趙恢柏

（岳陽(yáng)大力神電磁機(jī)械有限公司，湖南岳陽(yáng) 414100）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)磁滯式電纜卷筒主要沿用20 世紀(jì)技術(shù)，采用5 孔箱體，單個(gè)磁滯頭的扭矩較小，當(dāng)卷取的電纜截面積較大時(shí)，需要用到多個(gè)磁滯頭。但在實(shí)踐中，多臺(tái)電機(jī)的同步性不好。于是研制一款新型磁滯式電纜卷筒，它只有一個(gè)較大的磁滯頭。電纜卷筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電纜卷筒結(jié)構(gòu)

1 工作原理

1.1 電纜卷筒收、放電纜原理

電機(jī)運(yùn)行后，電纜卷筒電機(jī)將動(dòng)力由皮帶輪通過(guò)皮帶傳至磁滯頭（又叫磁滯力矩盤(pán)），磁滯頭驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)再驅(qū)動(dòng)卷筒本體中的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸一端裝有滑環(huán)箱，另一端裝有繞線盤(pán)。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)碳刷實(shí)現(xiàn)電能（或電信號(hào)）由固定極向活動(dòng)極傳送，另一端則帶動(dòng)繞線盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜的收放。收取電纜：當(dāng)移動(dòng)電器向電源箱運(yùn)行時(shí)，電纜卷筒的電機(jī)工作，通過(guò)傳動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)收線盤(pán)，使之收取電纜。此時(shí)電纜的卷取速度大于電器的移動(dòng)速度，通過(guò)磁滯頭內(nèi)部的磁塊打滑來(lái)實(shí)現(xiàn)速度同步。釋放電纜：當(dāng)移動(dòng)電器離開(kāi)電源箱時(shí)，電纜卷筒的電機(jī)可以工作，也可以不工作，此時(shí)通過(guò)移動(dòng)設(shè)備強(qiáng)行將電纜拉出，釋放電纜。電機(jī)輸出軸上裝有單向軸承，可防止電纜在電機(jī)沒(méi)有工作時(shí)從收線盤(pán)上滑落。電機(jī)始終朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。

1.2 磁滯頭工作原理

磁滯頭的動(dòng)力輸入端裝有一個(gè)多極永久磁鋼盤(pán)（磁盤(pán)），這個(gè)磁盤(pán)的對(duì)面有一個(gè)強(qiáng)感應(yīng)盤(pán)，感應(yīng)盤(pán)安裝在動(dòng)力輸出盤(pán)上。當(dāng)電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，便通過(guò)磁感應(yīng)帶動(dòng)感應(yīng)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使動(dòng)力輸出盤(pán)帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)減速機(jī)輸入軸旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)磁連接。當(dāng)輸出軸旋轉(zhuǎn)阻力轉(zhuǎn)大時(shí)，磁盤(pán)通過(guò)磁感應(yīng)帶動(dòng)感應(yīng)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，便產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。磁耦合力矩的大小可通過(guò)兩盤(pán)間隙來(lái)調(diào)整。改變感應(yīng)圓盤(pán)與永久磁鋼之間的距離（即磁隙）即可改變磁連接力矩的大小。

2 部件選型與計(jì)算

（1）電機(jī)。電機(jī)作為新型磁滯式卷筒的動(dòng)力源，一般選用外形美觀、效率高、噪聲低、防護(hù)等級(jí)和絕緣等級(jí)高的臥式三相異步電機(jī)，電機(jī)功率P=4 kW，轉(zhuǎn)速V1=1440 r/min，電壓U=380 V。

電機(jī)功率與扭矩的計(jì)算公式如下：

在實(shí)際中，電機(jī)功率P=4 kW，轉(zhuǎn)速V=1440 r/min。計(jì)算如下：扭矩

（2）皮帶輪。主動(dòng)皮帶輪的直徑D1=140 mm，從動(dòng)皮帶輪的直徑D2=180 mm，可以計(jì)算出傳動(dòng)比

根據(jù)電機(jī)功率P=4 kW，轉(zhuǎn)速V=1440 r/min?？梢杂?jì)算出皮帶的線速度：V2=π×D1×V1=3.14×0.14×1440=633 m/min。

再根據(jù)電機(jī)的扭矩Tn=26.5 N·m，從而選用A 型普通V 帶。

（3）磁滯頭。磁滯頭是磁滯式電纜卷筒的重要組成部分。目前國(guó)內(nèi)磁滯頭主要是沿用上世紀(jì)日本的技術(shù)，磁盤(pán)的直徑比較小，只有140 mm，單個(gè)磁滯頭傳遞的扭矩只有5～8 N·m，如果遇到大電纜，就要使用多個(gè)磁滯頭聯(lián)用。設(shè)計(jì)的新型磁滯式電纜卷筒的磁盤(pán)直徑是320 mm，單個(gè)磁滯頭傳遞的扭矩有20～30 N·m，即便遇到大的電纜，1 個(gè)磁滯頭也可以滿足要求。磁滯頭結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 磁滯頭結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：連接法蘭的材料是45#鋼，它與減速機(jī)連接；皮帶輪的材料是鑄鐵，通過(guò)皮帶與電機(jī)上的皮帶輪連接，來(lái)傳遞電機(jī)的扭矩；磁滯頭外殼的材料是鋁合金鑄件，其外面有很多散熱片。因?yàn)榇艤^旋轉(zhuǎn)時(shí)切割磁力線，會(huì)產(chǎn)生很多熱量，而磁滯頭外殼采用鋁合金材料加上散熱片，具有良好的散熱功能；永磁塊的材料是釹鐵硼，具有較強(qiáng)的磁力，其形狀為扇形，共有16 塊沿圓周方向均勻分布在磁塊托盤(pán)上，磁塊托盤(pán)又通過(guò)平鍵與主軸連接，與主軸一同旋轉(zhuǎn)并傳遞扭矩；磁鋼可以充磁，與永磁塊相互感應(yīng)產(chǎn)生磁力。電機(jī)產(chǎn)生的扭矩通過(guò)皮帶輪、磁滯頭外殼傳遞到磁鋼，磁鋼與永磁塊之間有間隙，可以通過(guò)調(diào)整間隙的大小來(lái)調(diào)節(jié)磁力的大小。其調(diào)節(jié)方法如圖3 所示：①拆開(kāi)磁滯頭防塵罩，擰開(kāi)磁滯頭上的4 個(gè)固定螺釘；②拆下調(diào)節(jié)螺母上的4 個(gè)螺釘；③順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母，力矩變小。此時(shí)，調(diào)節(jié)螺母與卡環(huán)這間的間隙會(huì)變大；逆時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母，力矩變大。此時(shí)，調(diào)節(jié)螺母與卡環(huán)這間的間隙會(huì)變小。調(diào)節(jié)好力矩后，將所有零部件復(fù)原。

圖3 調(diào)節(jié)方法

（4）減速機(jī)。減速機(jī)要選用沒(méi)有自鎖功能的直齒減速機(jī)，速比i2=30，型號(hào)為40CVM-30-4 kW。其輸入端為磁滯頭，輸出端安裝一個(gè)鏈輪。

（5）變速箱。變速箱采用鋼板焊接而成，內(nèi)裝一組鏈輪，小鏈輪P=25.4、Z=15，大鏈輪P=25.4、Z=33，速比。因?yàn)樽兯傧鋬?nèi)的線速度很低，且傳遞的力矩較大，所以采用鏈條傳動(dòng)。

（6）收線盤(pán)。收線盤(pán)用50 mm×30 mm×5 mm 的方管焊接而成，當(dāng)收線盤(pán)的外徑大于2.4 m 時(shí)，為了方便運(yùn)輸和安裝，一般設(shè)計(jì)成2 個(gè)半圓，到現(xiàn)場(chǎng)再螺栓固定成一個(gè)整圓。收線盤(pán)的內(nèi)徑要大于電纜的最小彎曲半徑，電纜的最小彎曲半徑是電纜直徑的10 倍（電纜的最小彎曲直徑是電纜直徑的20 倍）。收線盤(pán)的內(nèi)寬為電纜直徑的1.1 倍。

3 控制柜設(shè)計(jì)

新型磁滯式電纜卷筒的控制柜是一種集中控制和保護(hù)電氣設(shè)備的裝置，通常以金屬柜體為基礎(chǔ)構(gòu)建。它可以用來(lái)集中控制和監(jiān)測(cè)電纜卷筒各種電氣設(shè)備，以確保電纜卷筒的正常運(yùn)行和安全性。一般單獨(dú)設(shè)置在卷筒的旁邊，其電氣原理如圖4 所示：①A、B、C 接外部電源（3 相AC 380 V 50 Hz），U、V、W 接卷筒電機(jī)；②2、3接行走電機(jī)定子繞組（AC 380 V），當(dāng)行走電機(jī)得電時(shí)，帶動(dòng)中間繼電器KA 動(dòng)作，卷筒電機(jī)動(dòng)行；當(dāng)行走電機(jī)斷電時(shí)，中間繼電器KA 立即失電復(fù)原。由于中間繼電器KA 輔助延時(shí)觸點(diǎn)斷電后延時(shí)斷開(kāi)，卷筒電機(jī)延時(shí)停止運(yùn)行；③無(wú)論是行走電機(jī)前進(jìn)（遠(yuǎn)離電源）還是后退（靠近電源），卷筒一直處于收電纜狀態(tài)。如果是端部供電，放電纜是卷筒電機(jī)可以不工作；④注意要保證卷筒電機(jī)運(yùn)行方向與收電纜的方向一致，如果運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反，只需要把卷筒電機(jī)的接線任意對(duì)調(diào)兩相即可。

圖4 電氣原理

4 導(dǎo)向輪的設(shè)計(jì)

導(dǎo)向輪是電纜卷筒以外單獨(dú)的一個(gè)部件，一般安裝電纜卷筒的收線盤(pán)下面0.5 m 的位置。導(dǎo)向輪的作用是：使電纜的出線始終保持在同一高度；能感應(yīng)電纜拉力的大小，更好地保護(hù)電纜，使其不被過(guò)大的拉力拉斷。導(dǎo)向輪兩邊各裝有4 個(gè)輪子，其材料為尼龍輪，能更好地保護(hù)電纜外皮不被磨損。導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向輪的工作原理：導(dǎo)向輪通過(guò)活動(dòng)支架繞銷(xiāo)軸的旋轉(zhuǎn)，來(lái)觸動(dòng)限位器，并把限位器感應(yīng)到的信號(hào)傳遞到龍門(mén)吊的移動(dòng)電機(jī)控制箱，使龍門(mén)吊的移動(dòng)停止，起到電纜不被拉斷的作用。而限位器的感應(yīng)拉力大小的調(diào)節(jié)，則通過(guò)調(diào)節(jié)花籃螺栓上的兩根螺栓的距離來(lái)調(diào)節(jié)拉簧預(yù)定拉力的大小。

5 應(yīng)用案例

根據(jù)用戶的具體要求對(duì)新型磁滯式電纜進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體參數(shù)如下：橡套電纜型號(hào)：YC3×120+1×35，直徑55 mm，每米重量6.2 kg，電纜長(zhǎng)度150 m，安裝高度3 m，移動(dòng)速度30 m/min。根據(jù)用戶所提供的參數(shù)，對(duì)新型磁滯式電纜卷筒的力矩、速度、收線盤(pán)的尺寸進(jìn)行計(jì)算：

（1）力矩。4 kW 的電機(jī)最大能產(chǎn)生26.5 N·m 扭矩，因?yàn)榇艤^的力矩傳遞要有調(diào)節(jié)大小的余量，所以取中間值20 N·m，傳遞效率按0.8 來(lái)計(jì)算。

（2）收線盤(pán)的尺寸。根據(jù)電纜的直徑d=55 mm，長(zhǎng)度L=155 m，收線盤(pán)寬度系數(shù)1.1，最小彎曲直徑系數(shù)20，計(jì)算收線盤(pán)的外徑D1、內(nèi)徑D2、內(nèi)寬B。

（3）速度。因?yàn)槭站€盤(pán)收取電纜的線速度是變量，而收取電纜的速度與設(shè)備移動(dòng)的速度可以通過(guò)磁滯頭的打滑來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，收取電纜的速度要大于設(shè)備移動(dòng)的速度。所以取收線盤(pán)的內(nèi)徑來(lái)計(jì)算卷取速度，傳遞效率按0.8 來(lái)計(jì)算。

綜合以上對(duì)新型磁滯式電纜力矩、收線盤(pán)、速度的計(jì)算方法的了解，可以對(duì)用戶提供的不同參數(shù)的電纜卷筒進(jìn)行計(jì)算，從而選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)、減速機(jī)，設(shè)計(jì)制做出適當(dāng)尺寸的收線盤(pán)。