塑料复合管夹层增强带缠绕设备的设计*

2014-03-27金海丰何荣开

机械研究与应用 2014年3期

关键词：恒力内层立柱

金海丰，何荣开

(东南大学机械工程学院，江苏南京 210096)

0 引言

各种工程中使用的输送气、液的塑料管道一般采用复合管，钢丝网骨架塑料(聚乙烯)复合管有寿命长、无污染、耐磨损、高强度和高韧性等特点［1］，是最常用的管道之一。但钢丝网网孔疏密程度差异，将导致生产出的管道性能不均匀，制约了管道的应用。

为解决该类管道中存在的问题，一种有效的方法是采用增强带代替钢丝网，作为管道的增强骨架，其结构如图1［2］。

图1 增强带复合管道结构图

缠绕设备将增强带以一定的螺旋角均匀的缠绕在管道内层上，是管道生产过程中十分重要的一道工艺，缠绕的好坏直接影响管道生产质量和生产效率。目前国内一些厂家的生产线主要引进国外设备，生产小直径的管道，通常小于φ180，而且在换带时不能保证管道连续生产。笔者研究的缠绕设备应用于φ250大直径复合管道生产线中。

1 缠绕设备的总体结构和工作原理

1.1 设备总体结构布局

如图2所示，缠绕设备主要由床身、立柱、储带盘驱动机构、缠绕机构等部件组成。

图2 缠绕设备总体布局简图

图中立柱与床身之间采用用滚动导轨副实现支撑以及导向，用滚珠丝杠副驱动立柱［3］。工作台进给电机安装在床身上，通过减速器连接到丝杠上，螺母安装在立柱底部。缠绕机构驱动电机通过支架安装在立柱上，通过减速器连接小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合。大齿轮安装在一根空心轴上，该空心轴由多段组成，采用螺栓连接。空心轴通过滚动轴承安装在立柱上，内层管道基体在空心轴内部穿过，由管道生产流水线拉伸该内层管道基体。大齿轮的右侧装有配电环，通过配电环将电源线引入设备内部，为内部电机供电。立柱顶部安装有储带轮驱动电机，通过电磁离合器连接齿轮副。该齿轮副中的大齿轮通过螺栓连接在储带盘上，储带盘通过滚动轴承安装在立柱上伸出轴。两立柱中间部分是设备的缠绕机构，缠绕机构作为空心轴的一部分，使用螺栓连接。储带轮上的增强带通过转向轮连接到缠绕机构，通过缠绕机构缠绕到内层管道基体上。

1.2 缠绕机构的设计

如图3，缠绕机构主要有滑轮转向机构、电机驱动机构、滑轮导轨缓冲机构、以及恒力张紧机构组成。图的左边是滑轮转向机构，主要负责将储带盘上的增强带，通过转向轮，传送给电机驱动机构。缠绕机构中存在两套滑轮转向机构，分别与缠绕机中左右两侧储带盘上带连接。电机驱动机构主要由增强带驱动电机、减速器、驱动轮和压紧轮组成。电机通过减速器带动驱动轮转动，由于驱动轮与压紧轮之间存在弹簧压紧机构，保证了两轮之间存在一定的正压力，利用摩擦来驱动增强带。在将增强带缠绕到内层管道基体与电机驱动机构之间，设计了恒力张紧机构和滑轮导轨缓冲机构。恒力张紧缓冲机构主要有恒力器和一个定滑轮组成，张紧带通过定滑轮连接恒力器和滑轮导轨缓冲机构中的张紧缓冲轮。通过恒力器来保证张紧带中的张力一定，使得带缠绕在内层管道基体上的力是均匀的，不仅保证管道的质量，而且达到了张紧的目的。滑轮导轨缓冲机构主要由导轨和安装在导轨上的动滑轮组成。张紧缓冲滑轮可以在张紧带的拉力下沿着导轨滑动。

图3 增强带缠绕机构示意图

1.3 缠绕设备的工作原理

首先，增强带与内层管道基体的相对运动是内层管道基体移动和缠绕机构转动的合成，该运动形成的效果是将增强带螺旋缠绕到内层管道基体上。设备能够控制缠绕机构驱动电机的转速，这样可以根据内层管道基体的移动速度，通过PLC来调节缠绕机构驱动电机的速度，保证增强带在内层管道基体上缠绕的螺旋角恒定。

其次，采用恒力机构和滑轮导轨缓冲机构来实现增强带的张力恒定。恒力器的作用是得到恒定拉力，保证增强带中张力恒定。在实际的过程中，拉力在允许的范围内波动，则工程上就认为该力是恒力。滑轮导轨缓冲机构起缓冲作用，主要解决在缠绕过程中张紧缓冲轮两侧的速度不匹配。通过限位开关来控制增强带驱动电机的转速。

最后，PLC协调控制缠绕机构驱动电机和工作台进给电机。当缠绕机构停止时，立柱以及整个缠绕机构在床身上以与内层管道基体同样的速度移动，这样保证了缠绕机构和内层管道基体的相对位置一定，从而能够保证停止缠绕不影响管道的生产质量。

2 设备的运动分析和计算

2.1 储带轮的驱动力计算

储带轮的驱动力大小关系着设备能否正常运行，影响增强带中的张力，同时也是选用和控制增强带驱动电机的依据。储带轮运行到某一时刻受力分析简图如图4所示，其中阴影部分表示增强带，尺寸如图标注。在机器正常运行时，随增强带驱动电机的匀速转动，使增强带以恒定线速度v带从储带轮上放出。

图4 大带轮受力分析简图

设当换满增强带的时刻记为t=0，此时带在带轮上的外径d=dw(dw表示带轮的外径)，则由带侧面积减少速度与增强带放出速度和厚度h关系可以得到:

式中:d表示t时刻增强带在储带轮上缠绕的外径;dn表示增强带在储带轮上缠绕的内径;v带表示带的释放速度，满足t=0时，d=dw。

解微分方程式(1)得t时刻带的直径d:

t时刻储带轮的角速度:

t时刻增强带的质量:

t时刻增强带对于中心轴的转动惯量:

由储带轮部件的动力学方程可得:

将设备中参数带入方程式(2)，计算出F拉在运行过程中的最大值为129.8 N。

2.2 带转向轮的运动和力学分析

增强带从储带轮上释放后，与缠绕机构不在一个平面内，需经过转向轮实现增强带的转向，这需保证带能够在转向轮上滑动，转向轮的受力分析如下。

转向轮的受力分析如图5所示，其中F2为驱动力，F1来带动下游机构对增强带的抗力。分析目的是寻求这两个力之间的关系，使得增强带能够在转向轮上滑动，保证转向能够顺利进行。

图5 转向轮受力分析简图

对增强带截取一个很小包角dθ的带状微元进行受力分析，其中β为带在转向轮上的螺旋角，f为增强带内受拉侧的张力，f+df为驱动侧的张力。

由于要保证转向轮对增强带转向功能的实现，必须在增强带在转向轮上的接触部分不变，增强带在转向轮上沿着带方向滑动。

微条带与转向轮的正压力与总驱动力分别为:

由静力平衡方程得到:

式中:μ2为增强带与转向轮之间的摩擦系数。

将式(3)、(4)带入式(5)并化简得到微分方程为:

在f1～f2之间定积分可得:

其中:α为带包络在转向轮上的角度，在结构中为180°，f2为驱动力F2，f1为图5中的F1。

3 缠绕设备工作过程和电气控制设计

3.1 设备的工作过程

在新型缠绕设备起动时，供带的储带轮一侧的储带轮驱动电机根据起动信号点动一次。缠绕机构驱动电机以及增强带驱动电机恒定加速度加速，经过一段时间后达到稳定运行速度。缠绕机构驱动电机的稳定运行速度与内层管道基体的拉伸速度相匹配，可以在控制柜的触摸屏上设定各个电机的转速。

当设备检测到储带轮中增强带使用完毕信号时，设备进入换带的工作状态，并发出换带铃声，通知操作人员及时换带。缠绕机构驱动电机和增强带驱动电机减速，同时工作台进给电机开始加速，在这过程中缠绕机构驱动电机与工作台进给电机的速度相匹配。经一段减速时间后，缠绕机构驱动电机和增强带驱动电机停止转动，此时工作台进给电机的转速与内层管道基体生产拉伸速度相同。操作员工进行换带工作，换带完成后，设备进入换带复位工作状态。

当设备收到到换带完成信号后，工作台进给电机反向旋转，同时缠绕机构驱动电机和增强带驱动电机开始加速。相应的储带轮驱动电机点动一次。直到设备的立柱运行到正常工作状态的位置时，工作台进给电机停止，缠绕机构驱动电机和增强带驱动电机恢复正常工作速度稳定运行，完成换带复位过程。

3.2 电气控制思路及其框图

设备采用PLC作为主控制器。控制思路如下:当按下开始按钮后，设备开始工作，控制器首先检测哪一侧储带轮在工作。如图2，如果是储带轮1(图中序号10)在工作，则调用储带轮1缠绕过程的控制程序。在执行的过程中，检测储带轮1上的增强带是否用完，如果已使用完，则开始调用储带轮1向储带轮2(图中序号15)的换带程序;如果没有用完，则继续返回储带轮1缠绕过程的控制程序。在储带轮1向储带轮2的换带程序中，换带完成将使用的储带轮标志为2，检测换带是否完成。如果收到完成信号，则从新回到判断是否是储带轮1工作，这时会判断出当前使用的储带轮2，即调用储带轮2的运行程序。其主程序控制框图如图6［4］。