新式機械反饋張力控制裝置的設計

殷曉春， 商克金

(大連通信電纜有限公司，遼寧大連116021)

0 引言

放線設備是線纜生產設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系到生產能否正常進行及產品質量能否達到要求的重要因素之一。放線設備從放線方式上分為主動放線和被動放線兩種。主動放線設備由于加入了驅動電機和控制系統(tǒng)，張力的控制精度可以做得較高，調節(jié)范圍也較寬，但設備的制造及使用成本也相對較高;而被動放線設備由于沒有上述電氣部分，其制造和使用費用則遠低于主動放線設備，雖然張力控制精度和調節(jié)范圍不如主動放線設備，但大多數情況下是可以滿足使用要求的，因此依然被廣泛使用。然而，現階段常見的被動放線設備在使用中也存在一些限制和不足。

1 現有被動放線設備存在的問題

張力控制裝置是被動放線設備中的關鍵部分，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放線設備在我們公司都在使用。而問題的起源是一臺具有50個放線架的成纜機，它采用的是無反饋張力控制裝置，工人在生產中需要間斷性地調整剎車盤的松緊，操作繁瑣而且經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合。隨著對產品質量要求的提高，這種放線張力控制裝置已不能滿足生產的需要，因此需要改進該成纜機放線架的張力控制裝置。

帶有機械反饋張力控制裝置的被動放線系統(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有的要求。

首先，擺臂滾筒式張力控制系統(tǒng)雖然已經基本能夠保證放線盤在空盤和滿盤時的放線張力大致相同，無需頻繁調整，但由于結構的限制，在實際使用時線纜的張力波動較大，當對張力控制穩(wěn)定度要求高一些時則無法滿足要求。另外由于彈簧相對容易損壞，進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構，使張力控制穩(wěn)定度進一步提高，克服了上述使用時擺臂抖動較大的缺陷。但仔細觀察圖1、圖2會發(fā)現，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。在實際生產中，當放線盤的尺寸較大且數量較多時(如上述50個放線架)，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，張力槍的結構又無法滿足使用要求。

2 新式機械反饋張力控制系統(tǒng)的設計

為了解決上述實際生產所遇到的困難，我們根據具體情況設計了圖3所示結構的新式機械反饋張力控制系統(tǒng)。在具體實施時有以下幾個問題需要確定。

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 新式機械反饋張力控制系統(tǒng)

2.1 設備適用性的確定

這里設備的適用性是指現有規(guī)格的線纜在所設計的設備上能否采用被動放線方式，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算或實驗獲得(用F1表示)，放線盤的重量對放線的影響可由實驗獲得，即將裝滿線纜的放線盤置于放線架上，用拉力計比照設備正常生產時的啟動速度拖動線纜，拉力計所顯示的最大值(用F2表示)即為所需要的數據。按照經驗，只要F1大于F2兩倍以上就可以采用被動放線方式。在本設計中經試驗獲得F1≥5 kg，F2≤1 kg，因此完全可以確定設備的適用性。

2.2 偏心量δ的選擇

這里先說一下選擇偏心輪結構的理由，所謂的機械反饋就是在線纜被拉緊時，系統(tǒng)能夠通過擺臂的擺動適當地放松剎車帶，進而達到一個平衡狀態(tài)。圖1所示系統(tǒng)的缺點就是由于放線盤慣性的影響，剎車帶放松總是過大(這一點是由其結構所限制的)，難以達到較穩(wěn)定的動態(tài)平衡，造成線纜張力的變動量較大，而采用偏心輪結構則可以較好地克服這一缺點。

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。它的數值由剎車帶所需產生的最大制動力矩(即在正常生產速度下突然停車放線盤快速制動所需的制動力矩)及所需的張力控制精度所決定。最大制動力矩決定了剎車帶被拉緊時所需的彈性延伸長度。進而，偏心量可由下面的公式計算出近似值:

δ≈ L/(1-cosθ)

式中，δ為偏心量;θ為張力擺臂的擺動角度，0°≤θ≤90°，在實際應用中θ一般小于60°;L為剎車帶被拉緊時的彈性延伸長度，其值由實驗取得。

此次設計中取 L=4.5，θ=60°，經計算:δ=9 mm。

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

2.3 放線張力的調整

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

(3)擺臂隨擺動角度變化所產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，基本無法調整。剎車帶的初始制動力矩的控制可由絲桿等零件所構成的拉索機構進行調整，只要調整到緊急停車后線纜達到不松散的效果即可。擺臂隨擺動所產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行調整。

需要注意的是，為了盡量增大張力調節(jié)的范圍，張力滾筒及擺臂要采用盡可能減輕重量的結構來設計。

3 新式機械反饋張力控制系統(tǒng)的實際應用

圖4 為新式機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)。

這套新式機械反饋張力控制系統(tǒng)用于我公司的50盤成纜機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的現象，生產中擺臂的抖動現象也基本消除，當遇到緊急停車時，也未出現線纜松散的情況。

圖4 偏心輪組裝圖

4 結束語

這套新式機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)格的電控主動放線的單套制造成本一般都在數千元以上。此外，該新式機械反饋張力控制系統(tǒng)不僅制造成本低，而且因無驅動電機及電氣控制系統(tǒng)而不用電，節(jié)省能源，維護容易。在降低企業(yè)生產成本的同時也完全符合當今社會所提倡的節(jié)能減排的發(fā)展理念。

經過一年多使用，該裝置的各方面性能均達到了設計目標，且操作簡單，也未出現任何故障。