一種新型減張力機構的設計

程勇軍

（武漢船舶通信研究所，武漢 430079）

0 引言

目前，市場上使用的絞車大部分是直接通過卷筒的正反轉來進行纜繩收放的，一般用于負載較小、速度和控制精度要求不高的場合，卷筒同時兼顧纜繩排列和纜繩儲存的功能［1］。但是，對于纜繩長度長、負載較大、控制精度要求較高、使用環境復雜的場合（如水下拖曳系統的拖纜收放，鋼絞線及復合電纜的加工生產，高空航空拖靶纜索的回收等），這些纜繩的長度和張力都超過了普通卷筒的正常承載范圍，如果缺少減張力機構，那么就需要特別研制卷筒機構，而且會造成互相交叉排布的纜繩股間產生很大的擠壓應力，不僅干擾排纜機構的正常工作，導致出現亂纜的情況，也會加速纜繩的磨損、破壞。為了解決這些問題，國外提出較為可行的一種方案是將牽引機構與儲纜卷筒分離，即引入減張力機構可以很好地解決亂纜、磨損、破壞等問題。目前國內正在開展這方面的技術研究，很多重要的場合已經采用了減張力機構，取得了較明顯的效果。

本文根據項目需要對減張力機構進行了研究并設計樣機，應用三維設計軟件Inventor 對所設計的減張力機構進行建模，同時進一步研究了電驅式減張力摩擦輪恒張力控制系統和實施方案，提高了減張力機構工作時的穩定性。

1 減張力機構的工作原理

減張力機構的原理是將一體化的牽引機構和儲纜機構進行了分離［2］，如圖1 所示。在纜繩收放過程中，減張力機構能夠主動承擔纜繩上大部分的張力，而使卷筒上的張力控制在一個很小的范圍內，因此，這樣一方面降低了卷筒裝置的性能要求，另一方面提高了排纜機構工作的可靠性。

圖1 絞車分離主體結構示意圖

2 減張力機構力學分析

2.1 減張力機構系統動力學方程

對于由多個剛體Bi（i=1，2，3，…，n）組成的多剛體系統［3］，定義系統的笛卡爾廣義坐標為：

系統所受約束方程為：

對每個剛體Bi寫出對應于6 個廣義坐標的6個拉格朗日方程：

式中：λ 為與6n 個約束相匹配的6n×1 拉格朗日乘子陣列，λ=［λ1，λ2，λ3…λ6n］；Ti為剛體Bi的動能，將式（1）代入式（3）可表示為：

將以上的方程合并成以下矩陣形式：

2.2 張力減小量計算

下面簡要分析纜繩經過減張力機構后張力的減小量。假設纜繩從卷筒上放出時線速度為v1，經過減張力機構后的線速度變為v2，卷筒與減張力機構間纜繩的長度為l，纜繩的彈性模量為ε，纜繩的橫截面積為s，則由胡克定律可知，纜繩張力的減小量［4］為

式中：t1為纜繩放出時刻；t2為纜繩經過減張力機構的時刻。

由此可知：減張力機構減小張力的根本原因是由于纜繩通過前后存在著速度差，由此，要控制張力恒定，就要控制速度差恒定。

3 減張力機構模型建立

3.1 設計要求

減張力機構主要包含減張力摩擦輪機構和排線機構，這樣集減小纜繩張力和排線功能融為一體，不僅使結構更加緊湊，而且可以根據不同的收放速度進行調整，從而適用不同的環境使用要求［5］。減張力機構的設計及功能應滿足以下要求：1）應能使纜繩在卷筒上逐層有序排列，同時減張力機構能夠恒定地分擔纜繩大部分的張力，卷筒最后承擔的纜繩張力在一個很小的控制范圍內；2）應避免纜繩表面與減張力機構摩擦輪之間產生滑動；3）應使減張力機構的摩擦輪與卷筒之間同步轉動；4）應使主動摩擦輪端部的驅動電機可以隨著纜繩收放長度實時有效地調節張力，保持張力恒定穩定；5）應使機構結構緊湊可靠，便于安裝調整，滿足剛度和強度的要求。

3.2 實體模型的建立

依據減張力機構的設計要求，應用三維設計軟件Inventor 建立減張力機構實體模型，該模型主要由10 個構件組成，其組合形式及結構示意圖，如圖2 所示。

圖2 一種新型減張力機構三維模型

3.3 機構間連接及具體實施方式

如圖2 所示，聯軸器1 是用來傳遞外來動力與花鍵軸9 之間的運動，其一端與花鍵軸9 相連，另一端與外接動力設備軸相連；安裝支架2 是用來安裝整個排線機構的部件，其主要包含與導向軸3、花鍵軸9、排線軸10 之間的安裝接口，同時整套機構需要通過安裝支架2 安裝在所需位置；導向軸3 是用來平衡減張力部分帶來的轉動及部件重量，導向軸3 與減張力安裝架7 之間是間隙配合，減張力部分可以在上面自由移動；傳動鏈輪4 通過軸或軸套與減張力摩擦輪5 固接在一起，下部的鏈輪通過花鍵軸9 帶動作為主動輪，上部鏈輪作為從動輪負責上部減張力摩擦輪的轉動，兩個鏈輪之間通過鏈聯接；減張力摩擦輪5 是整套排線機構的核心部分之一，分為上、下兩個摩擦輪，中間采用鏈傳動，摩擦輪上將纏繞線纜產生摩擦力，使線纜回收時到卷筒上的纏繞張力得到有效降低，摩擦輪的表面材料需要選擇合適的摩擦因數，整個減張力部分的摩擦力也要根據其大小及纏繞方式精確計算；導向組件6 用來引導線纜進入排線機構，可通過螺栓安裝在減張力安裝架7 上，安裝位置根據減張力摩擦輪5的位置來調節；減張力安裝架7 是減張力部分的安裝平臺，其將整個減張力部分聯成一體以便左右往復運動；換向器8 是減張力部分與排線軸10 之間的接口，其包含的撥叉與排線軸10 上的螺紋槽接觸，已設計好的螺紋“路徑”會引導撥叉來回往復運動，減張力部分也隨之運動；花鍵軸9 是用來帶動減張力摩擦輪5 轉動的部件，同時減張力部分可在花鍵軸9 上左右移動，它們之間也為間隙配合；排線軸10 是整套排線機構往復運動的關鍵部件，通過排線軸10 將卷筒的轉動轉變成減張力部分的往復擺動，排線軸10 安裝在整套機構的最下部位置，既可方便換向器8 的安裝，又可給其與卷筒之間的傳動機構提供充足的空間［6］。

本機構在安裝之前，應先調整導向組件6 與減張力摩擦輪5 之間的相對位置，使導向組件6 的中心與下部的摩擦輪輪彀中心對準。裝置在每次運轉前，應檢查導向軸3、花鍵軸9 表面的潤滑狀況，確保減張力部分在上面的滑動靈活自如。

本排線機構工作過程如下：在整套機構安裝時，應將目標線纜穿過導向組件及兩摩擦輪之間位置，使線纜初步纏繞在摩擦輪上。線纜開始回收之前，應檢查機構與卷筒之間相對位置，確保排線機構線纜出口與線纜在卷筒上整齊排列的位置對應。線纜回收時，先要調整花鍵軸的轉速，使摩擦輪纏繞線纜的速度與卷筒回收纜的速度保持同步；速度同步后，兩摩擦輪通過傳動鏈輪同向運動，線纜由中部位置逆時針纏繞入下部摩擦輪轂，纏繞3/4 圈后直線進入上部摩擦輪轂，在上部摩擦輪上纏繞1/2 圈后再出本排線機構向卷筒上纏繞。在減張力摩擦輪轉動的同時，排線軸通過帶動安裝在減張力安裝架上的換向器，使整套減張力系統在安裝支架之間來回往復擺動，使線纜在出減張力輪之后逐層有序在卷筒上排列。

在實際實施過程中，減張力摩擦輪與卷筒的轉動同步需通過控制系統設計實現，線纜在卷筒上的纏繞張力需根據線纜在摩擦輪上的纏繞圈數及包覆角來具體計算，排線軸與卷筒之間的傳動關系需根據排線軸螺距及線纜外徑綜合考慮。

4 恒張力控制系統

4.1 主動摩擦輪恒張力控制原理

主動摩擦輪通過變頻電機的正反向驅動來控制纜繩的夾緊力，自動實現恒張力條件下纜繩的收放，同時根據纜繩的受力狀態，自動收放纜繩。同步摩擦輪的轉軸上安裝有銷軸式壓力傳感器，通過張力傳感器可實時監測減張力機構的工作壓力，進行恒壓力控制，保持恒定的夾緊力。在纜繩的收放過程中，控制系統通過安裝在變頻電動機上的編碼器和測力傳感器實時監測纜繩的收放速度和纜繩張緊力，根據測力傳感器反饋回的數據實時進行變頻電動機的轉矩調節［7］，使纜繩的張力控制在設定范圍內。

4.2 恒張力控制策略

采用變頻調速、電機實時協調控制技術實現恒定力矩式張力控制，系統的原理如圖3 所示。

圖3 張力系統控制原理

在纜繩長度和線密度都確定的情況下，計算纜繩最大的張力值，然后給定一個理想的張力控制范圍［8］，根據給定的張力范圍，進行減張力機構的具體參數設計及變頻電機的選型。在收放纜繩過程中，張力傳感器把數據實時傳輸給張力調節器，通過機械損失補償和動態補償，從而檢驗電機的速度是否在有效范圍內。如果超過有效范圍，那么就根據電流反饋進一步實時控制電機，使電機的速度達到有效值，從而滿足張力設定的范圍。

其中機械損失補償和動態補償是為了補償減張力機構運動時的摩擦力矩、纜繩風阻損耗力矩及自身彎曲力矩等，這些大都與轉速有一定的關系，故采用一個恒定量或加一個與速度成線性關系的量進行補償，這樣使實時數據更加準確真實。

5 結論

針對特殊用途絞車出現的亂纜、纜繩磨損、卷筒要求特制等常見問題，設計了一種可以匹配不同負載的新型減張力機構。該機構集減張力功能和排線功能為一體，不僅給絞車生產和使用單位提供了一定的參考和借鑒，而且體現了先進的設計思想。同時把變頻調速、多電機實時協調控制技術應用到整套機構同步控制技術中，更加體現該機構設計思路的合理性和可行性。

［1］王輝.變節距排纜減張力液壓絞車的系統研究［D］.鎮江：江蘇科技大學，2009.

［2］沈少杰，蔣慶良.拖線陣減張力絞車［J］.聲學與電子工程，1999（2）：14-16.

［3］朱鵬程，鄢華林.采用負載敏感控制技術的絞車液壓系統設計［J］.江蘇科技大學學報：自然科學版，2008（22）：39－42.

［4］曾文火，邵福.電液速度伺服偽微分反饋控制［J］.液壓與氣動，2003（12）：1－3，25.

［5］李洪人.液壓控制系統［M］.北京：國防工業出版社，1990.

［6］Phelan R M.Automatic Control System［M］.Pearson Education，Inc.，2002.

［7］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］：北京：機械工業出版社，2000.

［8］王小泉.卷取機張力單片機控制系統［J］電氣傳動，1991（6）：36－38.