小線輻照交聯束下傳輸系統的結構設計

譚俊峰，甘 斌，周 濤，黃 權

（湖南新天力科技有限公司，湖南 長沙 410006）

通過對電線電纜絕緣層的交聯改性，能大大提高電線電纜的工作溫度、耐溶劑、耐環境老化、耐開裂等性能，還可導致絕緣材料電學性能的優化，使機械性能有所提高。現如今輻照交聯成為了電線電纜的主要交聯改性方法。

經過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狀結構［1］，但其交聯度大小和均勻性與加速器的束下傳輸裝置密切相關，它也是電線電纜輻照交聯改性是否成功的關鍵。本文具體針對電子束下傳輸裝置的結構進行分解剖析，為后續自動控制提供設計基礎。

1 束下傳輸系統總體要求及架構

本文是以實施的成功案例來進行介紹，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AWG32號線，采用四進四出的輻照方式。

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

根據要求，結合輻照加工企業其他實際情況，設定束下傳輸系統的結構組成主要由放線機、夾線器、儲線張力架、過線輪組、束下輪傳動架、收線機等組成。工藝流程圖如圖1所示。

依照圖1所示，受照線纜經放線機放線給儲線張力架，并經過線輪組到達加速器下方的束下輪傳動架進行繞排線接受電子輻射，再經過線輪組傳遞線纜給儲線張力架到收線機進行收線，從而實現線纜的輻照工藝需求。

圖1 小線輻照工藝流程圖

2 束下傳輸系統部件設計

2.1 束下輪傳動架

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

圖2 小線輻照束下系統排線方式

本系統選用變形啞鈴型排線方式。輻照的線纜采用四進四出的輻照形式，每個驅動輥筒同時需供兩根線纜纏繞，線纜纏繞排布通過分線軸均勻排布。排線輥筒驅動結構如圖3所示。

圖3 束下主排線輥筒驅動結構示意圖

主排線輥筒分兩段，分別由兩個帶編碼器的驅動電機驅動，編碼器通過排線輥筒的角位移，對每個基準的角度發出一個唯一與該角度對應的二進制數值，并通過外部記圈實現對傳輸線纜的長度進行記錄和測量。傳輸輥筒外徑設定為Φ400 mm，兩個輥筒總長及線纜纏繞圈數根據加速器掃描寬度進行定制。為實現一定劑量條件下的線纜輻照，線纜的傳輸速度V0會根據線纜纏繞圈數、束流強度等來確定，并與加速器進行聯動控制。該速度也是整個系統的初始速度，它的大小可通過變頻器調整束下輪驅動電機頻率來改變。

2.2 放線機

放線機的主要作用是通過變頻電機驅動工字輪線盤來進行線纜的穩定輸送，本系統采用的兩根線纜共用一臺放線機的方案，為達到不停機的放線，放線機可安裝3個工字輪線盤，兩根線纜同時放線時空出的工字輪線盤為備用盤，當一根線纜放線完畢備用盤補上，放完線的線盤則為備用盤。也就是說線盤之間互為備用，如圖4所示。

圖4 放線機結構示意圖

工字輪線盤之間的切換與接線均通過手動方式完成，放線機設置有排線輪進行線纜引出可確保線纜在盤位變化時不發生相互干擾。同時為確保放線機穩定放線，在每個工字輪上都增設了激光測距儀，如圖5所示，可測得激光頭到纏繞線纜的距離，該距離會因放線過程中纏繞線纜的減少而為一變動量，它與放線電機頻率的關系見式（1）。

式中：p放線電機為放線電機頻率／hz·min-1；V1為放線速度／m·min-1；r放線電機為放線電機的轉速／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L1的數值變化適時調整電機頻率p放線電機即可。

圖5 激光測距示意圖

2.3 儲線張力架：

儲線張力架是確保整個線纜傳輸系統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大會導致線纜拉長或拉斷，過小會導致亂線、脫輪，所以該裝置必須要穩定可靠。

為實現儲線張力架的恒張力控制［2］，也就是裝置中從動輪上下移動時要始終保持同樣的拉力，系統結構及原理如圖6所示。

從圖6可知，從動輪布置在一個閉環的鋼絲回路上，鋼絲回路帶動從動輪可進行上下移動。

鋼絲回路上的纏繞輪通過電機變頻控制輸出恒定的扭力F0，并根據從動輪上纏線纜張力要求進行合理配重后，即可通過控制纏繞在從動輪線上的線纜速度來控制鋼絲回路的正反轉動，從而實現從動輪上下移動將線纜張緊的目的。

鋼絲回路力矩分析：

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

圖6 恒張力控制系統原理示意圖

鋼絲回路系統中，從動輪重力Fw1始終為定值，配重塊重力Fw2在配重后也為定值，而從動輪纏繞圈數n根據線纜粗細人為設定，在工作狀態時不會發生變化，也為定值，纏繞輪扭力F0根據電機頻率來設定扭力大小也為恒定值。而系統摩擦力F3只與系統制作有關，此處擬考慮為定值，為達到上式中的力矩關系，唯有通過調整線纜張力F的大小來實現。當然張力F的變化必須在輻照線纜的允許范圍內，同時制造時也盡量考慮減小摩擦力F3的大小。線纜張力F大小的變化是通過收放線速度差來調整的。

由于正常輻照放線速度為450～500 m／min，設定從動輪正常輻照放線時位置點為20%位置，如圖7所示，則有關公式為：

式中：ΔV為速度差／m·min-1；H為儲線架高度／m；n為從動輪纏繞圈數；T儲線為儲線時間／min；V放線為放線速度／m·min-1；V0為束下輪收線速度／m·min-1。

假設儲線時間T儲線設定1.5 min儲滿，儲線架高度H為6 m，纏繞圈數n為13圈，則速度差 ΔV＝83.2 m／min，也就是說需在速度差83.2 m／min的情況下跑滿1.5 min才可以將線儲滿，但要產生83.2 m／min速度差值是需要時間的，時間太短張力變化過大，將造成脫線。

圖7 儲線功能的實現和控制

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系，而產生速度差ΔV是需要時間的，只要有加速度的變化，張力F也會產生變化。為避免張力F波動過大造成脫線、斷線等事故的發生，則需控制好速度差的變化，即在形成速度差的同時需有緩慢增大和減少ΔV的過程。如何控制好儲線吐線的這個過程并兼顧放線換盤接線等操作都是PLC編程的關鍵。

2.4 放線夾線器

放線夾線器是放線機與儲線架放線切換的關鍵設備，在換盤動作過程中對電線進行固定夾持，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候，造成線纜的扯斷，線纜夾持需在儲線完成后，并通過儲線架放線，放線機停止放線，即V1＝0時才可以進行夾線動作。

放線夾線器通過氣缸完成夾線動作。

2.5 過線輪組

過線輪組主要起到儲線張力架與束下輪傳動架之間的連接過渡作用。

由于束下輪傳動架置于輻射室，而收放線的儲線張力架置于輻射室外，兩者之間通過廊房過渡連接，因此過線輪組也是輻射室與室外的連接過渡。過線輪組設計時都要求過線輪盡量輕便，轉動靈活，數量則根據現場場地進行確定，盡量采用最少數量過線輪進行連接過渡，實際繞線時可根據現場情況調整過線路徑。設計時還需考慮輻射對過線輪材質壽命的影響。

2.6 收線機

自動收線機是輻照系統最后一個環節，結構類似放線機結構，如圖8所示，只是在每個工字輪收線位置增加一個布線輪，輻照線纜先經由布線輪再送入工字輪線盤纏繞，纏繞過程布線輪進行左右來回往復的布線。將線纜按順序在工字輪上排布整齊。

當放線機放線完成，工人按下計米清零信號后，即切換到收線機線換盤準備，同時收線儲線架開始儲線準備。儲線架從動輪緩慢提升，同時收線機緩慢降速，當輻照線纜的線頭到達并通過收線盤收線夾線器時收線機速度降為零速，同時收線夾線器夾線，儲線架繼續儲線，當收線換盤接線完成后，給出完成信號，收線夾線器松開線纜，收線儲線架開始緩慢“吐”線，收線機緩慢提速，當收線儲線架“吐”線完畢，表示收線換線完成，束下輪開始加速到正常運轉速度。放線、收線機同步跟蹤束下輪速度，從而確保生產的連續性，不間斷高速生產。

圖8 收線機結構示意圖

收線機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還需兼顧布線輪速度的控制及與收線儲線張力架的配合等，并在實際調試過程中加以修正。

3 束下傳輸系統設備組成

整個輻照交聯束下傳輸系統的設備組成從結構上按功能非常獨立，但相互間控制關聯性確非常大，也相較復雜，本文針對控制系統不再贅述。

設備組成內容見表1。

4 束下傳輸系統清潔生產措施

考慮到輻照過程電子輻射產生大量臭氧，而臭氧具有很強的氧化性，在設計時為保障束下傳輸系統的壽命及清潔生產需求，針對束下輪傳動架選用含25%Cr的鉻鐵合金來制造輥筒及機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提高抗臭氧的腐蝕。

表1 系統設備組成內容

同時采用全密封機架，在機架內引入室外的新鮮空氣形成正壓來避免臭氧與電機發生腐蝕接觸。并對同步皮帶采用保護罩保護，但考慮到皮帶的壽命，保護罩的設計會考慮到更換的便利。另外在束下輪傳動架與過線輪組之間還會加上必要的托線輥（輪），確保整個線纜傳輸系統的穩定可靠。

過線輪組在輻照室內的繞線輪均為不銹鋼材質，室外則采用鋁繞線輪，兼顧室內抗臭氧氧化的同時使線輪更輕便，轉動更靈活。

以上措施在設計制作過程中盡量保證系統的清潔生產，延長使用壽命。

5 結 語

小線輻照交聯束下傳輸系統是小線輻照加工生產流程中的一套重要工序設備，通過案例實施完全能達到預期的高速生產目的。在保障輻照質量的前提下，500 m／min的生產傳輸速度四進四出模式連續生產并做到換線不停機。

該束下傳輸系統所包含的相關技術特別是恒張力控制技術，對它的深入研究將具有很大的推廣價值和市場前景。