笼式绞线机摇篮架的退扭机构的优化设计

孙 健

(芜湖电工机械有限公司，安徽芜湖241001)

0 引言

当绞线在绞合时，随着绞笼的旋转，单线以螺旋的方式卷绕在以基圆为直径的圆柱体上，单线各处都会弯曲，同时单线还围绕着自身轴线产生扭转变形，在一个节距内扭转的角度为360°(即2π)。单线的弯曲和扭转变形，使绞线产生内应力，影响绞线质量。由于绞线结构的原因，单线绞合时的弯曲变形不可避免，而扭转变形的问题则可以通过采用退扭工艺来解决［1］。

笼式绞线机具有退扭机构，常用的有铰接式四连杆机构、行星齿轮退扭机构。在绞线过程中，它们都可以使摇篮架保持水平，使单线在绞合时，只产生弯曲而不发生扭转变形，实现完全退扭。因此通过笼式绞线机绞合出来的绞线质量非常好，能够满足电气使用的要求。

1 笼式绞线机的结构形式

笼式绞线机的主体——放线部分，是一种笼形结构件，通称绞笼(见图1)。2～6个圆形绞盘安装在一根主轴上(图中是3个绞盘安装在一根主轴上)，通常有6个摇篮式放线架为一组，通过退扭机构圆周均布在2个绞盘之间。单线从摇篮式放线架的放线盘中放出后通过分线板汇集到并线模处。当绞合时，笼式绞线机需要作两种运动:一个是动力驱动主轴旋转，使被绞制的单线围绕主轴轴线作旋转运动;另一个是通过牵引装置将汇集到并线模并围绕主轴线旋转的各单线拖动向前，这样就完成了绞合运动。

图1 绞笼结构图

由于绞笼尺寸较大，安装在摇篮式放线架上的绞线也很重，当绞笼作高速旋转时，会产生巨大的离心惯性力。因此，摇篮架放线架的支撑形式非常重要，它的好坏直接反映了绞笼性能的优劣。

2 老式退扭机构的分析

在老结构的笼式绞线机中，摇篮式放线架的支撑机构是一种铰接式的四连杆退扭机构(见图2)。

图2 四连杆退扭机构

具体结构如下:摇篮式放线架两端的中心点上各镗一个安装支承孔。右端的孔里装有后轴，再通过轴端部的轴承支撑在右侧的绞盘上;左端的侧面装有退扭轴，退扭轴的右端做成法兰状，法兰轴的小短凸台定位在放线架的支承孔里，法兰面与摇篮式放线架的左端面通过4个M12的螺栓紧紧地固联在一起，退扭轴上装有轴承，支撑在左侧的绞盘上。这样，一个摇篮式放线架就安装在2个相邻的圆形绞盘之间。由于每个放线架的两端与绞盘之间分别是通过轴承连接的，所以放线架相对于绞盘可以绕着自身的支撑轴线旋转［2］。

退扭曲柄的一个孔通过普通平键与退扭轴的左端相连接，另一个孔通过销轴与退扭环铰接在一起。退扭环中心与绞盘中心的距离为L，且等于退扭曲柄两孔之间的距离，这样，绞盘、退扭环和退扭曲柄之间形成了四连杆机构。AB及DC杆为双曲柄，BC杆为连杆，AB与DC相等，BC又与AD相等，故此机构为平行双曲柄机构。AB与DC杆角速度瞬时相等，所以在AB与DC杆旋转时，BC杆时时处于垂直位置。从以上分析可知，绞盘在旋转过程中，四连杆机构控制摇篮式放线架作平动，从而实现退扭。

通过上述分析可知，与放线架左端固联的退扭轴不仅要承受绞笼旋转时线盘和放线架所产生的离心惯性力，还要传递退扭运动。由于整个机构刚性很差，在交变应力的作用下，就会出现4个M12的连接螺栓松动，以及放线架两端的支承孔发生变形，成喇叭口状，设备经常要停机维修，用户意见很大。

对于安装在DN32及DN32以下管道上的水流开关，在安装水流开关处的管道管径宜为DN40～DN50,才能保证水流开关的正常动作。干簧管式水流开关的工作原理与拨片式水流开关不同，适用于小管径(DN15、DN20)的管道，直接安装即可。

3 第一次改进设计

针对老结构存在的问题，对摇篮式放线架在绞笼中的支撑方式进行了改进设计，图3为改进后的带卸荷套的四连杆退扭机构。

图3 带卸荷套的四连杆退扭机构

首先，将摇篮式放线架左右两端的支承孔镗大，镗成轴承孔。其次，将放线架右端的后支承轴做成法兰轴，法兰轴的端面用6个M12的螺钉紧紧的固定在右侧的绞盘上，后支承轴上装有调心轴承，放线架右端的轴承孔就套在调心轴承上;在放线架左侧的绞盘上装有一个法兰支承套。支承套与绞盘也用6个M12的螺钉固定在一起，支承套的右端装有调心轴承，放线架左端的轴承孔套在调心轴承上。放线架通过两端的调心轴承得到支撑。这种支撑结构，我们称之为“卸荷机构”，即线盘和摇篮式放线架高速旋转时所产生的巨大的离心惯性力，由刚性很好的法兰支承套(也叫卸荷套)和后支承轴来承受。

退扭运动的传递是通过退扭轴来完成。退扭轴做成法兰轴，采用焊接件或锻件的形式。退扭轴的法兰面用4个M12的螺钉与摇篮式放线架左端的内侧面固定在一起，退扭轴的中间通过轴承支撑在卸荷套里。退扭轴的左端装有退扭曲柄，退扭曲柄和退扭环的安装同前面的形式一样，当绞笼转动时，同样能实现退扭。

这种结构形式投入生产，经过用户使用，很短的时间就发生了退扭轴断裂的现象，而且断裂的退扭轴数量很多，断裂的部位在退扭轴与法兰连接的根部。断裂面很光滑，是疲劳破坏。通过分析研究，找出了原因所在，就是组合后的摇篮式放线架上与退扭轴结合的安装面并不垂直于卸荷套孔的轴线，组装后，退扭轴的根部产生附加的内应力，再加上离心力的作用，当绞笼旋转时，就等同于退扭轴不断的在根部摇动法兰，时间一长产生疲劳破坏，退扭轴发生断裂。此机构还需要进一步的优化改进。

4 第二次优化设计

通过对新结构的分析和研究，重新进行数学计算，进行优化设计，开发了新型的带卸荷套的行星齿轮退扭机构(见图4)。

摇篮式放线架的支撑机构——卸荷机构，非常合理，仍给以保留，而对退扭形式进行了改进设计:取消了退扭环退扭，改为行星齿轮退扭。退扭齿轮通过轴承支撑在卸荷套的左端。退扭轴采用花键轴形式，花键轴空套在卸荷套里，花键轴的两端各装一个花键盖，即右端的花键盖用螺钉固定在摇篮式放线架的左端内侧面上;左端的花键盖与退扭齿轮固定在一起。这样，齿轮通过花键盖和花键轴，就能带动摇篮式放线架作旋转运动。

根据行星齿轮系的计算，将行星齿轮系转化为一个假想的定轴轮系，可知:

由于中心齿轮(Z1)固定在箱体上，是固定不动的，即n1=0，所以:

式中，Z1、Z2、Z3分别为中心齿轮、过桥齿轮、退扭齿轮的齿数;n1为中心齿轮的绝对转速;n3为退扭齿轮的绝对转速;nH为绞笼的绝对转速为中心齿轮至退扭齿轮的传动比;为摇篮式放线架相对于绞笼的相对转速。

由式(1)和式(2)可知，当绞笼旋转一周，即nH=1 时，如果 Z1=Z3，则，即摇篮式放线架相对于固定的中心齿轮静止不动，而相对于绞盘反向旋转了一周。由此可见，当绞笼在旋转的过程中，由于中心齿轮固定不动，摇篮式放线架在行星齿轮系的作用下作平动，实现完全退扭。

这套机构还可以使Z1≠Z3即Z1>Z3或Z1

5 结束语

相对于前两种机构来说，经过第二次优化的新型机构，结构设计更合理，可靠性更高，设备的综合性能更强。在老式的退扭机构中，退扭轴既要承受离心惯性力，又要传递退扭运动，因此，受力件变形大，容易磨损，机构的故障率很高。而在第一次改进设计的过程中，只是将承受离心惯性力与传递退扭运动区分开来，分别由卸荷套和退扭轴来完成。但是，因退扭轴与摇篮式放线架刚性连接，零件累积误差无法消除，因此，应力集中于退扭轴根部，经过一段时间使用产生疲劳破坏，退扭轴断裂，这种改进设计仍存在缺陷。

第二次优化设计的新型的行星齿轮退扭机构，不仅继承了前面的研究成果，又改正了原有机构存在的缺陷。其机理是将摇篮式放线架旋转时所产生的巨大的离心惯性力和所需要的退扭运动分开来传递，卸荷套和后支承轴只承受离心惯性力。由于它们都是通过法兰固定在绞盘上，所以支承刚性好，承载能力强，变形小。而退扭运动是通过退扭的花键轴来传递。由于与花键轴两端相连接的花键盖很短，花键轴和花键孔按较松的连接要求来设计和加工，所以组合零件的累积误差通过花键的间隙来消除。这套机构既能传递退扭运动，运转灵活，又没有附加的内应力，结构非常合理。无论是从设计理论上分析，还是从使用情况来看，各项性能指标均比原有的有较大的提高，效果都很好。

经过改进后的笼式绞线机的主机性能得到了很大的提升，绞笼转速也提高了近二分之一，例如500/6型笼式绞线机的绞笼转速由原来的80 r/min提高到117 r/min。设备的故障率降低，生产效率大大地提高。

［1］张云廉.电线电缆机械设备［M］.北京:机械工业出版社，1993.

［2］朱小平.笼式绞线机放线架支撑机构的改进设计［J］.电线电缆，2001(6):42-43.

［3］盛广权.成缆机电气退扭传动机构的设计［J］.光纤与电缆，2008(6):31-33.