4（1.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉2.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉3.武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉43 0 0 8 1；4.江苏健龙岸电科技有限公司，江苏宜兴2 142 0 0）430081;430081;摘要：针对现有船舶岸电接插件插拔困难、机械锁紧无过载保护功能等问题，专用辅助插拔设备市场空白等现状，提出一种兼具省力插拔及强制脱离保护等功能的岸电插头辅助插拔装置方案。分析岸电箱及接插件结构，设计三点插头固定夹具和电缆导向环结构满足插头定位插合导向及约束电缆要求；设计弹簧滑块强制分离保护机构，建立机构力学模型，以强制分离块的强制分离角、复位角和弹簧系数为设计变量进行分析，得到满足最大强制分离力、回复力要求的优化结构；设计双滑块机构的助力杠杆机构，分析滑槽与手柄驱动力变化规律，实现紧凑结构下有效助力。样机实验表明，该装置最大强制分离力42 0 N，最大强制分离回复力15 0 N，达到最佳使用要求。关键词：船舶岸电；岸电插头；辅助插拔装置；强制分离保护；结构优化中图分类号：TH16TH122文献标识码：ALIU Yuan-jiong2,YANG Yun-zheng?2,CAO Xiao-hua,HUANG Yi-bin*(1.Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology,Wuhan University of Science and Technology,Hubei Wuhan 430081,China;2.Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering,Wu-han University of Science and Technology,Hubei Wuhan 430081,China;3.School of Logistics Engineering,WuhanUniversity of Technology,Hubei Wuhan 430081,China;4.Jiangsu Jianlong Shore Power Technology Co.,Ltd.,JiangsuYixing 214200,China)Abstract:Aiming at the problems of the existing ships shore power connector,such as dificulty in plugging and unplugging,me-chanical locking without overload protection function,etc.,and considering the current status of the market for special auxiliaryplug equipment,a scheme of auxiliary plug plugging device for shore power is proposed which hasfunctions such as laborsavinginsertion and unplugging and forced detachment protection.Design three-point plug fixing fixture and cable guide ring structure,which can meet the requirements of plug positioning,inserting and guiding and restraining cables;Design a spring slider forcedseparation protection mechanism,establish a mechanical model of the mechanism,and analyze the model with the forced separa-tion angle,return angle and spring coefficient of the forced separation block as design variables to obtain an optimized structurethat meets the requirements of the maximum forced separation force and return force;Design the power-assisted lever mechanismof the double-slider mechanism,analyze the change law of the drivingforce of the slide groove and the handle,and finally realizethe effective power assist under the compact structure.The prototype experiment shows that the maximumforced separation force ofthe device is 420N,and the maximumforced separation recovery force is 150N,which meets the best use requirements.Key Words:Ship Shore Power;Shore Power Plug;Auxiliary Plug-in Device;Forced Separation Protection;Struc-tural Optimization文章编号：10 0 1-3 9 9 7(2 0 2 3)0 8-0 0 7 0-0 6Design and Research of Plug Auxiliary Plugging andUnplugging Device for Shore Power Box1引言船舶岸电系统 1-4 包括岸基供电设备、岸电连接设备、船舶受电系统等部分，其中岸电连接设备用于连接船、岸两端，可安装于船舶、码头或者驳船侧，包括快速接插件（插头插座）岸电连接箱来稿日期：2 0 2 2-0 6-15基金项目：国家重点研发计划（2 0 18 YFC1407405）作者简介：刘源洞，（19 7 9-），男，山西长治人，博士研究生，副教授，主要研究方向：机械设计、计算机仿真及机器视觉自动化检测；杨运政，（19 9 5-），男，江西赣州人，硕士研究生，主要研究方向：船舶岸电连接设备（图1）、电缆悬吊装设备 5 、辅助插拔设备及各类变电配电设施组件等。岸电箱是接通船岸送电的关键环节 6-7 ,按其使用场合不同分为防爆岸电箱、高压岸电箱、中低压岸电箱 8-11 等型式，所使用的插头、插座及电缆规格（电缆外径30mmp110mm）多样。前限位板支撑板第8 期目前，船舶靠岸充电时，需将带电缆的岸电插头送至岸端，由人工将插头插人岸电箱插座 12 。一般岸电插头体积较大，内含充电电芯、通讯芯等多股通道，故尾部电缆较重，如图1所示。加之岸电箱插座角度限制，导致人力将插头插人插座时定位、插合阻力较大，接插效率低、劳动强度大。目前岸电插头插合后，采用机械手柄旋合将插头与插座锁紧，以防止插头受电缆拖拽等引起松动，但这种靠形状锁合的机械锁紧装置不具备强制脱离保护功能，当电缆不正常拉扯幅度过大时,往往导致岸电箱变形、地脚螺栓失效,存在漏电和火灾等巨大安全隐患。因此针对现有船舶岸电接插件人工插拔困难、机械锁紧无过载保护功能，专用辅助插拔设备市场空白现状，基于机构学创新设计思想，研制了一种兼具省力插拔及强制脱离保护等功能的插头辅助插拔装置。图1岸电箱工作状态图Fig.1 Working State Diagram of Shore Power Box2辅助插拔装置总体方案设计2.1总体方案中低压岸电箱的辅助插拔装置方案，如图2 所示。岸电插座插合面与水平方向成固定角度，即插头插合角=50,将岸电插头放置于插头固定模块上实现定位，同时将电缆放入导向环约束电缆拉扯力方向，插头固定模块通过强制分离保护模块与导轨滑块相连（过载时两者分开），正常工作时，采用助力杠杆或电推杆等驱动导轨滑块上行，带动插头准确插人到岸电插座中，再将助力杠杆手柄或电推杆锁紧。当电缆拉力沿插合方向过载时，强制分离保护模块分开，使插头和固定模块一起脱离整个装置，以保护岸电箱。岸电插头、插头固定模块电缆导向环机构电缆、图2 辅助插拔装置示意图Fig.2 Schematic Diagram of Auxiliary Plug-in Device对一款插合角=50的双工位中低压岸电箱为例进行设计刘源洞等：岸电箱插头辅助插拔装置设计研究插合助力模块三部分。2.2模块结构设计2.2.1插头固定和电缆导向环机构如图2 所示，插头插入插座是一个倾角的直线运动，故采用直线导轨模组进行导向；插头尾部连接的电缆较重，考虑到电缆弯曲和扭转姿态不固定的影响，因此设计电缆导向环机构约束电缆，使电缆对插头的拉扯作用力沿插合方向。插头固定需考虑插头可靠定位方式及尾部电缆影响，故针对插头外形特点，以插头的加工面（图3 所示定位面)作为定位点，保证定位精度，并利用形状锁合原理将插头两手柄作为限位面（图3 所示限位面），防止插头侧翻、上翘等情况。岸电插头岸电箱岸电插座机械手柄岸电插头一电缆岸电插座强制分离保护模块导轨滑块安装底座71研究，充分利用岸电箱空间结构，设计的辅助插拔装置按功能组成可分为插头固定及电缆导向环模块、强制分离保护模块及辅助滚套图3 插头固定及电缆导向环机构Fig.3Plug Fixing and Cable Guide Ring Mechanism为保证定位准确性、可靠性及操作方便性，具体插头固定设计包括：（1)插头固定机构采用三点定位原理，由前限位板及两个后耳座组成，左右两个后耳座贴紧插头手柄的曲面形成形状锁合，限制插头周向旋转和轴向位移；(2)前限位板、两个后耳座均安装在支撑板上，保证插头轴线与直线导轨平行度。电缆拉扯力方向是过载强制分离的关键设计依据，因此设计导向环机构，将电缆随机状态（图3 中2 5 方向）改变为沿插头轴线方向。具体结构包括：（1)打开导向环将电缆装入，导向环与电缆表面通过尼龙滚套接触，以减小摩擦力防止电缆表面划伤；(2)导向环转轴与基座为转动副，实现3 6 0 自适应旋转，防止电缆初始角度过大无法顺利改变方向等问题；（3)导向环视实际情况可设置多组，与插头固定模块距离根据现场空间调整。2.2.2弹簧滑块强制分离保护机构强制分离保护机构包括四边形强制分离块、限位滑块、弹簧和强制分离底座等构件，如图4所示。具体结构包括：（1)强制分离块与插头固定支撑板固定连接，强制分离底座与用于插头导向的导轨滑块固定连接，强制分离块形状与左右两个限位滑块面接触，限位块由弹簧顶住，一起放置于底座凹槽内；(2)强制分离块为轴对称不等边菱形结构，其形状和弹簧等可调节最大强脱力和定位面一限位面电缆导向环后耳座No.872机械设计与制造回复力；（3)正常情况下，电缆拉扯插头不足以使强制分离块脱开手柄旋转中心方向滑动，一起沿插合方向运动将插头准确插人限位滑块，整个强制分离保护机构作为一个整体运动，从而实现插座；正常插合和锁紧；（4)过载时，强制分离块挤压限位滑块，从而与(3插合到位后，通过定位销锁住手柄；供电结束，人工解锁插头固定支撑板一起与强制分离底座脱离。