新式機(jī)械反饋張力控制裝置的設(shè)計(jì)

殷曉春， 商克金

(大連通信電纜有限公司，遼寧大連116021)

0 引言

放線設(shè)備是線纜生產(chǎn)設(shè)備中不可缺少的組成部分，而其中張力控制部分的性能是關(guān)系到生產(chǎn)能否正常進(jìn)行及產(chǎn)品質(zhì)量能否達(dá)到要求的重要因素之一。放線設(shè)備從放線方式上分為主動(dòng)放線和被動(dòng)放線兩種。主動(dòng)放線設(shè)備由于加入了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制系統(tǒng)，張力的控制精度可以做得較高，調(diào)節(jié)范圍也較寬，但設(shè)備的制造及使用成本也相對(duì)較高;而被動(dòng)放線設(shè)備由于沒有上述電氣部分，其制造和使用費(fèi)用則遠(yuǎn)低于主動(dòng)放線設(shè)備，雖然張力控制精度和調(diào)節(jié)范圍不如主動(dòng)放線設(shè)備，但大多數(shù)情況下是可以滿足使用要求的，因此依然被廣泛使用。然而，現(xiàn)階段常見的被動(dòng)放線設(shè)備在使用中也存在一些限制和不足。

1 現(xiàn)有被動(dòng)放線設(shè)備存在的問題

張力控制裝置是被動(dòng)放線設(shè)備中的關(guān)鍵部分，從控制方式上分為有反饋和無反饋控制兩種。而有反饋的張力控制裝置常見的又有擺臂滾筒式張力控制系統(tǒng)(見圖1)和張力槍張力控制系統(tǒng)(見圖2)兩種。剛好，上述三種張力控制方式的被動(dòng)放線設(shè)備在我們公司都在使用。而問題的起源是一臺(tái)具有50個(gè)放線架的成纜機(jī)，它采用的是無反饋張力控制裝置，工人在生產(chǎn)中需要間斷性地調(diào)整剎車盤的松緊，操作繁瑣而且經(jīng)常造成線纜張力不均勻，由此可知，無反饋張力控制裝置只能用于要求不高且放線盤不多的場(chǎng)合。隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，這種放線張力控制裝置已不能滿足生產(chǎn)的需要，因此需要改進(jìn)該成纜機(jī)放線架的張力控制裝置。

帶有機(jī)械反饋張力控制裝置的被動(dòng)放線系統(tǒng)能夠避免上述問題。但前面提到的兩種有反饋的張力控制裝置還是不能滿足現(xiàn)有的要求。

首先，擺臂滾筒式張力控制系統(tǒng)雖然已經(jīng)基本能夠保證放線盤在空盤和滿盤時(shí)的放線張力大致相同，無需頻繁調(diào)整，但由于結(jié)構(gòu)的限制，在實(shí)際使用時(shí)線纜的張力波動(dòng)較大，當(dāng)對(duì)張力控制穩(wěn)定度要求高一些時(shí)則無法滿足要求。另外由于彈簧相對(duì)容易損壞，進(jìn)而影響到張力的控制精度。

其次，張力槍張力控制系統(tǒng)由于加入了偏心輪結(jié)構(gòu)，使張力控制穩(wěn)定度進(jìn)一步提高，克服了上述使用時(shí)擺臂抖動(dòng)較大的缺陷。但仔細(xì)觀察圖1、圖2會(huì)發(fā)現(xiàn)，張力槍張力控制系統(tǒng)的放線方向與放線盤的軸向是平行的，而擺臂滾筒式張力控制系統(tǒng)的放線方向與放線盤的軸向是垂直的。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)放線盤的尺寸較大且數(shù)量較多時(shí)(如上述50個(gè)放線架)，常常需要采用放線方向與放線盤的軸線垂直的放線方式。此時(shí)，張力槍的結(jié)構(gòu)又無法滿足使用要求。

2 新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了解決上述實(shí)際生產(chǎn)所遇到的困難，我們根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)了圖3所示結(jié)構(gòu)的新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)。在具體實(shí)施時(shí)有以下幾個(gè)問題需要確定。

圖1 擺臂滾筒式張力控制系統(tǒng)

圖2 張力槍張力控制系統(tǒng)

圖3 新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)

2.1 設(shè)備適用性的確定

這里設(shè)備的適用性是指現(xiàn)有規(guī)格的線纜在所設(shè)計(jì)的設(shè)備上能否采用被動(dòng)放線方式，無損傷且穩(wěn)定地放出，這主要由線纜所能承受的(線徑不發(fā)生變化的)拉力、放線盤的重量(裝滿線后的重量)所決定。線纜所能承受的拉力可由計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得(用F1表示)，放線盤的重量對(duì)放線的影響可由實(shí)驗(yàn)獲得，即將裝滿線纜的放線盤置于放線架上，用拉力計(jì)比照設(shè)備正常生產(chǎn)時(shí)的啟動(dòng)速度拖動(dòng)線纜，拉力計(jì)所顯示的最大值(用F2表示)即為所需要的數(shù)據(jù)。按照經(jīng)驗(yàn)，只要F1大于F2兩倍以上就可以采用被動(dòng)放線方式。在本設(shè)計(jì)中經(jīng)試驗(yàn)獲得F1≥5 kg，F(xiàn)2≤1 kg，因此完全可以確定設(shè)備的適用性。

2.2 偏心量δ的選擇

這里先說一下選擇偏心輪結(jié)構(gòu)的理由，所謂的機(jī)械反饋就是在線纜被拉緊時(shí)，系統(tǒng)能夠通過擺臂的擺動(dòng)適當(dāng)?shù)胤潘蓜x車帶，進(jìn)而達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。圖1所示系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是由于放線盤慣性的影響，剎車帶放松總是過大(這一點(diǎn)是由其結(jié)構(gòu)所限制的)，難以達(dá)到較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡，造成線纜張力的變動(dòng)量較大，而采用偏心輪結(jié)構(gòu)則可以較好地克服這一缺點(diǎn)。

如圖3所示，偏心量是指偏心輪的圓心與所在軸的軸心的距離。它的數(shù)值由剎車帶所需產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩(即在正常生產(chǎn)速度下突然停車放線盤快速制動(dòng)所需的制動(dòng)力矩)及所需的張力控制精度所決定。最大制動(dòng)力矩決定了剎車帶被拉緊時(shí)所需的彈性延伸長(zhǎng)度。進(jìn)而，偏心量可由下面的公式計(jì)算出近似值:

δ≈ L/(1-cosθ)

式中，δ為偏心量;θ為張力擺臂的擺動(dòng)角度，0°≤θ≤90°，在實(shí)際應(yīng)用中θ一般小于60°;L為剎車帶被拉緊時(shí)的彈性延伸長(zhǎng)度，其值由實(shí)驗(yàn)取得。

此次設(shè)計(jì)中取 L=4.5，θ=60°，經(jīng)計(jì)算:δ=9 mm。

需要說明的是，L取值越大緊急制動(dòng)效果越好，但L取值變大后會(huì)導(dǎo)致δ變大，L相對(duì)擺角θ的變化率也變大，進(jìn)而降低了張力控制的穩(wěn)定度。所以，L的取值只要達(dá)到緊急停車后線纜達(dá)到不松散的效果即可。

2.3 放線張力的調(diào)整

決定放線張力值的因素有以下幾點(diǎn):(1)系統(tǒng)自身的阻尼及放線盤的慣性;(2)剎車帶的初始制動(dòng)力矩;

(3)擺臂隨擺動(dòng)角度變化所產(chǎn)生的重力力矩的變化。

系統(tǒng)自身的阻尼及放線盤的慣性均由它們自然條件所決定，基本無法調(diào)整。剎車帶的初始制動(dòng)力矩的控制可由絲桿等零件所構(gòu)成的拉索機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，只要調(diào)整到緊急停車后線纜達(dá)到不松散的效果即可。擺臂隨擺動(dòng)所產(chǎn)生的重力力矩的控制可由配重砝碼的加減及改變砝碼在擺臂上的位置來進(jìn)行調(diào)整。

需要注意的是，為了盡量增大張力調(diào)節(jié)的范圍，張力滾筒及擺臂要采用盡可能減輕重量的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)。

3 新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

圖4 為新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)的核心部件偏心輪的組裝圖。偏心輪外環(huán)通過拉索與剎車帶連接，擺臂的中心開有固定砝碼的長(zhǎng)槽。

此外還需注意的是，在條件允許的情況下盡量加大剎車盤的直徑，以便獲得更好的制動(dòng)效果。本例中剎車盤的外徑為220 mm(放線盤的外徑為500 mm)。

這套新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)用于我公司的50盤成纜機(jī)后取得了很好的使用效果。徹底消除了線纜被拉伸后線徑變細(xì)的現(xiàn)象，生產(chǎn)中擺臂的抖動(dòng)現(xiàn)象也基本消除，當(dāng)遇到緊急停車時(shí)，也未出現(xiàn)線纜松散的情況。

圖4 偏心輪組裝圖

4 結(jié)束語

這套新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)的單套制造成本僅幾百元，而相同規(guī)格的電控主動(dòng)放線的單套制造成本一般都在數(shù)千元以上。此外，該新式機(jī)械反饋張力控制系統(tǒng)不僅制造成本低，而且因無驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電氣控制系統(tǒng)而不用電，節(jié)省能源，維護(hù)容易。在降低企業(yè)生產(chǎn)成本的同時(shí)也完全符合當(dāng)今社會(huì)所提倡的節(jié)能減排的發(fā)展理念。

經(jīng)過一年多使用，該裝置的各方面性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，且操作簡(jiǎn)單，也未出現(xiàn)任何故障。