電磁線疊包率控制工藝研究

凌翠平，楊學(xué)軍

(中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

軌道牽引電機(jī)定子線圈所使用的電磁線為耐電暈聚酰亞胺薄膜燒結(jié)的扁銅線， 薄膜疊包率對(duì)于電磁線乃至整個(gè)電機(jī)的電氣性能至關(guān)重要，疊包率過(guò)小會(huì)導(dǎo)致絕緣性能不佳，疊包率過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致尺寸超差，進(jìn)而影響電氣性能。因此，如何控制電磁線疊包率成為一個(gè)重要課題。

1 電磁線絕緣疊包率影響因素的理論分析

電磁線由包裹在外面的耐電暈聚酰亞胺薄膜和扁銅線組成，在軌道牽引電機(jī)中，為了獲得優(yōu)良的絕緣性能，薄膜疊包率通常會(huì)大于50%。疊包率超過(guò)50%的絕緣疊包如圖1所示。

圖1 絕緣疊包示意圖

疊包率γ計(jì)算公式為：

從式(1)可以看出，影響疊包率的因素為疊包寬度D1和薄膜帶寬D2。

1.1 薄膜帶寬D2的影響分析

以美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的單面復(fù)合聚全氟乙丙烯薄膜型耐電暈聚酰亞胺薄膜 Kapton-150FCR019為例，薄膜厚度為0.038 mm，寬度選擇范圍為12～15 mm，按常規(guī)膜寬12.7 mm計(jì)算，根據(jù)杜邦產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書(shū)，其公差為±0.2 mm。

參數(shù)設(shè)定時(shí)，疊包率和薄膜帶寬均為固定值，在假定設(shè)備精度足夠高的情況下，計(jì)算因薄膜帶寬波動(dòng)而導(dǎo)致的疊包率偏差見(jiàn)表1。

表1 因薄膜帶寬波動(dòng)而導(dǎo)致的疊包率偏差

從上表中可以看出，薄膜帶寬極限偏差帶來(lái)的疊包率偏差可達(dá)到1.67%。

1.2 疊包寬度D1的影響分析

分析電磁線制作的工藝過(guò)程，分為8個(gè)單元：導(dǎo)線送線→導(dǎo)線校直→導(dǎo)線清理→薄膜繞包→薄膜燒結(jié)→電磁線冷卻→電磁線檢測(cè)→收線單元。導(dǎo)線送進(jìn)的動(dòng)力由收線單元給出，收線單元牽引導(dǎo)線勻速前進(jìn)。薄膜裝載在包帶頭上，包帶頭帶動(dòng)薄膜旋轉(zhuǎn)，繞包到導(dǎo)線上。在導(dǎo)線前進(jìn)的方向上包帶頭無(wú)位移。因此，疊包率主要由導(dǎo)線送進(jìn)速度、包帶頭旋轉(zhuǎn)速度、導(dǎo)線尺寸決定。薄膜繞包示意圖如圖2所示。

將電磁線沿中心線展開(kāi)，模擬絕緣疊包情況，分析薄膜與電磁線之間的關(guān)系如圖2、圖3所示。

圖2 薄膜繞包示意圖 圖3 電磁線展開(kāi)圖

由圖2和圖3可知，疊包率γ、疊包寬度D1、薄膜帶寬D2、薄膜遞進(jìn)寬度D3、疊包節(jié)距D4、導(dǎo)線截面周長(zhǎng)L、疊包角度α、導(dǎo)線送進(jìn)速度V以及包帶頭轉(zhuǎn)速ω之間有如下關(guān)系式：

由式(1)至(5)可得到導(dǎo)線送進(jìn)速度V、包帶頭轉(zhuǎn)速與疊包率γ、薄膜帶寬D2之間的關(guān)系為：

從式(7)可以看出，當(dāng)D2和L確定的情況下，V和ω是否匹配決定了γ的準(zhǔn)確度。

2 實(shí)物尺寸測(cè)量

2.1 薄膜尺寸測(cè)量

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)3個(gè)批次的薄膜進(jìn)行抽查，測(cè)得薄膜尺寸為(12.7±0.05)mm，偏差范圍為極限偏差的 1/4。在其他因素不變的情況下，薄膜帶寬偏差引起的疊包率偏差約為0.31%。

2.2 導(dǎo)線尺寸測(cè)量

抽查某待繞包的導(dǎo)體，導(dǎo)體標(biāo)稱(chēng)尺寸為 1.66×4.73，圓角為R0.65，導(dǎo)體公差參照GB/T 5584.1—2009規(guī)定執(zhí)行。導(dǎo)體標(biāo)稱(chēng)周長(zhǎng)L為16.862，實(shí)測(cè)導(dǎo)體寬度為1.64×4.72，圓角按R0.65計(jì)算，導(dǎo)體實(shí)際周長(zhǎng)L為16.802，偏差為0.35%。

在其他因素不變的情況下，周長(zhǎng)偏差引起的疊包率偏差約為0.3%。

2.3 薄膜疊包率測(cè)量

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備輸入?yún)?shù)為導(dǎo)線送進(jìn)速度V、疊包率γ、薄膜帶寬D2、導(dǎo)線截面寬度、高度和圓角等尺寸信息，包帶頭轉(zhuǎn)速ω由設(shè)備自動(dòng)計(jì)算得出。某型電磁線，導(dǎo)線尺寸和薄膜帶寬確定，疊包率設(shè)置為 53%。在不同導(dǎo)線送進(jìn)速度的情況下，測(cè)量導(dǎo)線的實(shí)際疊包率如表2所示。

表2 在不同導(dǎo)線送進(jìn)速度的情況下，測(cè)量導(dǎo)線的實(shí)際疊包率

由此可知，導(dǎo)線送進(jìn)速度越高，疊包率越不精確。

對(duì)電磁線生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行分析，導(dǎo)線送進(jìn)的牽引力由最后的卷線驅(qū)動(dòng)單元給出，該動(dòng)力直接施加在滾輪盤(pán)上，導(dǎo)線與滾輪盤(pán)之間通過(guò)橡膠帶壓緊，壓力可調(diào)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量滾輪盤(pán)的圓周面跳動(dòng)，在靠中間和外側(cè)的跳動(dòng)量約為0.15 mm，靠里側(cè)的跳動(dòng)量達(dá)到了0.35 mm。因此分析導(dǎo)致疊包率波動(dòng)的原因之一為導(dǎo)線在收線單元的滾輪盤(pán)上存在打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致V和ω不匹配。

觀察導(dǎo)線在進(jìn)入繞包箱之前有定位導(dǎo)輪，經(jīng)過(guò)繞包頭之后也有支撐導(dǎo)輪，兩組導(dǎo)輪之間導(dǎo)線懸空。通過(guò)觀察設(shè)備運(yùn)行情況可知，由于疊包時(shí)薄膜拉扯導(dǎo)線單邊受力，絕緣繞包時(shí)導(dǎo)線晃動(dòng)很大。導(dǎo)線徑向方向上的擺動(dòng)影響了送進(jìn)速度V，因而也導(dǎo)致V和ω不匹配，這是原因之二。

3 改善措施

結(jié)合對(duì)疊包率影響因素的分析，采取以下措施對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改善。

(1)設(shè)備振動(dòng)以及導(dǎo)線擺動(dòng)都是由包帶頭帶動(dòng)的，通過(guò)對(duì)包帶頭進(jìn)行動(dòng)平衡，減少其對(duì)導(dǎo)線振動(dòng)的影響。

(2)在測(cè)量導(dǎo)線實(shí)際送進(jìn)速度的旋轉(zhuǎn)編碼器處增加導(dǎo)輪，對(duì)導(dǎo)線施加壓力，確保編碼器能測(cè)到準(zhǔn)確的導(dǎo)線送進(jìn)速度，如圖4、圖5所示。

圖4 導(dǎo)輪和導(dǎo)線示意圖

圖5 導(dǎo)輪和導(dǎo)線示意圖（施壓后）

(3)包帶單元內(nèi)增加輔助限位滾輪或?qū)л啠瑴p少導(dǎo)線的懸伸長(zhǎng)度，降低導(dǎo)線的振動(dòng)量，如圖 6、圖7所示。

圖6 包帶單元

圖7 限位滾輪或?qū)л?/p>

(4)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量收線單元的驅(qū)動(dòng)輪圓周面跳動(dòng)，在靠中間和外側(cè)的跳動(dòng)量約為0.15 mm，靠里側(cè)的跳動(dòng)量達(dá)到0.35 mm，及時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行修整，將圓周面跳動(dòng)量控制在0.15 mm以?xún)?nèi)。

(5)在生產(chǎn)線末端驅(qū)動(dòng)輪的橡膠帶張緊力調(diào)節(jié)點(diǎn)增加彈簧補(bǔ)償，避免皮帶松弛帶來(lái)的電磁線與滾輪滑動(dòng)導(dǎo)致速度不匹配問(wèn)題。如圖8、圖9所示。

圖8 橡膠帶張緊力調(diào)節(jié)點(diǎn)

圖9 彈簧補(bǔ)償

4 效果驗(yàn)證

對(duì)包帶單元的改善措施，可以通過(guò)測(cè)量包帶單元的振動(dòng)量來(lái)監(jiān)控改善效果。分步在包帶單元內(nèi)增加限位導(dǎo)輪、對(duì)包帶頭進(jìn)行動(dòng)平衡配重等措施以后，監(jiān)測(cè)包帶單元的振動(dòng)情況如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)包帶單元的振動(dòng)情況

由表3可知，增加限位導(dǎo)輪和將包帶頭進(jìn)行動(dòng)平衡處理都能有效地降低導(dǎo)線的晃動(dòng)情況。

結(jié)合對(duì)收線單元的驅(qū)動(dòng)輪修整以及橡膠帶張力控制改善之后，重新生產(chǎn)某型電磁線，導(dǎo)線尺寸和薄膜帶寬確定，疊包率設(shè)置為53%，導(dǎo)線送進(jìn)速度設(shè)為5 m/min，測(cè)量實(shí)物疊包率的情況與改善前對(duì)比如表4所示。

表4 測(cè)量實(shí)物疊包率的情況與改善前對(duì)比

從表4可知，改善措施實(shí)施后，實(shí)物疊包率與設(shè)定值更為接近，且疊包率偏差從 1.18%降到0.66%，疊包率更為穩(wěn)定、精確。

5 結(jié)論

通過(guò)分析電磁線疊包率的影響因素，并結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備對(duì)影響疊包率精確度的因素進(jìn)行了改善，通過(guò)技術(shù)手段提高電磁線疊包率的控制精度，確保電磁線疊包率滿足生產(chǎn)要求。