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摘要：放眼全球，信息化、智能化、无人化是工程机械行业的发展趋势，行业趋势必将导致工程机械对移动控制提出更新、更高的技术要求。远距离、小空间、低成本、信号稳定是臂架类工程机械对移动控制信号传输部件的迫切要求，目前为止，电缆卷筒是满足上述要求的优选设备，本文着重就臂架类工程机械用电缆卷筒的设计和选型要点进行阐述。
关键词：工程机械；臂架类；电缆卷筒；设计和选型要点
臂架类工程机械在人们的生活中随处可见，如：起重机类、泵车类、高空作业车类、消防车类等，此类工程机械对信号传输的距离需求动辄上百米，且要求安装空间小，成本低、信号稳定，行业内的通用做法是采用电缆卷筒进行信号传输。下面在对电缆卷筒做基本概念介绍后，将重点阐述弹力式卷缆装置及卷筒选型和注意事项。
1.电缆卷筒的组成及工作原理
电缆卷筒由滑环集电器和卷缆装置两大部件组成。滑环集电器用来连接随卷筒旋转的电缆和固定在臂架类工程机械非转动部分上的电缆。卷缆装置是电缆卷筒的动力传递机构，它使电缆卷筒在工作过程中始终保持一定的卷绕力矩。电缆卷筒安装在臂架类工程机械的非转动部分，如安装在起重机的基本臂上，当起重机伸臂进行吊装作业时，起重机臂头部拉着电缆向外伸展，作用在电缆上的拉力克服电缆卷筒的卷绕力矩逐渐放出电缆，反之，当起重机臂头部向基本臂方向回缩时，则依靠电缆卷筒的卷绕力矩，在起重机臂回缩过程中逐渐将电缆卷到电缆卷筒上。
2.电缆卷筒的分类
电缆卷筒按驱动形式分为非电动式和电动式两大类。其中，非电动式电缆卷筒包括：弹力式（TA）、重锤式（ZC）、磁耦合式（JQC）；电动式电缆卷筒包括：磁耦合式（JQD）、力矩电机式（KDO）、磁滞式（CZ）和变频控制式（BP）；各种类型电缆卷筒的动力来源、特点及适用范围如下表所示：
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由于弹力式电缆卷筒具有安装简单、结构紧凑、同步性好、电缆张力小，成本较低等优点已被广泛应用于臂架式工程机械上，以下研究仅针对弹力式电缆卷筒进行阐述，其余电缆卷筒本文不作介绍。
3.弹力式卷缆装置
弹力式卷缆装置卷绕电缆的动力是由涡卷弹簧（以下简称卷簧）产生的，卷簧按钟表发条的原理进行设计计算，详见机械设计手册。当起重机臂头部拉着电缆向外伸展进行吊装作业时，在电缆上产生拉力，带动卷筒壳体旋转而将卷簧卷紧，此时卷簧储蓄机械能。当起重机臂头部向基本臂方向回缩时，卷簧由卷紧状态逐渐放松而释放机械能，产生卷绕力矩驱动电缆卷筒壳体旋转而卷绕电缆。弹力式电缆卷筒卷绕电缆的长度与所使用卷簧的工作长度直接相关：1）被卷绕的电缆长度较短时，可仅使用一盘卷簧，卷簧的内端与卷筒轴连接，外端与卷筒的壳体连接，此时卷簧的有效工作圈数便是电缆卷筒的工作圈数；2）被卷绕的电缆长度较长时，为了减少单根卷簧的长度和减小卷筒的径向尺寸，可采用行星传动方式或卷簧串联方式。行星传动方式如图1所示，行星轮的转臂H 通过轴承套在电缆卷筒的轴上，太阳轮固定在电缆卷筒的轴上，卷筒轴与卷筒壳体固接并一起旋转，带内齿的大齿圈与支座固接（不旋转）。卷筒壳体的另一端通过滚动轴承支承在大齿圈的轴套上。卷簧内端固定在行星传动的转臂H 的轴套上，卷簧外端与卷簧盒相连，通过卷簧盒外部筋板带动卷筒壳体内壁的筋板而传递动力。这样，卷簧的有效工作圈数n工和电缆卷筒的工作圈数n卷之间的比值n卷/n工=i，即等于行星传动中内齿圈固定，太阳轮传至转臂H 的传动比iH= 1 +（Z齿圈/Z太）（式中Z齿圈，Z太分别为内齿圈和太阳轮的齿数）。卷簧通过行星传动传递给卷筒壳体的动力，将是用卷簧直接驱动卷筒壳体动力的1/ i，为了弥补这个动力的缩小，可增大卷簧截面尺寸以提高其驱动力矩。但是大尺寸的卷簧给制造、安装（即热处理和卷绕工艺）带来困难，为此在结构上采用多个卷簧并联的形式（图1）。
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图1
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图2
采用卷簧串联的方式如图2所示。卷簧盒a 通过外壁的筋板与卷筒壳体相连而传递动力，卷簧盒a（图2的c - c 剖面）中的卷簧外端固定在卷簧盒外壳上，内端和卷簧b（图2的D - D 剖面）的内端并列固定在轴套上，轴套空套在电缆卷筒轴上，卷簧b 的外端和卷簧c（图2 的E - E 剖面）的外端并列固定在簧盒d 的外壳上，而卷簧c的内端则固定在电缆卷筒的固定轴上。这样卷簧a、b、c的内端与内端，外端与外端相连组成了一个串联结构。图2所示卷筒在电缆拉力的作用下顺时针旋转时，卷筒通过内壁筋板带动卷簧盒a 旋转而将卷簧a 卷紧，由于卷簧a的内端与卷簧b 的内端并列固定在轴套上，卷簧a卷紧时带动轴套顺时针旋转，轴套再带动卷簧b的内端一起旋转从而卷紧卷簧b。此时卷簧盒d由于卷簧b的卷紧也顺时针方向旋转而带动卷簧c卷紧。弹力式电缆卷筒结构紧凑而无需附加电力驱动装置，且成本较低，已成为电缆卷筒研究的一个发展方向，但大尺寸（厚度、宽度、长度）的卷簧热处理工艺较困难，需要专用的热处理设备及卷绕设备，须由专业厂家生产。
4.弹力式电缆卷筒的选型及注意事项
电缆卷筒生产厂家通常会提供卷筒的选型参数表，4.1选型参数：1）安装类型及出线方式；2）防护等级；3）电缆型号选择：当选择电缆时，需要注意厂家提供的电缆数据。为了保证正确选择电缆，首先需要知道使用的环境，同时需要考虑由于电缆层数产生的热效应，并且不能超过电缆允许的最大张力。通常推荐的电缆为环境温度为+30℃ 到 - 10℃，低温时电缆硬度加大，需要更高的弹簧力，需要特殊说明。4）电缆长度选择：电缆长度为拉伸的最大距离，加上需保留在卷筒上的 1~2圈电缆，加上固定端需要的电缆长度。尽量不要在卷筒上放多余的电缆。5）电缆的安装：向卷筒上卷绕电缆时，必须保证没有扭曲或弯曲，这样才能保证电缆在整个拉伸过程中保持直线。6）导轮及滑轮的使用：为了防止电缆快速回弹时跳动，以及拉伸长度过长时下垂，可以使用固定导轮和滑轮。但要防止电缆在通过导轮或滑轮时，反向受力。4.2 注意事项：1）当卷筒在很低位置安装时，电缆须从卷筒上部离开；2）如使用导轮或滑轮，需要注意导轮与卷筒之间的最短距离；电缆在通过导轮时，电缆侧向角度变化要小于2度；3）据额定电流，最高温度和最大的电缆层数决定所需电缆内芯尺寸；注意电缆层数会影响到电缆的正确选型；
参考文献：
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