籠式絞線機(jī)搖籃架的退扭機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫 健

(蕪湖電工機(jī)械有限公司，安徽蕪湖241001)

0 引言

當(dāng)絞線在絞合時(shí)，隨著絞籠的旋轉(zhuǎn)，單線以螺旋的方式卷繞在以基圓為直徑的圓柱體上，單線各處都會(huì)彎曲，同時(shí)單線還圍繞著自身軸線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，在一個(gè)節(jié)距內(nèi)扭轉(zhuǎn)的角度為360°(即2π)。單線的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，使絞線產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響絞線質(zhì)量。由于絞線結(jié)構(gòu)的原因，單線絞合時(shí)的彎曲變形不可避免，而扭轉(zhuǎn)變形的問(wèn)題則可以通過(guò)采用退扭工藝來(lái)解決［1］。

籠式絞線機(jī)具有退扭機(jī)構(gòu)，常用的有鉸接式四連桿機(jī)構(gòu)、行星齒輪退扭機(jī)構(gòu)。在絞線過(guò)程中，它們都可以使搖籃架保持水平，使單線在絞合時(shí)，只產(chǎn)生彎曲而不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，實(shí)現(xiàn)完全退扭。因此通過(guò)籠式絞線機(jī)絞合出來(lái)的絞線質(zhì)量非常好，能夠滿(mǎn)足電氣使用的要求。

1 籠式絞線機(jī)的結(jié)構(gòu)形式

籠式絞線機(jī)的主體——放線部分，是一種籠形結(jié)構(gòu)件，通稱(chēng)絞籠(見(jiàn)圖1)。2～6個(gè)圓形絞盤(pán)安裝在一根主軸上(圖中是3個(gè)絞盤(pán)安裝在一根主軸上)，通常有6個(gè)搖籃式放線架為一組，通過(guò)退扭機(jī)構(gòu)圓周均布在2個(gè)絞盤(pán)之間。單線從搖籃式放線架的放線盤(pán)中放出后通過(guò)分線板匯集到并線模處。當(dāng)絞合時(shí)，籠式絞線機(jī)需要作兩種運(yùn)動(dòng):一個(gè)是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，使被絞制的單線圍繞主軸軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);另一個(gè)是通過(guò)牽引裝置將匯集到并線模并圍繞主軸線旋轉(zhuǎn)的各單線拖動(dòng)向前，這樣就完成了絞合運(yùn)動(dòng)。

圖1 絞籠結(jié)構(gòu)圖

由于絞籠尺寸較大，安裝在搖籃式放線架上的絞線也很重，當(dāng)絞籠作高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的離心慣性力。因此，搖籃架放線架的支撐形式非常重要，它的好壞直接反映了絞籠性能的優(yōu)劣。

2 老式退扭機(jī)構(gòu)的分析

在老結(jié)構(gòu)的籠式絞線機(jī)中，搖籃式放線架的支撐機(jī)構(gòu)是一種鉸接式的四連桿退扭機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。

圖2 四連桿退扭機(jī)構(gòu)

具體結(jié)構(gòu)如下:搖籃式放線架兩端的中心點(diǎn)上各鏜一個(gè)安裝支承孔。右端的孔里裝有后軸，再通過(guò)軸端部的軸承支撐在右側(cè)的絞盤(pán)上;左端的側(cè)面裝有退扭軸，退扭軸的右端做成法蘭狀，法蘭軸的小短凸臺(tái)定位在放線架的支承孔里，法蘭面與搖籃式放線架的左端面通過(guò)4個(gè)M12的螺栓緊緊地固聯(lián)在一起，退扭軸上裝有軸承，支撐在左側(cè)的絞盤(pán)上。這樣，一個(gè)搖籃式放線架就安裝在2個(gè)相鄰的圓形絞盤(pán)之間。由于每個(gè)放線架的兩端與絞盤(pán)之間分別是通過(guò)軸承連接的，所以放線架相對(duì)于絞盤(pán)可以繞著自身的支撐軸線旋轉(zhuǎn)［2］。

退扭曲柄的一個(gè)孔通過(guò)普通平鍵與退扭軸的左端相連接，另一個(gè)孔通過(guò)銷(xiāo)軸與退扭環(huán)鉸接在一起。退扭環(huán)中心與絞盤(pán)中心的距離為L(zhǎng)，且等于退扭曲柄兩孔之間的距離，這樣，絞盤(pán)、退扭環(huán)和退扭曲柄之間形成了四連桿機(jī)構(gòu)。AB及DC桿為雙曲柄，BC桿為連桿，AB與DC相等，BC又與AD相等，故此機(jī)構(gòu)為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。AB與DC桿角速度瞬時(shí)相等，所以在AB與DC桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，BC桿時(shí)時(shí)處于垂直位置。從以上分析可知，絞盤(pán)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，四連桿機(jī)構(gòu)控制搖籃式放線架作平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)退扭。

通過(guò)上述分析可知，與放線架左端固聯(lián)的退扭軸不僅要承受絞籠旋轉(zhuǎn)時(shí)線盤(pán)和放線架所產(chǎn)生的離心慣性力，還要傳遞退扭運(yùn)動(dòng)。由于整個(gè)機(jī)構(gòu)剛性很差，在交變應(yīng)力的作用下，就會(huì)出現(xiàn)4個(gè)M12的連接螺栓松動(dòng)，以及放線架兩端的支承孔發(fā)生變形，成喇叭口狀，設(shè)備經(jīng)常要停機(jī)維修，用戶(hù)意見(jiàn)很大。

對(duì)于安裝在DN32及DN32以下管道上的水流開(kāi)關(guān)，在安裝水流開(kāi)關(guān)處的管道管徑宜為DN40～DN50,才能保證水流開(kāi)關(guān)的正常動(dòng)作。干簧管式水流開(kāi)關(guān)的工作原理與撥片式水流開(kāi)關(guān)不同，適用于小管徑(DN15、DN20)的管道，直接安裝即可。

3 第一次改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)老結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，對(duì)搖籃式放線架在絞籠中的支撐方式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，圖3為改進(jìn)后的帶卸荷套的四連桿退扭機(jī)構(gòu)。

圖3 帶卸荷套的四連桿退扭機(jī)構(gòu)

首先，將搖籃式放線架左右兩端的支承孔鏜大，鏜成軸承孔。其次，將放線架右端的后支承軸做成法蘭軸，法蘭軸的端面用6個(gè)M12的螺釘緊緊的固定在右側(cè)的絞盤(pán)上，后支承軸上裝有調(diào)心軸承，放線架右端的軸承孔就套在調(diào)心軸承上;在放線架左側(cè)的絞盤(pán)上裝有一個(gè)法蘭支承套。支承套與絞盤(pán)也用6個(gè)M12的螺釘固定在一起，支承套的右端裝有調(diào)心軸承，放線架左端的軸承孔套在調(diào)心軸承上。放線架通過(guò)兩端的調(diào)心軸承得到支撐。這種支撐結(jié)構(gòu)，我們稱(chēng)之為“卸荷機(jī)構(gòu)”，即線盤(pán)和搖籃式放線架高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的巨大的離心慣性力，由剛性很好的法蘭支承套(也叫卸荷套)和后支承軸來(lái)承受。

退扭運(yùn)動(dòng)的傳遞是通過(guò)退扭軸來(lái)完成。退扭軸做成法蘭軸，采用焊接件或鍛件的形式。退扭軸的法蘭面用4個(gè)M12的螺釘與搖籃式放線架左端的內(nèi)側(cè)面固定在一起，退扭軸的中間通過(guò)軸承支撐在卸荷套里。退扭軸的左端裝有退扭曲柄，退扭曲柄和退扭環(huán)的安裝同前面的形式一樣，當(dāng)絞籠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，同樣能實(shí)現(xiàn)退扭。

這種結(jié)構(gòu)形式投入生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)用戶(hù)使用，很短的時(shí)間就發(fā)生了退扭軸斷裂的現(xiàn)象，而且斷裂的退扭軸數(shù)量很多，斷裂的部位在退扭軸與法蘭連接的根部。斷裂面很光滑，是疲勞破壞。通過(guò)分析研究，找出了原因所在，就是組合后的搖籃式放線架上與退扭軸結(jié)合的安裝面并不垂直于卸荷套孔的軸線，組裝后，退扭軸的根部產(chǎn)生附加的內(nèi)應(yīng)力，再加上離心力的作用，當(dāng)絞籠旋轉(zhuǎn)時(shí)，就等同于退扭軸不斷的在根部搖動(dòng)法蘭，時(shí)間一長(zhǎng)產(chǎn)生疲勞破壞，退扭軸發(fā)生斷裂。此機(jī)構(gòu)還需要進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

4 第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)新結(jié)構(gòu)的分析和研究，重新進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了新型的帶卸荷套的行星齒輪退扭機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖4)。

搖籃式放線架的支撐機(jī)構(gòu)——卸荷機(jī)構(gòu)，非常合理，仍給以保留，而對(duì)退扭形式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì):取消了退扭環(huán)退扭，改為行星齒輪退扭。退扭齒輪通過(guò)軸承支撐在卸荷套的左端。退扭軸采用花鍵軸形式，花鍵軸空套在卸荷套里，花鍵軸的兩端各裝一個(gè)花鍵蓋，即右端的花鍵蓋用螺釘固定在搖籃式放線架的左端內(nèi)側(cè)面上;左端的花鍵蓋與退扭齒輪固定在一起。這樣，齒輪通過(guò)花鍵蓋和花鍵軸，就能帶動(dòng)搖籃式放線架作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)行星齒輪系的計(jì)算，將行星齒輪系轉(zhuǎn)化為一個(gè)假想的定軸輪系，可知:

由于中心齒輪(Z1)固定在箱體上，是固定不動(dòng)的，即n1=0，所以:

式中，Z1、Z2、Z3分別為中心齒輪、過(guò)橋齒輪、退扭齒輪的齒數(shù);n1為中心齒輪的絕對(duì)轉(zhuǎn)速;n3為退扭齒輪的絕對(duì)轉(zhuǎn)速;nH為絞籠的絕對(duì)轉(zhuǎn)速為中心齒輪至退扭齒輪的傳動(dòng)比;為搖籃式放線架相對(duì)于絞籠的相對(duì)轉(zhuǎn)速。

由式(1)和式(2)可知，當(dāng)絞籠旋轉(zhuǎn)一周，即nH=1 時(shí)，如果 Z1=Z3，則，即搖籃式放線架相對(duì)于固定的中心齒輪靜止不動(dòng)，而相對(duì)于絞盤(pán)反向旋轉(zhuǎn)了一周。由此可見(jiàn)，當(dāng)絞籠在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于中心齒輪固定不動(dòng)，搖籃式放線架在行星齒輪系的作用下作平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)完全退扭。

這套機(jī)構(gòu)還可以使Z1≠Z3即Z1>Z3或Z1

5 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于前兩種機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)第二次優(yōu)化的新型機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，可靠性更高，設(shè)備的綜合性能更強(qiáng)。在老式的退扭機(jī)構(gòu)中，退扭軸既要承受離心慣性力，又要傳遞退扭運(yùn)動(dòng)，因此，受力件變形大，容易磨損，機(jī)構(gòu)的故障率很高。而在第一次改進(jìn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，只是將承受離心慣性力與傳遞退扭運(yùn)動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)，分別由卸荷套和退扭軸來(lái)完成。但是，因退扭軸與搖籃式放線架剛性連接，零件累積誤差無(wú)法消除，因此，應(yīng)力集中于退扭軸根部，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用產(chǎn)生疲勞破壞，退扭軸斷裂，這種改進(jìn)設(shè)計(jì)仍存在缺陷。

第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型的行星齒輪退扭機(jī)構(gòu)，不僅繼承了前面的研究成果，又改正了原有機(jī)構(gòu)存在的缺陷。其機(jī)理是將搖籃式放線架旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的巨大的離心慣性力和所需要的退扭運(yùn)動(dòng)分開(kāi)來(lái)傳遞，卸荷套和后支承軸只承受離心慣性力。由于它們都是通過(guò)法蘭固定在絞盤(pán)上，所以支承剛性好，承載能力強(qiáng)，變形小。而退扭運(yùn)動(dòng)是通過(guò)退扭的花鍵軸來(lái)傳遞。由于與花鍵軸兩端相連接的花鍵蓋很短，花鍵軸和花鍵孔按較松的連接要求來(lái)設(shè)計(jì)和加工，所以組合零件的累積誤差通過(guò)花鍵的間隙來(lái)消除。這套機(jī)構(gòu)既能傳遞退扭運(yùn)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，又沒(méi)有附加的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)非常合理。無(wú)論是從設(shè)計(jì)理論上分析，還是從使用情況來(lái)看，各項(xiàng)性能指標(biāo)均比原有的有較大的提高，效果都很好。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的籠式絞線機(jī)的主機(jī)性能得到了很大的提升，絞籠轉(zhuǎn)速也提高了近二分之一，例如500/6型籠式絞線機(jī)的絞籠轉(zhuǎn)速由原來(lái)的80 r/min提高到117 r/min。設(shè)備的故障率降低，生產(chǎn)效率大大地提高。

［1］張?jiān)屏?電線電纜機(jī)械設(shè)備［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［2］朱小平.籠式絞線機(jī)放線架支撐機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.電線電纜，2001(6):42-43.

［3］盛廣權(quán).成纜機(jī)電氣退扭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.光纖與電纜，2008(6):31-33.