殷晓春， 商克金

(大连通信电缆有限公司，辽宁大连116021)

0 引言

放线设备是线缆生产设备中不可缺少的组成部分，而其中张力控制部分的性能是关系到生产能否正常进行及产品质量能否达到要求的重要因素之一。放线设备从放线方式上分为主动放线和被动放线两种。主动放线设备由于加入了驱动电机和控制系统，张力的控制精度可以做得较高，调节范围也较宽，但设备的制造及使用成本也相对较高;而被动放线设备由于没有上述电气部分，其制造和使用费用则远低于主动放线设备，虽然张力控制精度和调节范围不如主动放线设备，但大多数情况下是可以满足使用要求的，因此依然被广泛使用。然而，现阶段常见的被动放线设备在使用中也存在一些限制和不足。

1 现有被动放线设备存在的问题

张力控制装置是被动放线设备中的关键部分，从控制方式上分为有反馈和无反馈控制两种。而有反馈的张力控制装置常见的又有摆臂滚筒式张力控制系统(见图1)和张力枪张力控制系统(见图2)两种。刚好，上述三种张力控制方式的被动放线设备在我们公司都在使用。而问题的起源是一台具有50个放线架的成缆机，它采用的是无反馈张力控制装置，工人在生产中需要间断性地调整刹车盘的松紧，操作繁琐而且经常造成线缆张力不均匀，由此可知，无反馈张力控制装置只能用于要求不高且放线盘不多的场合。随着对产品质量要求的提高，这种放线张力控制装置已不能满足生产的需要，因此需要改进该成缆机放线架的张力控制装置。

带有机械反馈张力控制装置的被动放线系统能够避免上述问题。但前面提到的两种有反馈的张力控制装置还是不能满足现有的要求。

首先，摆臂滚筒式张力控制系统虽然已经基本能够保证放线盘在空盘和满盘时的放线张力大致相同，无需频繁调整，但由于结构的限制，在实际使用时线缆的张力波动较大，当对张力控制稳定度要求高一些时则无法满足要求。另外由于弹簧相对容易损坏，进而影响到张力的控制精度。

其次，张力枪张力控制系统由于加入了偏心轮结构，使张力控制稳定度进一步提高，克服了上述使用时摆臂抖动较大的缺陷。但仔细观察图1、图2会发现，张力枪张力控制系统的放线方向与放线盘的轴向是平行的，而摆臂滚筒式张力控制系统的放线方向与放线盘的轴向是垂直的。在实际生产中，当放线盘的尺寸较大且数量较多时(如上述50个放线架)，常常需要采用放线方向与放线盘的轴线垂直的放线方式。此时，张力枪的结构又无法满足使用要求。

2 新式机械反馈张力控制系统的设计

为了解决上述实际生产所遇到的困难，我们根据具体情况设计了图3所示结构的新式机械反馈张力控制系统。在具体实施时有以下几个问题需要确定。

图1 摆臂滚筒式张力控制系统

图2 张力枪张力控制系统

图3 新式机械反馈张力控制系统

2.1 设备适用性的确定

这里设备的适用性是指现有规格的线缆在所设计的设备上能否采用被动放线方式，无损伤且稳定地放出，这主要由线缆所能承受的(线径不发生变化的)拉力、放线盘的重量(装满线后的重量)所决定。线缆所能承受的拉力可由计算或实验获得(用F1表示)，放线盘的重量对放线的影响可由实验获得，即将装满线缆的放线盘置于放线架上，用拉力计比照设备正常生产时的启动速度拖动线缆，拉力计所显示的最大值(用F2表示)即为所需要的数据。按照经验，只要F1大于F2两倍以上就可以采用被动放线方式。在本设计中经试验获得F1≥5 kg，F2≤1 kg，因此完全可以确定设备的适用性。

2.2 偏心量δ的选择

这里先说一下选择偏心轮结构的理由，所谓的机械反馈就是在线缆被拉紧时，系统能够通过摆臂的摆动适当地放松刹车带，进而达到一个平衡状态。图1所示系统的缺点就是由于放线盘惯性的影响，刹车带放松总是过大(这一点是由其结构所限制的)，难以达到较稳定的动态平衡，造成线缆张力的变动量较大，而采用偏心轮结构则可以较好地克服这一缺点。

如图3所示，偏心量是指偏心轮的圆心与所在轴的轴心的距离。它的数值由刹车带所需产生的最大制动力矩(即在正常生产速度下突然停车放线盘快速制动所需的制动力矩)及所需的张力控制精度所决定。最大制动力矩决定了刹车带被拉紧时所需的弹性延伸长度。进而，偏心量可由下面的公式计算出近似值:

δ≈ L/(1-cosθ)

式中，δ为偏心量;θ为张力摆臂的摆动角度，0°≤θ≤90°，在实际应用中θ一般小于60°;L为刹车带被拉紧时的弹性延伸长度，其值由实验取得。

此次设计中取 L=4.5，θ=60°，经计算:δ=9 mm。

需要说明的是，L取值越大紧急制动效果越好，但L取值变大后会导致δ变大，L相对摆角θ的变化率也变大，进而降低了张力控制的稳定度。所以，L的取值只要达到紧急停车后线缆达到不松散的效果即可。

2.3 放线张力的调整

决定放线张力值的因素有以下几点:(1)系统自身的阻尼及放线盘的惯性;(2)刹车带的初始制动力矩;

(3)摆臂随摆动角度变化所产生的重力力矩的变化。

系统自身的阻尼及放线盘的惯性均由它们自然条件所决定，基本无法调整。刹车带的初始制动力矩的控制可由丝杆等零件所构成的拉索机构进行调整，只要调整到紧急停车后线缆达到不松散的效果即可。摆臂随摆动所产生的重力力矩的控制可由配重砝码的加减及改变砝码在摆臂上的位置来进行调整。

需要注意的是，为了尽量增大张力调节的范围，张力滚筒及摆臂要采用尽可能减轻重量的结构来设计。

3 新式机械反馈张力控制系统的实际应用

图4 为新式机械反馈张力控制系统的核心部件偏心轮的组装图。偏心轮外环通过拉索与刹车带连接，摆臂的中心开有固定砝码的长槽。

此外还需注意的是，在条件允许的情况下尽量加大刹车盘的直径，以便获得更好的制动效果。本例中刹车盘的外径为220 mm(放线盘的外径为500 mm)。

这套新式机械反馈张力控制系统用于我公司的50盘成缆机后取得了很好的使用效果。彻底消除了线缆被拉伸后线径变细的现象，生产中摆臂的抖动现象也基本消除，当遇到紧急停车时，也未出现线缆松散的情况。

图4 偏心轮组装图

4 结束语

这套新式机械反馈张力控制系统的单套制造成本仅几百元，而相同规格的电控主动放线的单套制造成本一般都在数千元以上。此外，该新式机械反馈张力控制系统不仅制造成本低，而且因无驱动电机及电气控制系统而不用电，节省能源，维护容易。在降低企业生产成本的同时也完全符合当今社会所提倡的节能减排的发展理念。

经过一年多使用，该装置的各方面性能均达到了设计目标，且操作简单，也未出现任何故障。