摘要：升降式高杆照明灯一般采用外置式螺旋电缆，随着升降杆高度的增加其电缆固定困难和制作成本也相应增加，升降式高杆照明灯采用电动电缆盘电缆收放形式会带来升降杆升降和电缆收放之间的不同步; 通过采用扭力电缆盘储存转动势能解决高杆照明灯升降与电缆收放的同步问题，研究扭力电缆盘中蜗卷弹簧的受力分析和弹簧的选择，并结合实例比较两种布置形式的优势，结果表明扭簧电缆盘具有结构简单、成本低的优点。

1 引言

目前，小型移动照明车升降杆上的电缆多采用外置螺旋布置形式，电缆成螺旋状缠绕于升降杆上。灯杆增加高度，需增加电缆长度及加大缠绕半径( 螺旋状的拉伸比一般为1.3 ～ 1.5) ，这增大电缆消耗数量和材料成本，由于圈数增多，电缆缠绕半径加大，作业时盘绕在升降杆周围的电缆无法固定，大风雨雪天气电缆易晃动，对升降杆有较大冲击。此外，螺旋电缆需要定制，制作时通过热变形使外护套产生一定的预应力，如长期拉伸螺旋电缆会产生老化导致龟裂，影响电缆的绝缘性，严重时拉伸后螺旋电缆不能有效恢复到初始状态，导致电缆绕结、锁死，甚至拉断。

采用电动电缆盘电缆收放形式，存在的主要问题是灯杆的升降必须与电缆的收放同步，超前或滞后都会造成电缆受力产生应力疲劳或在下降过程中不同步造成较多的电缆在底部无序冗长堆积。

为保证电缆收放时受到较小的拉力，实现电缆自动缠绕。扭力弹簧电缆盘可较好的满足要求，其结构如图1 所示。上升过程中，随升降杆上升的电缆带动电缆盘转动将动能转化为弹簧势能储存于扭力弹簧中，扭力弹簧对电缆作用较小的预紧拉力; 下降过程中，随着灯盘带动电缆下降，扭力弹簧的弹性势能转化为电缆盘的转动动能，带动电缆缠绕收回，预紧拉力的作用也保证了电缆的走向。

扭力弹簧能实现灯杆升降与电缆收放的同步，降低电缆所受拉力，此外扭力电缆盘无需消耗额外电能，节省了能量。

针对现有照明车升降杆采用螺旋电缆的不足，将扭力弹簧装置引入到升降照明系统中，研究实际应用参数的变化，评价其性能，从而确定其应用的可能性。

2 扭力弹簧参数设计

2．1 扭力弹簧选型

根据电缆在电缆盘上的盘绕特点、扭力弹簧的特性和电缆盘的空间大小，选取接触式平面蜗卷弹簧作为扭力弹簧。平面蜗卷弹簧是将等截面的细长材料在一个平面内卷成蜗卷状的弹簧，其工作状态是一端固定另一端施加转矩，在承载后弹簧的各截面受到弯矩作用而产生弯曲弹性变形，由于转矩的作用使蜗卷产生一定的角位移，从而储存了一定的弹性势能。其最大优点是能在有限的空间内储存较大的能量，同时具有绕制简单、工作可靠、维修方便特点。

2．2 蜗卷弹簧参数设计

平面蜗卷弹簧的外端支撑于壳体上，内端支撑于可旋转的芯轴上，这种弹簧的扭矩特性是由卷芯的内外径、弹簧的长度和截面尺寸以及弹簧接触面的摩擦情况确定的。由于接触式蜗卷弹簧内存在片与片之间的摩擦，很难精确计算出结果，所以在一般情况下，先设定最大转矩和工作转数来进行弹簧参数的选择然后验算其是否符合要求。

由于蜗卷弹簧卷紧时储存能量松开时释放能量，松开时的扭矩特性很重要。图2为其结构及扭矩特性曲线，其中曲线1 为卷紧时的扭矩特性曲线，曲线2为放松时的扭矩特性曲线。从蜗卷弹簧的扭矩特性曲线可以看出，当蜗卷弹簧过分卷紧时，扭矩曲线急剧上升( E 点) ，而完全放松后弹簧不对外输出扭矩( B 点) ，故在实际使用中按略放松位置点( F 点)的扭矩作为最大扭矩值; 弹簧最外一圈尚未离开盒壁位置点( G 点) 作为最小输出扭矩值，使平面蜗卷弹簧在使用过程中从最大扭矩附近到放松至所规定的圈数都能保持较为恒定的扭矩变化。

蜗卷弹簧由钢板冷卷成型，其最大扭矩下的许用应力按材料抗拉强度选取，在设计时要考虑最大输出扭矩Tsmax和最小输出扭矩Tsmin，其中，输出力矩与弹簧的外端固定形式有关。

（1）弹簧基本计算公式:

其中: b 为材料板厚，mm; h 为材料板宽，mm; σb为材料抗拉强度，N/mm2 ; K1为修正系数( 输出力矩和理论力矩之差值) ，可按表1 查取。

由于板宽和厚度对弹簧的输出扭矩影响较大，一般根据安装空间选定宽度b( 在满足力矩的条件下尽可能选择较大的宽度，这可减少厚度，使得弹簧的力矩变化较小) ，然后再计算h 值。弹簧卷芯直径d2与弹簧的强度系数m 有关( d2 = mh) ，m 过小会使得弹簧内圈卷绕半径小而使应变增大，容易造成内端应力集中使弹簧损坏; m 过大使得卷芯直径增大，减少弹簧变形圈数会使输出力矩减少，一般m 的选取范围在( 15 ～ 25)。选取的h 和b 值应符合国家机械行业涡旋弹簧设计标准。

（2）平面蜗卷弹簧尺寸参数确定: 平面蜗卷弹簧尺寸参数计算公式，如表2 所示。

其中: l 为弹簧工作部分展开长度，E 为材料弹性模量，n0为自由状态下弹簧参数，n2为弹簧在芯轴上的卷紧圈数，n1为未加扭矩时的圈数，n 为有效工作圈数，D2为外壳内径。对一般弹簧材料而言，E 的取值为205800MPa，K2为有效系数，其值可根据d2 /h在图3 曲线中查找。