談鋼簾線扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)
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關(guān)鍵詞：鋼簾線；雙捻機(jī)；扭轉(zhuǎn)；虛捻器
引言
鋼簾線是子午線輪胎的主要骨架材料，1948年米其林公司發(fā)明子午線輪胎以來(lái)，鋼簾線緊隨著輪胎的發(fā)展而進(jìn)步，內(nèi)部復(fù)合鋼簾線的子午線輪胎具有使用壽命長(zhǎng)，行駛速度快，耐穿刺、彈性好、安全舒適節(jié)約燃料等優(yōu)點(diǎn)。其質(zhì)量差異影響著輪胎的強(qiáng)度和彈性。目前加工鋼簾線的主要設(shè)備是鋼絲雙捻機(jī)，本文主要探討雙捻機(jī)對(duì)簾線的扭轉(zhuǎn)控制方式的理論分析。
1設(shè)備的主要功能介紹
雙捻機(jī)是一種高效的鋼簾線捻制設(shè)備，其效率是單捻機(jī)的2倍以上，由于其高效的捻制方式，備受關(guān)注。雙捻機(jī)由放線機(jī)構(gòu)、牽引輪、主捻過(guò)捻、收排線、扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、記米器等部分組成；通過(guò)牽引輪及高速旋轉(zhuǎn)的飛輪環(huán)將鋼絲捻成的簾線成品或半成品。虛捻是由可調(diào)中心距的驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)虛捻器將主捻后的簾線股進(jìn)行先加捻后解捻或先解捻后加捻，在此過(guò)程中消除殘余應(yīng)力，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)磁力耦合器及皮帶調(diào)整機(jī)構(gòu)可自動(dòng)加減扭轉(zhuǎn)調(diào)整。虛捻器的變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速由主機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)輸出信號(hào)及在線測(cè)量系統(tǒng)的輸出值來(lái)確定，而在線測(cè)量系統(tǒng)輸出值由簾線的飽和扭轉(zhuǎn)和實(shí)際扭轉(zhuǎn)的差值來(lái)控制的。虛捻器轉(zhuǎn)速過(guò)快或過(guò)慢對(duì)簾線的扭轉(zhuǎn)值影響非常大，虛捻器轉(zhuǎn)速偏小或偏大會(huì)影響鋼簾線成品或半成品的扭轉(zhuǎn)值，如果虛捻器的轉(zhuǎn)速過(guò)高超過(guò)鋼絲的剪切應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，因此要設(shè)定虛捻器的極限轉(zhuǎn)速限制機(jī)構(gòu)，即預(yù)先設(shè)定磁力耦合器的磁吸距離。所以鋼簾線的扭轉(zhuǎn)合格取決于虛捻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即虛捻控制系統(tǒng)及在線測(cè)量系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。
2扭轉(zhuǎn)對(duì)簾線及輪胎的影響
扭轉(zhuǎn)會(huì)造成輪胎廠截?cái)鄬?duì)接困難，影響汽車輪胎質(zhì)量和汽車輪胎生產(chǎn)率，甚至?xí)p壞設(shè)備，目前輪胎廠全部為自動(dòng)化生產(chǎn)線，手工拼接及設(shè)備的時(shí)斷時(shí)續(xù)的運(yùn)作，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。
3扭轉(zhuǎn)的控制方式
根據(jù)金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，鋼絲在設(shè)備中的力學(xué)性能改變?nèi)鐖D1所示，在彈性應(yīng)力下鋼絲的應(yīng)變是線性的，因此我們調(diào)整扭轉(zhuǎn)值是通過(guò)線性設(shè)定方法來(lái)進(jìn)行的。鋼絲在設(shè)備中纏繞時(shí)，始終受到捻制的作用力而產(chǎn)生了切應(yīng)力，因而在鋼絲的末端（自由端）由切應(yīng)力的作用產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖2所示。該扭轉(zhuǎn)值可由校直器及虛捻器控制。雙捻機(jī)的扭轉(zhuǎn)控制方式：①校直器；②虛捻器。①校直器的作用是通過(guò)對(duì)鋼絲的滾壓作用對(duì)鋼絲表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行消除，可以降低扭轉(zhuǎn)值，但不能改變扭轉(zhuǎn)值，不能用于自動(dòng)扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制。②虛捻器的作用，虛捻器在設(shè)備中使用時(shí)不會(huì)改變最終捻距，僅改變鋼絲的扭轉(zhuǎn)值，一般是先加捻使捻距增加，之后同時(shí)解捻使捻距恢復(fù)到之前的捻距值，僅改變鋼絲的扭轉(zhuǎn)值，理論上可以達(dá)到任意設(shè)定值。加捻是由加捻電機(jī)帶動(dòng)過(guò)捻器將主捻后的簾線股進(jìn)行加捻，解捻為同樣的裝置反向作用簾線來(lái)實(shí)現(xiàn)解捻過(guò)程，鋼絲在虛捻器中反復(fù)作用，已處于塑性變形狀態(tài)，可以按設(shè)定值增加或減小扭轉(zhuǎn)值，并去除殘余應(yīng)力，因此鋼簾線在進(jìn)出虛捻器時(shí)簾線的捻距沒(méi)有發(fā)生變化，唯一有改變的僅是簾線的扭轉(zhuǎn)值。改變扭轉(zhuǎn)的作用原理如圖3所示，當(dāng)設(shè)備捻制鋼絲的扭轉(zhuǎn)值達(dá)到飽和值時(shí)，此時(shí)殘余扭轉(zhuǎn)值已不發(fā)生變化，虛捻器從A點(diǎn)開(kāi)始作用，開(kāi)始加捻直到B點(diǎn)結(jié)束，從B點(diǎn)到C點(diǎn)解捻，虛捻器的作用結(jié)束于C點(diǎn)，由圖示可以看到，扭轉(zhuǎn)值較A點(diǎn)時(shí)降低了很多，可以通過(guò)虛捻器的轉(zhuǎn)速將鋼絲的扭轉(zhuǎn)值精確地控制在一定值范圍內(nèi)。虛捻器的結(jié)構(gòu)為主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組和一只鋼制皮帶及鏈輪鏈條調(diào)節(jié)組構(gòu)成，每個(gè)輪組由可動(dòng)盤和固定盤組成，是兩個(gè)椎形盤組成的V形結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)側(cè)連接小滑輪，透過(guò)鋼制皮帶帶動(dòng)大滑輪。鋼制皮帶由兩束金屬環(huán)和若干金屬片構(gòu)成，輪組分成活動(dòng)的左右兩半，可以相對(duì)接近或分離。錐型盤可在鏈輪鏈條帶動(dòng)的螺桿向內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)進(jìn)行收緊或張開(kāi)，擠壓鋼片鏈條以此來(lái)調(diào)節(jié)V型槽的寬度。當(dāng)錐型盤向內(nèi)側(cè)移動(dòng)收緊時(shí)，鋼片鏈條在錐盤的擠壓下向圓心以外的方向（離心方向）運(yùn)動(dòng)，相反會(huì)向圓心以內(nèi)運(yùn)動(dòng)。這樣，鋼片鏈條帶動(dòng)的圓盤直徑增大，傳動(dòng)比也就發(fā)生了變化，就可以改變虛捻器的轉(zhuǎn)速，可以快慢調(diào)節(jié)。又由于輪組的工作半徑可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因此使用該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。虛捻器的驅(qū)動(dòng)是由主機(jī)提供的，與捻制的主機(jī)使用同一傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)從動(dòng)輪組及主動(dòng)輪組可以增加或減小虛捻器相對(duì)于主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。因此它與自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)一起構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，在工藝參數(shù)設(shè)定好之后，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)行批量生產(chǎn)鋼簾線。③自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。設(shè)備中自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，為虛捻器的輸入端，自動(dòng)扭轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)可以控制虛捻器的作用力并于虛捻器一起構(gòu)成簾線的扭轉(zhuǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示，由上部自由轉(zhuǎn)動(dòng)的大的定滑輪及下部的兩個(gè)測(cè)量小導(dǎo)輪組成，可以在線實(shí)時(shí)測(cè)量局部簾線的扭轉(zhuǎn)值。頂部的大定滑輪的直徑大小要適中，保證在線所測(cè)簾線的夾角小于8度；大滑輪的安可以繞固定軸旋轉(zhuǎn)，但為了限制虛捻器的過(guò)度調(diào)節(jié)，通常在滑輪的徑向增加適當(dāng)?shù)淖枘?，即根?jù)鋼簾線的結(jié)構(gòu)大小，需要安裝不同彈性系數(shù)的扭轉(zhuǎn)鋼絲固定在大滑輪上，該鋼絲通常使用截面為長(zhǎng)方形的扁的彈簧鋼絲。該系統(tǒng)地輸出信號(hào)是由在大滑輪上部固定一個(gè)與其垂直布置的偏心輪完成的，在偏心輪的后部安裝了接近開(kāi)關(guān)，可以不間斷的測(cè)量大滑輪的扭轉(zhuǎn)量，即簾線的在線的扭轉(zhuǎn)值，再將輸出值反饋到控制器中，來(lái)調(diào)整虛捻器變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，使其加快或者減慢原有的轉(zhuǎn)速，調(diào)整到設(shè)定的扭轉(zhuǎn)目標(biāo)值。由于制作鋼絲的盤條的生產(chǎn)廠家的不同及生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)的波動(dòng)，以及拉拔熱處理時(shí)工藝參數(shù)的波動(dòng)造成鋼絲的拉應(yīng)力及剪切應(yīng)力的變化，這意味著同一條鋼絲的扭轉(zhuǎn)值也會(huì)階段的發(fā)生變化，在線測(cè)量系統(tǒng)即可以實(shí)時(shí)反饋這種變化值。過(guò)捻電機(jī)與加捻主機(jī)可以使用同一驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，過(guò)捻速度由簾線的飽和扭轉(zhuǎn)和實(shí)際扭轉(zhuǎn)的差值來(lái)控制，過(guò)捻轉(zhuǎn)速快慢對(duì)簾線的影響非常大，扭轉(zhuǎn)值偏小或偏大會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，若過(guò)低則過(guò)捻后的鋼簾線股達(dá)不到捻合工藝要求，所以鋼簾線股的扭轉(zhuǎn)合格取決于過(guò)捻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，虛捻器的控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。
4虛捻器的轉(zhuǎn)速計(jì)算
鋼簾線扭轉(zhuǎn)值的變化。鋼簾線的扭轉(zhuǎn)飽和值隨鋼絲的直徑和張力的變化而變化。扭轉(zhuǎn)值，RT=σ/（360×覫），σ—鋼絲張力，Φ—鋼絲直徑。例1：鋼絲的張力不變，鋼絲的直徑變化，若鋼絲直徑實(shí)測(cè)值分別為0.3mm及0.305mm時(shí)，鋼絲的扭轉(zhuǎn)值的差值為3RT/6m，那么2*0.30HT鋼簾線的扭轉(zhuǎn)差值為2.12RT/6m（鋼絲扭轉(zhuǎn)值/姨2）。例2：鋼絲的直徑不變，鋼絲的張力變化，若鋼絲的直徑為0.3mm，張力分別為2942N/mm2、3366N/mm2，則鋼絲的扭轉(zhuǎn)值的差值為24RT/6m，2*0.30HT鋼簾線的扭轉(zhuǎn)值的差值為16.8RT/6m。因此可以看出在實(shí)際捻制中由于換芯換股及更換鋼絲是簾線的扭轉(zhuǎn)值的變化是很大的。在大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制是非常有必要的。虛捻器的轉(zhuǎn)速計(jì)算，轉(zhuǎn)速rpm=V*鋼簾線的扭轉(zhuǎn)飽和值，如1*0.35/14S的簾線在轉(zhuǎn)速為5000rpm的雙捻機(jī)中設(shè)定虛捻器的轉(zhuǎn)速時(shí)，在該機(jī)器上，虛捻器的轉(zhuǎn)速在此范圍進(jìn)行調(diào)整，但不能超過(guò)鋼絲的斷裂極限。
參考文獻(xiàn)：
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作者：王欣宇 單位：通用空氣（遼寧）有限公司