金海豐，何榮開

(東南大學機械工程學院，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合管，鋼絲網(wǎng)骨架塑料(聚乙烯)復合管有壽命長、無污染、耐磨損、高強度和高韌性等特點［1］，是最常用的管道之一。但鋼絲網(wǎng)網(wǎng)孔疏密程度差異，將導致生產(chǎn)出的管道性能不均勻，制約了管道的應用。

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帶代替鋼絲網(wǎng)，作為管道的增強骨架，其結(jié)構(gòu)如圖1［2］。

圖1 增強帶復合管道結(jié)構(gòu)圖

纏繞設備將增強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)線主要引進國外設備，生產(chǎn)小直徑的管道，通常小于φ180，而且在換帶時不能保證管道連續(xù)生產(chǎn)。筆者研究的纏繞設備應用于φ250大直徑復合管道生產(chǎn)線中。

1 纏繞設備的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 設備總體結(jié)構(gòu)布局

如圖2所示，纏繞設備主要由床身、立柱、儲帶盤驅(qū)動機構(gòu)、纏繞機構(gòu)等部件組成。

圖2 纏繞設備總體布局簡圖

圖中立柱與床身之間采用用滾動導軌副實現(xiàn)支撐以及導向，用滾珠絲杠副驅(qū)動立柱［3］。工作臺進給電機安裝在床身上，通過減速器連接到絲杠上，螺母安裝在立柱底部。纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機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。空心軸通過滾動軸承安裝在立柱上，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)將電源線引入設備內(nèi)部，為內(nèi)部電機供電。立柱頂部安裝有儲帶輪驅(qū)動電機，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帶盤上，儲帶盤通過滾動軸承安裝在立柱上伸出軸。兩立柱中間部分是設備的纏繞機構(gòu)，纏繞機構(gòu)作為空心軸的一部分，使用螺栓連接。儲帶輪上的增強帶通過轉(zhuǎn)向輪連接到纏繞機構(gòu)，通過纏繞機構(gòu)纏繞到內(nèi)層管道基體上。

1.2 纏繞機構(gòu)的設計

如圖3，纏繞機構(gòu)主要有滑輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)、電機驅(qū)動機構(gòu)、滑輪導軌緩沖機構(gòu)、以及恒力張緊機構(gòu)組成。圖的左邊是滑輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，主要負責將儲帶盤上的增強帶，通過轉(zhuǎn)向輪，傳送給電機驅(qū)動機構(gòu)。纏繞機構(gòu)中存在兩套滑輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，分別與纏繞機中左右兩側(cè)儲帶盤上帶連接。電機驅(qū)動機構(gòu)主要由增強帶驅(qū)動電機、減速器、驅(qū)動輪和壓緊輪組成。電機通過減速器帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，由于驅(qū)動輪與壓緊輪之間存在彈簧壓緊機構(gòu)，保證了兩輪之間存在一定的正壓力，利用摩擦來驅(qū)動增強帶。在將增強帶纏繞到內(nèi)層管道基體與電機驅(qū)動機構(gòu)之間，設計了恒力張緊機構(gòu)和滑輪導軌緩沖機構(gòu)。恒力張緊緩沖機構(gòu)主要有恒力器和一個定滑輪組成，張緊帶通過定滑輪連接恒力器和滑輪導軌緩沖機構(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，而且達到了張緊的目的?；唽к壘彌_機構(gòu)主要由導軌和安裝在導軌上的動滑輪組成。張緊緩沖滑輪可以在張緊帶的拉力下沿著導軌滑動。

圖3 增強帶纏繞機構(gòu)示意圖

1.3 纏繞設備的工作原理

首先，增強帶與內(nèi)層管道基體的相對運動是內(nèi)層管道基體移動和纏繞機構(gòu)轉(zhuǎn)動的合成，該運動形成的效果是將增強帶螺旋纏繞到內(nèi)層管道基體上。設備能夠控制纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，這樣可以根據(jù)內(nèi)層管道基體的移動速度，通過PLC來調(diào)節(jié)纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機的速度，保證增強帶在內(nèi)層管道基體上纏繞的螺旋角恒定。

其次，采用恒力機構(gòu)和滑輪導軌緩沖機構(gòu)來實現(xiàn)增強帶的張力恒定。恒力器的作用是得到恒定拉力，保證增強帶中張力恒定。在實際的過程中，拉力在允許的范圍內(nèi)波動，則工程上就認為該力是恒力?；唽к壘彌_機構(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。通過限位開關來控制增強帶驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。

最后，PLC協(xié)調(diào)控制纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機和工作臺進給電機。當纏繞機構(gòu)停止時，立柱以及整個纏繞機構(gòu)在床身上以與內(nèi)層管道基體同樣的速度移動，這樣保證了纏繞機構(gòu)和內(nèi)層管道基體的相對位置一定，從而能夠保證停止纏繞不影響管道的生產(chǎn)質(zhì)量。

2 設備的運動分析和計算

2.1 儲帶輪的驅(qū)動力計算

儲帶輪的驅(qū)動力大小關系著設備能否正常運行，影響增強帶中的張力，同時也是選用和控制增強帶驅(qū)動電機的依據(jù)。儲帶輪運行到某一時刻受力分析簡圖如圖4所示，其中陰影部分表示增強帶，尺寸如圖標注。在機器正常運行時，隨增強帶驅(qū)動電機的勻速轉(zhuǎn)動，使增強帶以恒定線速度v帶從儲帶輪上放出。

圖4 大帶輪受力分析簡圖

設當換滿增強帶的時刻記為t=0，此時帶在帶輪上的外徑d=dw(dw表示帶輪的外徑)，則由帶側(cè)面積減少速度與增強帶放出速度和厚度h關系可以得到:

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

解微分方程式(1)得t時刻帶的直徑d:

t時刻儲帶輪的角速度:

t時刻增強帶的質(zhì)量:

t時刻增強帶對于中心軸的轉(zhuǎn)動慣量:

由儲帶輪部件的動力學方程可得:

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

2.2 帶轉(zhuǎn)向輪的運動和力學分析

增強帶從儲帶輪上釋放后，與纏繞機構(gòu)不在一個平面內(nèi)，需經(jīng)過轉(zhuǎn)向輪實現(xiàn)增強帶的轉(zhuǎn)向，這需保證帶能夠在轉(zhuǎn)向輪上滑動，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)動力，F(xiàn)1來帶動下游機構(gòu)對增強帶的抗力。分析目的是尋求這兩個力之間的關系，使得增強帶能夠在轉(zhuǎn)向輪上滑動，保證轉(zhuǎn)向能夠順利進行。

圖5 轉(zhuǎn)向輪受力分析簡圖

對增強帶截取一個很小包角dθ的帶狀微元進行受力分析，其中β為帶在轉(zhuǎn)向輪上的螺旋角，f為增強帶內(nèi)受拉側(cè)的張力，f+df為驅(qū)動側(cè)的張力。

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

微條帶與轉(zhuǎn)向輪的正壓力與總驅(qū)動力分別為:

由靜力平衡方程得到:

式中:μ2為增強帶與轉(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為帶包絡在轉(zhuǎn)向輪上的角度，在結(jié)構(gòu)中為180°，f2為驅(qū)動力F2，f1為圖5中的F1。

3 纏繞設備工作過程和電氣控制設計

3.1 設備的工作過程

在新型纏繞設備起動時，供帶的儲帶輪一側(cè)的儲帶輪驅(qū)動電機根據(jù)起動信號點動一次。纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機以及增強帶驅(qū)動電機恒定加速度加速，經(jīng)過一段時間后達到穩(wěn)定運行速度。纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機的穩(wěn)定運行速度與內(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定各個電機的轉(zhuǎn)速。

當設備檢測到儲帶輪中增強帶使用完畢信號時，設備進入換帶的工作狀態(tài)，并發(fā)出換帶鈴聲，通知操作人員及時換帶。纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機和增強帶驅(qū)動電機減速，同時工作臺進給電機開始加速，在這過程中纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機與工作臺進給電機的速度相匹配。經(jīng)一段減速時間后，纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機和增強帶驅(qū)動電機停止轉(zhuǎn)動，此時工作臺進給電機的轉(zhuǎn)速與內(nèi)層管道基體生產(chǎn)拉伸速度相同。操作員工進行換帶工作，換帶完成后，設備進入換帶復位工作狀態(tài)。

當設備收到到換帶完成信號后，工作臺進給電機反向旋轉(zhuǎn)，同時纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機和增強帶驅(qū)動電機開始加速。相應的儲帶輪驅(qū)動電機點動一次。直到設備的立柱運行到正常工作狀態(tài)的位置時，工作臺進給電機停止，纏繞機構(gòu)驅(qū)動電機和增強帶驅(qū)動電機恢復正常工作速度穩(wěn)定運行，完成換帶復位過程。

3.2 電氣控制思路及其框圖

設備采用PLC作為主控制器?？刂扑悸啡缦?當按下開始按鈕后，設備開始工作，控制器首先檢測哪一側(cè)儲帶輪在工作。如圖2，如果是儲帶輪1(圖中序號10)在工作，則調(diào)用儲帶輪1纏繞過程的控制程序。在執(zhí)行的過程中，檢測儲帶輪1上的增強帶是否用完，如果已使用完，則開始調(diào)用儲帶輪1向儲帶輪2(圖中序號15)的換帶程序;如果沒有用完，則繼續(xù)返回儲帶輪1纏繞過程的控制程序。在儲帶輪1向儲帶輪2的換帶程序中，換帶完成將使用的儲帶輪標志為2，檢測換帶是否完成。如果收到完成信號，則從新回到判斷是否是儲帶輪1工作，這時會判斷出當前使用的儲帶輪2，即調(diào)用儲帶輪2的運行程序。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

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

［1］ 余彬彬.纖維纏繞增強復合管鋪設中的非線性屈曲分析與研究［D］.杭州:浙江大學，2013.

［2］ 夏平原，李詩春，陳 斌，等.玻璃纖維增強連續(xù)塑料復合管道的應用性能［J］.油氣儲運，2013，32(7):795－798.

［3］ 簡明機械零件設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

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