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；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，鋼簾線緊隨著輪胎的發(fā)展而進步，內(nèi)部復(fù)合鋼簾線的子午線輪胎具有使用壽命長，行駛速度快，耐穿刺、彈性好、安全舒適節(jié)約燃料等優(yōu)點。其質(zhì)量差異影響著輪胎的強度和彈性。目前加工鋼簾線的主要設(shè)備是鋼絲雙捻機，本文主要探討雙捻機對簾線的扭轉(zhuǎn)控制方式的理論分析。
1設(shè)備的主要功能介紹
雙捻機是一種高效的鋼簾線捻制設(shè)備，其效率是單捻機的2倍以上，由于其高效的捻制方式，備受關(guān)注。雙捻機由放線機構(gòu)、牽引輪、主捻過捻、收排線、扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、記米器等部分組成；通過牽引輪及高速旋轉(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)動輪帶動虛捻器將主捻后的簾線股進行先加捻后解捻或先解捻后加捻，在此過程中消除殘余應(yīng)力，同時步進電機帶動磁力耦合器及皮帶調(diào)整機構(gòu)可自動加減扭轉(zhuǎn)調(diào)整。虛捻器的變頻電機的轉(zhuǎn)速由主機電機轉(zhuǎn)數(shù)輸出信號及在線測量系統(tǒng)的輸出值來確定，而在線測量系統(tǒng)輸出值由簾線的飽和扭轉(zhuǎn)和實際扭轉(zhuǎn)的差值來控制的。虛捻器轉(zhuǎn)速過快或過慢對簾線的扭轉(zhuǎn)值影響非常大，虛捻器轉(zhuǎn)速偏小或偏大會影響鋼簾線成品或半成品的扭轉(zhuǎn)值，如果虛捻器的轉(zhuǎn)速過高超過鋼絲的剪切應(yīng)力時會發(fā)生斷裂，因此要設(shè)定虛捻器的極限轉(zhuǎn)速限制機構(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的轉(zhuǎn)速，即虛捻控制系統(tǒng)及在線測量系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心。
2扭轉(zhuǎn)對簾線及輪胎的影響
扭轉(zhuǎn)會造成輪胎廠截斷對接困難，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化生產(chǎn)線，手工拼接及設(shè)備的時斷時續(xù)的運作，嚴重影響了生產(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)值是通過線性設(shè)定方法來進行的。鋼絲在設(shè)備中纏繞時，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)，見圖2所示。該扭轉(zhuǎn)值可由校直器及虛捻器控制。雙捻機的扭轉(zhuǎn)控制方式：①校直器；②虛捻器。①校直器的作用是通過對鋼絲的滾壓作用對鋼絲表面的殘余應(yīng)力進行消除，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)備中使用時不會改變最終捻距，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，理論上可以達到任意設(shè)定值。加捻是由加捻電機帶動過捻器將主捻后的簾線股進行加捻，解捻為同樣的裝置反向作用簾線來實現(xiàn)解捻過程，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，因此鋼簾線在進出虛捻器時簾線的捻距沒有發(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)值達到飽和值時，此時殘余扭轉(zhuǎn)值已不發(fā)生變化，虛捻器從A點開始作用，開始加捻直到B點結(jié)束，從B點到C點解捻，虛捻器的作用結(jié)束于C點，由圖示可以看到，扭轉(zhuǎn)值較A點時降低了很多，可以通過虛捻器的轉(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)為主動輪組、從動輪組和一只鋼制皮帶及鏈輪鏈條調(diào)節(jié)組構(gòu)成，每個輪組由可動盤和固定盤組成，是兩個椎形盤組成的V形結(jié)構(gòu)，驅(qū)動側(cè)連接小滑輪，透過鋼制皮帶帶動大滑輪。鋼制皮帶由兩束金屬環(huán)和若干金屬片構(gòu)成，輪組分成活動的左右兩半，可以相對接近或分離。錐型盤可在鏈輪鏈條帶動的螺桿向內(nèi)向外運動進行收緊或張開，擠壓鋼片鏈條以此來調(diào)節(jié)V型槽的寬度。當(dāng)錐型盤向內(nèi)側(cè)移動收緊時，鋼片鏈條在錐盤的擠壓下向圓心以外的方向（離心方向）運動，相反會向圓心以內(nèi)運動。這樣，鋼片鏈條帶動的圓盤直徑增大，傳動比也就發(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)可實現(xiàn)無極調(diào)速。虛捻器的驅(qū)動是由主機提供的，與捻制的主機使用同一傳動系統(tǒng)，通過從動輪組及主動輪組可以增加或減小虛捻器相對于主機的輸出轉(zhuǎn)速。因此它與自動測量系統(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，可以自動調(diào)節(jié)自動運行，進行批量生產(chǎn)鋼簾線。③自動測量系統(tǒng)。設(shè)備中自動測量系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，為虛捻器的輸入端，自動扭轉(zhuǎn)測量系統(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)自動控制系統(tǒng)。自動測量系統(tǒng)如圖4所示，由上部自由轉(zhuǎn)動的大的定滑輪及下部的兩個測量小導(dǎo)輪組成，可以在線實時測量局部簾線的扭轉(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方形的扁的彈簧鋼絲。該系統(tǒng)地輸出信號是由在大滑輪上部固定一個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關(guān)，可以不間斷的測量大滑輪的扭轉(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，來調(diào)整虛捻器變頻電機的轉(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)目標值。由于制作鋼絲的盤條的生產(chǎn)廠家的不同及生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)的波動，以及拉拔熱處理時工藝參數(shù)的波動造成鋼絲的拉應(yīng)力及剪切應(yīng)力的變化，這意味著同一條鋼絲的扭轉(zhuǎn)值也會階段的發(fā)生變化，在線測量系統(tǒng)即可以實時反饋這種變化值。過捻電機與加捻主機可以使用同一驅(qū)動系統(tǒng)，過捻速度由簾線的飽和扭轉(zhuǎn)和實際扭轉(zhuǎn)的差值來控制，過捻轉(zhuǎn)速快慢對簾線的影響非常大，扭轉(zhuǎn)值偏小或偏大會影響產(chǎn)品的使用壽命，嚴重時會發(fā)生斷裂，若過低則過捻后的鋼簾線股達不到捻合工藝要求，所以鋼簾線股的扭轉(zhuǎn)合格取決于過捻電機的轉(zhuǎn)速，虛捻器的控制是整個控制系統(tǒng)的核心。
4虛捻器的轉(zhuǎn)速計算
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，若鋼絲直徑實測值分別為0.3mm及0.305mm時，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)時進行實時控制是非常有必要的。虛捻器的轉(zhuǎn)速計算，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的雙捻機中設(shè)定虛捻器的轉(zhuǎn)速時，在該機器上，虛捻器的轉(zhuǎn)速在此范圍進行調(diào)整，但不能超過鋼絲的斷裂極限。
參考文獻：
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作者：王欣宇 單位：通用空氣（遼寧）有限公司