譚俊峰，甘 斌，周 濤，黃 權(quán)

（湖南新天力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006）

通過(guò)對(duì)電線電纜絕緣層的交聯(lián)改性，能大大提高電線電纜的工作溫度、耐溶劑、耐環(huán)境老化、耐開(kāi)裂等性能，還可導(dǎo)致絕緣材料電學(xué)性能的優(yōu)化，使機(jī)械性能有所提高?，F(xiàn)如今輻照交聯(lián)成為了電線電纜的主要交聯(lián)改性方法。

經(jīng)過(guò)電子加速器的電子束輻照加工，電線電纜的絕緣材料將由線性高聚物變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［1］，但其交聯(lián)度大小和均勻性與加速器的束下傳輸裝置密切相關(guān)，它也是電線電纜輻照交聯(lián)改性是否成功的關(guān)鍵。本文具體針對(duì)電子束下傳輸裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解剖析，為后續(xù)自動(dòng)控制提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1 束下傳輸系統(tǒng)總體要求及架構(gòu)

本文是以實(shí)施的成功案例來(lái)進(jìn)行介紹，該案例總體要求為：

1.輻照的線纜為公稱直徑0.2 mm的美標(biāo)AWG32號(hào)線，采用四進(jìn)四出的輻照方式。

2.輻照生產(chǎn)中正常輻照放線速度為450～500 m／min；正常換線速度為50 m／min，換線過(guò)程不停機(jī)。

根據(jù)要求，結(jié)合輻照加工企業(yè)其他實(shí)際情況，設(shè)定束下傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成主要由放線機(jī)、夾線器、儲(chǔ)線張力架、過(guò)線輪組、束下輪傳動(dòng)架、收線機(jī)等組成。工藝流程圖如圖1所示。

依照?qǐng)D1所示，受照線纜經(jīng)放線機(jī)放線給儲(chǔ)線張力架，并經(jīng)過(guò)線輪組到達(dá)加速器下方的束下輪傳動(dòng)架進(jìn)行繞排線接受電子輻射，再經(jīng)過(guò)線輪組傳遞線纜給儲(chǔ)線張力架到收線機(jī)進(jìn)行收線，從而實(shí)現(xiàn)線纜的輻照工藝需求。

圖1 小線輻照工藝流程圖

2 束下傳輸系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

2.1 束下輪傳動(dòng)架

小截面的電線電纜輻照時(shí)通常采用“8”字型或變形啞鈴型的排線方式，如圖2所示。

圖2 小線輻照束下系統(tǒng)排線方式

本系統(tǒng)選用變形啞鈴型排線方式。輻照的線纜采用四進(jìn)四出的輻照形式，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輥筒同時(shí)需供兩根線纜纏繞，線纜纏繞排布通過(guò)分線軸均勻排布。排線輥筒驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 束下主排線輥筒驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

主排線輥筒分兩段，分別由兩個(gè)帶編碼器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，編碼器通過(guò)排線輥筒的角位移，對(duì)每個(gè)基準(zhǔn)的角度發(fā)出一個(gè)唯一與該角度對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值，并通過(guò)外部記圈實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸線纜的長(zhǎng)度進(jìn)行記錄和測(cè)量。傳輸輥筒外徑設(shè)定為Φ400 mm，兩個(gè)輥筒總長(zhǎng)及線纜纏繞圈數(shù)根據(jù)加速器掃描寬度進(jìn)行定制。為實(shí)現(xiàn)一定劑量條件下的線纜輻照，線纜的傳輸速度V0會(huì)根據(jù)線纜纏繞圈數(shù)、束流強(qiáng)度等來(lái)確定，并與加速器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。該速度也是整個(gè)系統(tǒng)的初始速度，它的大小可通過(guò)變頻器調(diào)整束下輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻率來(lái)改變。

2.2 放線機(jī)

放線機(jī)的主要作用是通過(guò)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)工字輪線盤來(lái)進(jìn)行線纜的穩(wěn)定輸送，本系統(tǒng)采用的兩根線纜共用一臺(tái)放線機(jī)的方案，為達(dá)到不停機(jī)的放線，放線機(jī)可安裝3個(gè)工字輪線盤，兩根線纜同時(shí)放線時(shí)空出的工字輪線盤為備用盤，當(dāng)一根線纜放線完畢備用盤補(bǔ)上，放完線的線盤則為備用盤。也就是說(shuō)線盤之間互為備用，如圖4所示。

圖4 放線機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

工字輪線盤之間的切換與接線均通過(guò)手動(dòng)方式完成，放線機(jī)設(shè)置有排線輪進(jìn)行線纜引出可確保線纜在盤位變化時(shí)不發(fā)生相互干擾。同時(shí)為確保放線機(jī)穩(wěn)定放線，在每個(gè)工字輪上都增設(shè)了激光測(cè)距儀，如圖5所示，可測(cè)得激光頭到纏繞線纜的距離，該距離會(huì)因放線過(guò)程中纏繞線纜的減少而為一變動(dòng)量，它與放線電機(jī)頻率的關(guān)系見(jiàn)式（1）。

式中：p放線電機(jī)為放線電機(jī)頻率／hz·min-1；V1為放線速度／m·min-1；r放線電機(jī)為放線電機(jī)的轉(zhuǎn)速／r·min-1；L0為激光頭到工字輪的中心軸距離／m；L1為激光頭到纏繞線纜的距離／m；

從式（1）中可知：要保障放線速度V1的恒定輸出，則根據(jù)L1的數(shù)值變化適時(shí)調(diào)整電機(jī)頻率p放線電機(jī)即可。

圖5 激光測(cè)距示意圖

2.3 儲(chǔ)線張力架：

儲(chǔ)線張力架是確保整個(gè)線纜傳輸系統(tǒng)建立合適的張力和匹配速度的核心裝置，該裝置控制的張力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致線纜拉長(zhǎng)或拉斷，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致亂線、脫輪，所以該裝置必須要穩(wěn)定可靠。

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)線張力架的恒張力控制［2］，也就是裝置中從動(dòng)輪上下移動(dòng)時(shí)要始終保持同樣的拉力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖6所示。

從圖6可知，從動(dòng)輪布置在一個(gè)閉環(huán)的鋼絲回路上，鋼絲回路帶動(dòng)從動(dòng)輪可進(jìn)行上下移動(dòng)。

鋼絲回路上的纏繞輪通過(guò)電機(jī)變頻控制輸出恒定的扭力F0，并根據(jù)從動(dòng)輪上纏線纜張力要求進(jìn)行合理配重后，即可通過(guò)控制纏繞在從動(dòng)輪線上的線纜速度來(lái)控制鋼絲回路的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從動(dòng)輪上下移動(dòng)將線纜張緊的目的。

鋼絲回路力矩分析：

從動(dòng)輪上升時(shí)：F×2n+Fw1+F3≤Fw2+F0（4）式（2）～（4）中：F為線纜張力／kg；Fw1為從動(dòng)輪重力／kg；Fw2為配重塊重力／kg；F3為系統(tǒng)摩擦力 ／kg；F0為纏繞輪扭力／kg；n為從動(dòng)輪纏繞圈數(shù)。

圖6 恒張力控制系統(tǒng)原理示意圖

鋼絲回路系統(tǒng)中，從動(dòng)輪重力Fw1始終為定值，配重塊重力Fw2在配重后也為定值，而從動(dòng)輪纏繞圈數(shù)n根據(jù)線纜粗細(xì)人為設(shè)定，在工作狀態(tài)時(shí)不會(huì)發(fā)生變化，也為定值，纏繞輪扭力F0根據(jù)電機(jī)頻率來(lái)設(shè)定扭力大小也為恒定值。而系統(tǒng)摩擦力F3只與系統(tǒng)制作有關(guān)，此處擬考慮為定值，為達(dá)到上式中的力矩關(guān)系，唯有通過(guò)調(diào)整線纜張力F的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然張力F的變化必須在輻照線纜的允許范圍內(nèi)，同時(shí)制造時(shí)也盡量考慮減小摩擦力F3的大小。線纜張力F大小的變化是通過(guò)收放線速度差來(lái)調(diào)整的。

由于正常輻照放線速度為450～500 m／min，設(shè)定從動(dòng)輪正常輻照放線時(shí)位置點(diǎn)為20%位置，如圖7所示，則有關(guān)公式為：

式中：ΔV為速度差／m·min-1；H為儲(chǔ)線架高度／m；n為從動(dòng)輪纏繞圈數(shù)；T儲(chǔ)線為儲(chǔ)線時(shí)間／min；V放線為放線速度／m·min-1；V0為束下輪收線速度／m·min-1。

假設(shè)儲(chǔ)線時(shí)間T儲(chǔ)線設(shè)定1.5 min儲(chǔ)滿，儲(chǔ)線架高度H為6 m，纏繞圈數(shù)n為13圈，則速度差 ΔV＝83.2 m／min，也就是說(shuō)需在速度差83.2 m／min的情況下跑滿1.5 min才可以將線儲(chǔ)滿，但要產(chǎn)生83.2 m／min速度差值是需要時(shí)間的，時(shí)間太短張力變化過(guò)大，將造成脫線。

圖7 儲(chǔ)線功能的實(shí)現(xiàn)和控制

從上文介紹已知，張力F的變化只與速度差變化的加速度有關(guān)系，而產(chǎn)生速度差ΔV是需要時(shí)間的，只要有加速度的變化，張力F也會(huì)產(chǎn)生變化。為避免張力F波動(dòng)過(guò)大造成脫線、斷線等事故的發(fā)生，則需控制好速度差的變化，即在形成速度差的同時(shí)需有緩慢增大和減少ΔV的過(guò)程。如何控制好儲(chǔ)線吐線的這個(gè)過(guò)程并兼顧放線換盤接線等操作都是PLC編程的關(guān)鍵。

2.4 放線夾線器

放線夾線器是放線機(jī)與儲(chǔ)線架放線切換的關(guān)鍵設(shè)備，在換盤動(dòng)作過(guò)程中對(duì)電線進(jìn)行固定夾持，夾持后的線頭端便于工人的手工接線。

為避免夾線器夾持線纜的時(shí)候，造成線纜的扯斷，線纜夾持需在儲(chǔ)線完成后，并通過(guò)儲(chǔ)線架放線，放線機(jī)停止放線，即V1＝0時(shí)才可以進(jìn)行夾線動(dòng)作。

放線夾線器通過(guò)氣缸完成夾線動(dòng)作。

2.5 過(guò)線輪組

過(guò)線輪組主要起到儲(chǔ)線張力架與束下輪傳動(dòng)架之間的連接過(guò)渡作用。

由于束下輪傳動(dòng)架置于輻射室，而收放線的儲(chǔ)線張力架置于輻射室外，兩者之間通過(guò)廊房過(guò)渡連接，因此過(guò)線輪組也是輻射室與室外的連接過(guò)渡。過(guò)線輪組設(shè)計(jì)時(shí)都要求過(guò)線輪盡量輕便，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，數(shù)量則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行確定，盡量采用最少數(shù)量過(guò)線輪進(jìn)行連接過(guò)渡，實(shí)際繞線時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整過(guò)線路徑。設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮輻射對(duì)過(guò)線輪材質(zhì)壽命的影響。

2.6 收線機(jī)

自動(dòng)收線機(jī)是輻照系統(tǒng)最后一個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)類似放線機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖8所示，只是在每個(gè)工字輪收線位置增加一個(gè)布線輪，輻照線纜先經(jīng)由布線輪再送入工字輪線盤纏繞，纏繞過(guò)程布線輪進(jìn)行左右來(lái)回往復(fù)的布線。將線纜按順序在工字輪上排布整齊。

當(dāng)放線機(jī)放線完成，工人按下計(jì)米清零信號(hào)后，即切換到收線機(jī)線換盤準(zhǔn)備，同時(shí)收線儲(chǔ)線架開(kāi)始儲(chǔ)線準(zhǔn)備。儲(chǔ)線架從動(dòng)輪緩慢提升，同時(shí)收線機(jī)緩慢降速，當(dāng)輻照線纜的線頭到達(dá)并通過(guò)收線盤收線夾線器時(shí)收線機(jī)速度降為零速，同時(shí)收線夾線器夾線，儲(chǔ)線架繼續(xù)儲(chǔ)線，當(dāng)收線換盤接線完成后，給出完成信號(hào)，收線夾線器松開(kāi)線纜，收線儲(chǔ)線架開(kāi)始緩慢“吐”線，收線機(jī)緩慢提速，當(dāng)收線儲(chǔ)線架“吐”線完畢，表示收線換線完成，束下輪開(kāi)始加速到正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度。放線、收線機(jī)同步跟蹤束下輪速度，從而確保生產(chǎn)的連續(xù)性，不間斷高速生產(chǎn)。

圖8 收線機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

收線機(jī)的工字輪線盤線纜纏繞排列的好壞取決于PLC控制程序的編寫，在考慮工字輪收線速度控制的同時(shí)還需兼顧布線輪速度的控制及與收線儲(chǔ)線張力架的配合等，并在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中加以修正。

3 束下傳輸系統(tǒng)設(shè)備組成

整個(gè)輻照交聯(lián)束下傳輸系統(tǒng)的設(shè)備組成從結(jié)構(gòu)上按功能非常獨(dú)立，但相互間控制關(guān)聯(lián)性確非常大，也相較復(fù)雜，本文針對(duì)控制系統(tǒng)不再贅述。

設(shè)備組成內(nèi)容見(jiàn)表1。

4 束下傳輸系統(tǒng)清潔生產(chǎn)措施

考慮到輻照過(guò)程電子輻射產(chǎn)生大量臭氧，而臭氧具有很強(qiáng)的氧化性，在設(shè)計(jì)時(shí)為保障束下傳輸系統(tǒng)的壽命及清潔生產(chǎn)需求，針對(duì)束下輪傳動(dòng)架選用含25%Cr的鉻鐵合金來(lái)制造輥筒及機(jī)架等可能與臭氧直接接觸的部件，并采用硅橡膠或耐酸橡膠等密封材料來(lái)提高抗臭氧的腐蝕。

表1 系統(tǒng)設(shè)備組成內(nèi)容

同時(shí)采用全密封機(jī)架，在機(jī)架內(nèi)引入室外的新鮮空氣形成正壓來(lái)避免臭氧與電機(jī)發(fā)生腐蝕接觸。并對(duì)同步皮帶采用保護(hù)罩保護(hù)，但考慮到皮帶的壽命，保護(hù)罩的設(shè)計(jì)會(huì)考慮到更換的便利。另外在束下輪傳動(dòng)架與過(guò)線輪組之間還會(huì)加上必要的托線輥（輪），確保整個(gè)線纜傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

過(guò)線輪組在輻照室內(nèi)的繞線輪均為不銹鋼材質(zhì)，室外則采用鋁繞線輪，兼顧室內(nèi)抗臭氧氧化的同時(shí)使線輪更輕便，轉(zhuǎn)動(dòng)更靈活。

以上措施在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中盡量保證系統(tǒng)的清潔生產(chǎn)，延長(zhǎng)使用壽命。

5 結(jié) 語(yǔ)

小線輻照交聯(lián)束下傳輸系統(tǒng)是小線輻照加工生產(chǎn)流程中的一套重要工序設(shè)備，通過(guò)案例實(shí)施完全能達(dá)到預(yù)期的高速生產(chǎn)目的。在保障輻照質(zhì)量的前提下，500 m／min的生產(chǎn)傳輸速度四進(jìn)四出模式連續(xù)生產(chǎn)并做到換線不停機(jī)。

該束下傳輸系統(tǒng)所包含的相關(guān)技術(shù)特別是恒張力控制技術(shù)，對(duì)它的深入研究將具有很大的推廣價(jià)值和市場(chǎng)前景。