籠式絞線機搖籃架的退扭機構的優化設計

孫 健

(蕪湖電工機械有限公司，安徽蕪湖241001)

0 引言

當絞線在絞合時，隨著絞籠的旋轉，單線以螺旋的方式卷繞在以基圓為直徑的圓柱體上，單線各處都會彎曲，同時單線還圍繞著自身軸線產生扭轉變形，在一個節距內扭轉的角度為360°(即2π)。單線的彎曲和扭轉變形，使絞線產生內應力，影響絞線質量。由于絞線結構的原因，單線絞合時的彎曲變形不可避免，而扭轉變形的問題則可以通過采用退扭工藝來解決［1］。

籠式絞線機具有退扭機構，常用的有鉸接式四連桿機構、行星齒輪退扭機構。在絞線過程中，它們都可以使搖籃架保持水平，使單線在絞合時，只產生彎曲而不發生扭轉變形，實現完全退扭。因此通過籠式絞線機絞合出來的絞線質量非常好，能夠滿足電氣使用的要求。

1 籠式絞線機的結構形式

籠式絞線機的主體——放線部分，是一種籠形結構件，通稱絞籠(見圖1)。2～6個圓形絞盤安裝在一根主軸上(圖中是3個絞盤安裝在一根主軸上)，通常有6個搖籃式放線架為一組，通過退扭機構圓周均布在2個絞盤之間。單線從搖籃式放線架的放線盤中放出后通過分線板匯集到并線模處。當絞合時，籠式絞線機需要作兩種運動:一個是動力驅動主軸旋轉，使被絞制的單線圍繞主軸軸線作旋轉運動;另一個是通過牽引裝置將匯集到并線模并圍繞主軸線旋轉的各單線拖動向前，這樣就完成了絞合運動。

圖1 絞籠結構圖

由于絞籠尺寸較大，安裝在搖籃式放線架上的絞線也很重，當絞籠作高速旋轉時，會產生巨大的離心慣性力。因此，搖籃架放線架的支撐形式非常重要，它的好壞直接反映了絞籠性能的優劣。

2 老式退扭機構的分析

在老結構的籠式絞線機中，搖籃式放線架的支撐機構是一種鉸接式的四連桿退扭機構(見圖2)。

圖2 四連桿退扭機構

具體結構如下:搖籃式放線架兩端的中心點上各鏜一個安裝支承孔。右端的孔里裝有后軸，再通過軸端部的軸承支撐在右側的絞盤上;左端的側面裝有退扭軸，退扭軸的右端做成法蘭狀，法蘭軸的小短凸臺定位在放線架的支承孔里，法蘭面與搖籃式放線架的左端面通過4個M12的螺栓緊緊地固聯在一起，退扭軸上裝有軸承，支撐在左側的絞盤上。這樣，一個搖籃式放線架就安裝在2個相鄰的圓形絞盤之間。由于每個放線架的兩端與絞盤之間分別是通過軸承連接的，所以放線架相對于絞盤可以繞著自身的支撐軸線旋轉［2］。

退扭曲柄的一個孔通過普通平鍵與退扭軸的左端相連接，另一個孔通過銷軸與退扭環鉸接在一起。退扭環中心與絞盤中心的距離為L，且等于退扭曲柄兩孔之間的距離，這樣，絞盤、退扭環和退扭曲柄之間形成了四連桿機構。AB及DC桿為雙曲柄，BC桿為連桿，AB與DC相等，BC又與AD相等，故此機構為平行雙曲柄機構。AB與DC桿角速度瞬時相等，所以在AB與DC桿旋轉時，BC桿時時處于垂直位置。從以上分析可知，絞盤在旋轉過程中，四連桿機構控制搖籃式放線架作平動，從而實現退扭。

通過上述分析可知，與放線架左端固聯的退扭軸不僅要承受絞籠旋轉時線盤和放線架所產生的離心慣性力，還要傳遞退扭運動。由于整個機構剛性很差，在交變應力的作用下，就會出現4個M12的連接螺栓松動，以及放線架兩端的支承孔發生變形，成喇叭口狀，設備經常要停機維修，用戶意見很大。

對于安裝在DN32及DN32以下管道上的水流開關，在安裝水流開關處的管道管徑宜為DN40～DN50,才能保證水流開關的正常動作。干簧管式水流開關的工作原理與撥片式水流開關不同，適用于小管徑(DN15、DN20)的管道，直接安裝即可。

3 第一次改進設計

針對老結構存在的問題，對搖籃式放線架在絞籠中的支撐方式進行了改進設計，圖3為改進后的帶卸荷套的四連桿退扭機構。

圖3 帶卸荷套的四連桿退扭機構

首先，將搖籃式放線架左右兩端的支承孔鏜大，鏜成軸承孔。其次，將放線架右端的后支承軸做成法蘭軸，法蘭軸的端面用6個M12的螺釘緊緊的固定在右側的絞盤上，后支承軸上裝有調心軸承，放線架右端的軸承孔就套在調心軸承上;在放線架左側的絞盤上裝有一個法蘭支承套。支承套與絞盤也用6個M12的螺釘固定在一起，支承套的右端裝有調心軸承，放線架左端的軸承孔套在調心軸承上。放線架通過兩端的調心軸承得到支撐。這種支撐結構，我們稱之為“卸荷機構”，即線盤和搖籃式放線架高速旋轉時所產生的巨大的離心慣性力，由剛性很好的法蘭支承套(也叫卸荷套)和后支承軸來承受。

退扭運動的傳遞是通過退扭軸來完成。退扭軸做成法蘭軸，采用焊接件或鍛件的形式。退扭軸的法蘭面用4個M12的螺釘與搖籃式放線架左端的內側面固定在一起，退扭軸的中間通過軸承支撐在卸荷套里。退扭軸的左端裝有退扭曲柄，退扭曲柄和退扭環的安裝同前面的形式一樣，當絞籠轉動時，同樣能實現退扭。

這種結構形式投入生產，經過用戶使用，很短的時間就發生了退扭軸斷裂的現象，而且斷裂的退扭軸數量很多，斷裂的部位在退扭軸與法蘭連接的根部。斷裂面很光滑，是疲勞破壞。通過分析研究，找出了原因所在，就是組合后的搖籃式放線架上與退扭軸結合的安裝面并不垂直于卸荷套孔的軸線，組裝后，退扭軸的根部產生附加的內應力，再加上離心力的作用，當絞籠旋轉時，就等同于退扭軸不斷的在根部搖動法蘭，時間一長產生疲勞破壞，退扭軸發生斷裂。此機構還需要進一步的優化改進。

4 第二次優化設計

通過對新結構的分析和研究，重新進行數學計算，進行優化設計，開發了新型的帶卸荷套的行星齒輪退扭機構(見圖4)。

搖籃式放線架的支撐機構——卸荷機構，非常合理，仍給以保留，而對退扭形式進行了改進設計:取消了退扭環退扭，改為行星齒輪退扭。退扭齒輪通過軸承支撐在卸荷套的左端。退扭軸采用花鍵軸形式，花鍵軸空套在卸荷套里，花鍵軸的兩端各裝一個花鍵蓋，即右端的花鍵蓋用螺釘固定在搖籃式放線架的左端內側面上;左端的花鍵蓋與退扭齒輪固定在一起。這樣，齒輪通過花鍵蓋和花鍵軸，就能帶動搖籃式放線架作旋轉運動。

根據行星齒輪系的計算，將行星齒輪系轉化為一個假想的定軸輪系，可知:

由于中心齒輪(Z1)固定在箱體上，是固定不動的，即n1=0，所以:

式中，Z1、Z2、Z3分別為中心齒輪、過橋齒輪、退扭齒輪的齒數;n1為中心齒輪的絕對轉速;n3為退扭齒輪的絕對轉速;nH為絞籠的絕對轉速為中心齒輪至退扭齒輪的傳動比;為搖籃式放線架相對于絞籠的相對轉速。

由式(1)和式(2)可知，當絞籠旋轉一周，即nH=1 時，如果 Z1=Z3，則，即搖籃式放線架相對于固定的中心齒輪靜止不動，而相對于絞盤反向旋轉了一周。由此可見，當絞籠在旋轉的過程中，由于中心齒輪固定不動，搖籃式放線架在行星齒輪系的作用下作平動，實現完全退扭。

這套機構還可以使Z1≠Z3即Z1>Z3或Z1

5 結束語

相對于前兩種機構來說，經過第二次優化的新型機構，結構設計更合理，可靠性更高，設備的綜合性能更強。在老式的退扭機構中，退扭軸既要承受離心慣性力，又要傳遞退扭運動，因此，受力件變形大，容易磨損，機構的故障率很高。而在第一次改進設計的過程中，只是將承受離心慣性力與傳遞退扭運動區分開來，分別由卸荷套和退扭軸來完成。但是，因退扭軸與搖籃式放線架剛性連接，零件累積誤差無法消除，因此，應力集中于退扭軸根部，經過一段時間使用產生疲勞破壞，退扭軸斷裂，這種改進設計仍存在缺陷。

第二次優化設計的新型的行星齒輪退扭機構，不僅繼承了前面的研究成果，又改正了原有機構存在的缺陷。其機理是將搖籃式放線架旋轉時所產生的巨大的離心慣性力和所需要的退扭運動分開來傳遞，卸荷套和后支承軸只承受離心慣性力。由于它們都是通過法蘭固定在絞盤上，所以支承剛性好，承載能力強，變形小。而退扭運動是通過退扭的花鍵軸來傳遞。由于與花鍵軸兩端相連接的花鍵蓋很短，花鍵軸和花鍵孔按較松的連接要求來設計和加工，所以組合零件的累積誤差通過花鍵的間隙來消除。這套機構既能傳遞退扭運動，運轉靈活，又沒有附加的內應力，結構非常合理。無論是從設計理論上分析，還是從使用情況來看，各項性能指標均比原有的有較大的提高，效果都很好。

經過改進后的籠式絞線機的主機性能得到了很大的提升，絞籠轉速也提高了近二分之一，例如500/6型籠式絞線機的絞籠轉速由原來的80 r/min提高到117 r/min。設備的故障率降低，生產效率大大地提高。

［1］張云廉.電線電纜機械設備［M］.北京:機械工業出版社，1993.

［2］朱小平.籠式絞線機放線架支撐機構的改進設計［J］.電線電纜，2001(6):42-43.

［3］盛廣權.成纜機電氣退扭傳動機構的設計［J］.光纖與電纜，2008(6):31-33.