塑料復(fù)合管夾層增強(qiáng)帶纏繞設(shè)備的設(shè)計(jì)*

金海豐，何榮開

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引言

各種工程中使用的輸送氣、液的塑料管道一般采用復(fù)合管，鋼絲網(wǎng)骨架塑料(聚乙烯)復(fù)合管有壽命長、無污染、耐磨損、高強(qiáng)度和高韌性等特點(diǎn)［1］，是最常用的管道之一。但鋼絲網(wǎng)網(wǎng)孔疏密程度差異，將導(dǎo)致生產(chǎn)出的管道性能不均勻，制約了管道的應(yīng)用。

為解決該類管道中存在的問題，一種有效的方法是采用增強(qiáng)帶代替鋼絲網(wǎng)，作為管道的增強(qiáng)骨架，其結(jié)構(gòu)如圖1［2］。

圖1 增強(qiáng)帶復(fù)合管道結(jié)構(gòu)圖

纏繞設(shè)備將增強(qiáng)帶以一定的螺旋角均勻的纏繞在管道內(nèi)層上，是管道生產(chǎn)過程中十分重要的一道工藝，纏繞的好壞直接影響管道生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前國內(nèi)一些廠家的生產(chǎn)線主要引進(jìn)國外設(shè)備，生產(chǎn)小直徑的管道，通常小于φ180，而且在換帶時(shí)不能保證管道連續(xù)生產(chǎn)。筆者研究的纏繞設(shè)備應(yīng)用于φ250大直徑復(fù)合管道生產(chǎn)線中。

1 纏繞設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)布局

如圖2所示，纏繞設(shè)備主要由床身、立柱、儲(chǔ)帶盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、纏繞機(jī)構(gòu)等部件組成。

圖2 纏繞設(shè)備總體布局簡圖

圖中立柱與床身之間采用用滾動(dòng)導(dǎo)軌副實(shí)現(xiàn)支撐以及導(dǎo)向，用滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)立柱［3］。工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)安裝在床身上，通過減速器連接到絲杠上，螺母安裝在立柱底部。纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過支架安裝在立柱上，通過減速器連接小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合。大齒輪安裝在一根空心軸上，該空心軸由多段組成，采用螺栓連接?？招妮S通過滾動(dòng)軸承安裝在立柱上，內(nèi)層管道基體在空心軸內(nèi)部穿過，由管道生產(chǎn)流水線拉伸該內(nèi)層管道基體。大齒輪的右側(cè)裝有配電環(huán)，通過配電環(huán)將電源線引入設(shè)備內(nèi)部，為內(nèi)部電機(jī)供電。立柱頂部安裝有儲(chǔ)帶輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過電磁離合器連接齒輪副。該齒輪副中的大齒輪通過螺栓連接在儲(chǔ)帶盤上，儲(chǔ)帶盤通過滾動(dòng)軸承安裝在立柱上伸出軸。兩立柱中間部分是設(shè)備的纏繞機(jī)構(gòu)，纏繞機(jī)構(gòu)作為空心軸的一部分，使用螺栓連接。儲(chǔ)帶輪上的增強(qiáng)帶通過轉(zhuǎn)向輪連接到纏繞機(jī)構(gòu)，通過纏繞機(jī)構(gòu)纏繞到內(nèi)層管道基體上。

1.2 纏繞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖3，纏繞機(jī)構(gòu)主要有滑輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑輪導(dǎo)軌緩沖機(jī)構(gòu)、以及恒力張緊機(jī)構(gòu)組成。圖的左邊是滑輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)將儲(chǔ)帶盤上的增強(qiáng)帶，通過轉(zhuǎn)向輪，傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。纏繞機(jī)構(gòu)中存在兩套滑輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，分別與纏繞機(jī)中左右兩側(cè)儲(chǔ)帶盤上帶連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)輪和壓緊輪組成。電機(jī)通過減速器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)輪與壓緊輪之間存在彈簧壓緊機(jī)構(gòu)，保證了兩輪之間存在一定的正壓力，利用摩擦來驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)帶。在將增強(qiáng)帶纏繞到內(nèi)層管道基體與電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間，設(shè)計(jì)了恒力張緊機(jī)構(gòu)和滑輪導(dǎo)軌緩沖機(jī)構(gòu)。恒力張緊緩沖機(jī)構(gòu)主要有恒力器和一個(gè)定滑輪組成，張緊帶通過定滑輪連接恒力器和滑輪導(dǎo)軌緩沖機(jī)構(gòu)中的張緊緩沖輪。通過恒力器來保證張緊帶中的張力一定，使得帶纏繞在內(nèi)層管道基體上的力是均勻的，不僅保證管道的質(zhì)量，而且達(dá)到了張緊的目的?；唽?dǎo)軌緩沖機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)軌和安裝在導(dǎo)軌上的動(dòng)滑輪組成。張緊緩沖滑輪可以在張緊帶的拉力下沿著導(dǎo)軌滑動(dòng)。

圖3 增強(qiáng)帶纏繞機(jī)構(gòu)示意圖

1.3 纏繞設(shè)備的工作原理

首先，增強(qiáng)帶與內(nèi)層管道基體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是內(nèi)層管道基體移動(dòng)和纏繞機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的合成，該運(yùn)動(dòng)形成的效果是將增強(qiáng)帶螺旋纏繞到內(nèi)層管道基體上。設(shè)備能夠控制纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣可以根據(jù)內(nèi)層管道基體的移動(dòng)速度，通過PLC來調(diào)節(jié)纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，保證增強(qiáng)帶在內(nèi)層管道基體上纏繞的螺旋角恒定。

其次，采用恒力機(jī)構(gòu)和滑輪導(dǎo)軌緩沖機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)帶的張力恒定。恒力器的作用是得到恒定拉力，保證增強(qiáng)帶中張力恒定。在實(shí)際的過程中，拉力在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，則工程上就認(rèn)為該力是恒力?；唽?dǎo)軌緩沖機(jī)構(gòu)起緩沖作用，主要解決在纏繞過程中張緊緩沖輪兩側(cè)的速度不匹配。通過限位開關(guān)來控制增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

最后，PLC協(xié)調(diào)控制纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)。當(dāng)纏繞機(jī)構(gòu)停止時(shí)，立柱以及整個(gè)纏繞機(jī)構(gòu)在床身上以與內(nèi)層管道基體同樣的速度移動(dòng)，這樣保證了纏繞機(jī)構(gòu)和內(nèi)層管道基體的相對(duì)位置一定，從而能夠保證停止纏繞不影響管道的生產(chǎn)質(zhì)量。

2 設(shè)備的運(yùn)動(dòng)分析和計(jì)算

2.1 儲(chǔ)帶輪的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

儲(chǔ)帶輪的驅(qū)動(dòng)力大小關(guān)系著設(shè)備能否正常運(yùn)行，影響增強(qiáng)帶中的張力，同時(shí)也是選用和控制增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的依據(jù)。儲(chǔ)帶輪運(yùn)行到某一時(shí)刻受力分析簡圖如圖4所示，其中陰影部分表示增強(qiáng)帶，尺寸如圖標(biāo)注。在機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)，隨增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使增強(qiáng)帶以恒定線速度v帶從儲(chǔ)帶輪上放出。

圖4 大帶輪受力分析簡圖

設(shè)當(dāng)換滿增強(qiáng)帶的時(shí)刻記為t=0，此時(shí)帶在帶輪上的外徑d=dw(dw表示帶輪的外徑)，則由帶側(cè)面積減少速度與增強(qiáng)帶放出速度和厚度h關(guān)系可以得到:

式中:d表示t時(shí)刻增強(qiáng)帶在儲(chǔ)帶輪上纏繞的外徑;dn表示增強(qiáng)帶在儲(chǔ)帶輪上纏繞的內(nèi)徑;v帶表示帶的釋放速度，滿足t=0時(shí)，d=dw。

解微分方程式(1)得t時(shí)刻帶的直徑d:

t時(shí)刻儲(chǔ)帶輪的角速度:

t時(shí)刻增強(qiáng)帶的質(zhì)量:

t時(shí)刻增強(qiáng)帶對(duì)于中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

由儲(chǔ)帶輪部件的動(dòng)力學(xué)方程可得:

將設(shè)備中參數(shù)帶入方程式(2)，計(jì)算出F拉在運(yùn)行過程中的最大值為129.8 N。

2.2 帶轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)分析

增強(qiáng)帶從儲(chǔ)帶輪上釋放后，與纏繞機(jī)構(gòu)不在一個(gè)平面內(nèi)，需經(jīng)過轉(zhuǎn)向輪實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)帶的轉(zhuǎn)向，這需保證帶能夠在轉(zhuǎn)向輪上滑動(dòng)，轉(zhuǎn)向輪的受力分析如下。

轉(zhuǎn)向輪的受力分析如圖5所示，其中F2為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)1來帶動(dòng)下游機(jī)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)帶的抗力。分析目的是尋求這兩個(gè)力之間的關(guān)系，使得增強(qiáng)帶能夠在轉(zhuǎn)向輪上滑動(dòng)，保證轉(zhuǎn)向能夠順利進(jìn)行。

圖5 轉(zhuǎn)向輪受力分析簡圖

對(duì)增強(qiáng)帶截取一個(gè)很小包角dθ的帶狀微元進(jìn)行受力分析，其中β為帶在轉(zhuǎn)向輪上的螺旋角，f為增強(qiáng)帶內(nèi)受拉側(cè)的張力，f+df為驅(qū)動(dòng)側(cè)的張力。

由于要保證轉(zhuǎn)向輪對(duì)增強(qiáng)帶轉(zhuǎn)向功能的實(shí)現(xiàn)，必須在增強(qiáng)帶在轉(zhuǎn)向輪上的接觸部分不變，增強(qiáng)帶在轉(zhuǎn)向輪上沿著帶方向滑動(dòng)。

微條帶與轉(zhuǎn)向輪的正壓力與總驅(qū)動(dòng)力分別為:

由靜力平衡方程得到:

式中:μ2為增強(qiáng)帶與轉(zhuǎn)向輪之間的摩擦系數(shù)。

將式(3)、(4)帶入式(5)并化簡得到微分方程為:

在f1～f2之間定積分可得:

其中:α為帶包絡(luò)在轉(zhuǎn)向輪上的角度，在結(jié)構(gòu)中為180°，f2為驅(qū)動(dòng)力F2，f1為圖5中的F1。

3 纏繞設(shè)備工作過程和電氣控制設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備的工作過程

在新型纏繞設(shè)備起動(dòng)時(shí)，供帶的儲(chǔ)帶輪一側(cè)的儲(chǔ)帶輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)起動(dòng)信號(hào)點(diǎn)動(dòng)一次。纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)恒定加速度加速，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行速度。纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行速度與內(nèi)層管道基體的拉伸速度相匹配，可以在控制柜的觸摸屏上設(shè)定各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)設(shè)備檢測到儲(chǔ)帶輪中增強(qiáng)帶使用完畢信號(hào)時(shí)，設(shè)備進(jìn)入換帶的工作狀態(tài)，并發(fā)出換帶鈴聲，通知操作人員及時(shí)換帶。纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，同時(shí)工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)開始加速，在這過程中纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)的速度相匹配。經(jīng)一段減速時(shí)間后，纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)的轉(zhuǎn)速與內(nèi)層管道基體生產(chǎn)拉伸速度相同。操作員工進(jìn)行換帶工作，換帶完成后，設(shè)備進(jìn)入換帶復(fù)位工作狀態(tài)。

當(dāng)設(shè)備收到到換帶完成信號(hào)后，工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始加速。相應(yīng)的儲(chǔ)帶輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)一次。直到設(shè)備的立柱運(yùn)行到正常工作狀態(tài)的位置時(shí)，工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)停止，纏繞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和增強(qiáng)帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)恢復(fù)正常工作速度穩(wěn)定運(yùn)行，完成換帶復(fù)位過程。

3.2 電氣控制思路及其框圖

設(shè)備采用PLC作為主控制器。控制思路如下:當(dāng)按下開始按鈕后，設(shè)備開始工作，控制器首先檢測哪一側(cè)儲(chǔ)帶輪在工作。如圖2，如果是儲(chǔ)帶輪1(圖中序號(hào)10)在工作，則調(diào)用儲(chǔ)帶輪1纏繞過程的控制程序。在執(zhí)行的過程中，檢測儲(chǔ)帶輪1上的增強(qiáng)帶是否用完，如果已使用完，則開始調(diào)用儲(chǔ)帶輪1向儲(chǔ)帶輪2(圖中序號(hào)15)的換帶程序;如果沒有用完，則繼續(xù)返回儲(chǔ)帶輪1纏繞過程的控制程序。在儲(chǔ)帶輪1向儲(chǔ)帶輪2的換帶程序中，換帶完成將使用的儲(chǔ)帶輪標(biāo)志為2，檢測換帶是否完成。如果收到完成信號(hào)，則從新回到判斷是否是儲(chǔ)帶輪1工作，這時(shí)會(huì)判斷出當(dāng)前使用的儲(chǔ)帶輪2，即調(diào)用儲(chǔ)帶輪2的運(yùn)行程序。其主程序控制框圖如圖6［4］。

圖6 控制程序主函數(shù)框圖

4 結(jié)語

針對(duì)塑料復(fù)合管道的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，研究了塑料復(fù)合管夾層增強(qiáng)帶纏繞設(shè)備，為國內(nèi)廠商生產(chǎn)相配套的設(shè)備提供了技術(shù)支持。新型設(shè)備的研發(fā)是生產(chǎn)工具的變革，這必將導(dǎo)致生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品性能的提升。

［1］ 余彬彬.纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管鋪設(shè)中的非線性屈曲分析與研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2013.

［2］ 夏平原，李詩春，陳 斌，等.玻璃纖維增強(qiáng)連續(xù)塑料復(fù)合管道的應(yīng)用性能［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013，32(7):795－798.

［3］ 簡明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［4］ 張廣明，李 果，朱 煒.機(jī)電系統(tǒng)PLC控制技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.