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胶布带

铜丝屏蔽材料系列

关于通信电缆包带的研究与实践

摘 要:本文通过对通信电缆现行的包带方式进行了理论分析与研究,得出了同心式包带优于其他包带方式的结论,并在此理论指导下对现有的设备进行了改造的实践,证明了改造后的同心式包带可以使生产速度得到大幅度地提高.

关键词:切线绕包,同心包带,涨力控制,生产速度。

 

1. 引 言

众所周知:在已有的缆芯上包复1-2层聚脂带,可以有效地保证电缆产品能够达到规定的绝缘和耐压强度;包带的质量直接决定了最后工序能否顺利进行,对电缆的一次合格品率起到了决定性的作用;包带装置的转速是影响成缆工序生产速度的瓶颈.因此,对通信电缆的包带方式进行理论上的分析和研究,找出改善包带质量和提高生产速度的方法,对于高质量高速度地通信电缆制造具有十分重要的实际意义.

 

2.包带装置的历史与现状

随着通信事业的发展,通信电缆的制造设备也经历了从简单到复杂的过程,而包带装置也经过了单头切线绕包,双头切线绕包,同心式包带研究试用等三个过程,现分述如下:

2.1 单头切线包带

20世纪50~70年代,世界范围内的包带装置几乎全部采用单头切线方式绕包(以下简称"单切包带")其原理如图2-1所示

2.2 双头切线式包带

为了克服单头切线式包带的不足,自20世纪80年代初期,欧洲的电缆设备制造商逐渐推出了双头切线式包带装置(以下简称"双切包带").其原理如图2-2所示.

2.3 同心式包带

进入20世纪80年代中期以后,随着光缆制造的普及,欧洲的厂商在光缆的成缆设备中成功地采用了同心包带装置,进而从原理上克服了"单切包带","双切包带"的不足,有效地提高了电缆的生产速度.其原理如图2-3所示.

 

3.各种包带方式的理论分析

为了搞清楚三种方式的优劣,必须从理论上对这三种方式加以分析,现分述如下:

3.1 单切包带

从动力学的基本理论,我们知道:一个旋转体绕其中心转动时所产生的不平衡离心力,其值可由下式计算:

(公斤)……………………式2-1

式中:G-转动体的重量

e-转动体的重心对旋转轴线的偏移,即偏心距(mm)

n-转动体的转速(转/分)

ω-转动体的角速度(孤度/秒)

g-重力加速度9800(mm/秒2)

从式2-1中我们可以清楚地看出:转动体的不平衡离心力,与其自身的重量G,偏心距e,转速的平方即n2成正比.因此这种结构转动体的转速就受到了极大地限制,必须控制在一定的范围之内,否则机器破坏的可能性就很大或者根本不可能,在实际使用中,70~80年代国内生产的设备的转动体几乎全部在250转/分以内,换言之,这种包带方式的成缆设备,在规定的节距内生产线速度均低于20米/分.

3.2 双切包带

为了有效地降低不平衡离心力,70年代中期以后发达国家先后设计出了"双切包带"装置(如图2-2所示),即双盘对称放置包复.这样有效地减少了偏心距e,从而使转动体的转速成倍增加.但是这种机器也有其二点不足:

其一:该机器为了对称和提速后的强度,刚度等原因,转动体的体积不得不设计的相对较大,由于机构复杂,绝对的对称是无法做到的,因而偏心距仍然存在.并且由于其自身重量G和转速n的增加,离心力C也大幅度增加,因此这种机构的转速也受到了一定的限制,约在600转/分以内.同时体积比前者增大了十几倍.

其二:从动力学的另一角度,旋转物体的功率值可由下式算得:

(千瓦) ………………式2-2

式中:GD2-转动体的飞轮矩(kg·m2)

ε-转动体的角加速度(弧度/秒2)

ω-转动体的角速度(弧/秒)

g-重力加速度9800(mm/秒2)

从式2-2中可以看出,该装置所消耗的功率是前者的十几倍.在实际使用中该设备的功率约为7-10kw,而实际转速多在600转/分以内.

3.3 同心包带

从图2-3中我们可以直观地看出:精确地制造和配重,我们可以使同心包带这种装置的偏心距e几乎为零,从动力学角度看,该装置的转动不平衡离心力可以很小.这样我们可以把它的转速提到很高(系统设备能接受的极限程度).另外从功率角度分析,由于其身的重量很小,因此转动体所消耗的功率也可以降到"双切包带"十分之几的程度. 从动力学的角度这种方式的生产速度可以提的很高,即便考虑存在的空力阻力问题,在实际使用中达到1000转/分也是没有问题的.

3.4可靠性分析

前面我们是从动力学的角度出发,分析了三种方式在动力学中的可以性,而运动速度只决定了生产效率,对包带质量虽有一定的作用但并不起决定性作用,电缆的包带质量的决定因素有二:

其一:转动体在机组中起步和停车时与机组的同步性.

众所周知,包带节距是由机组的线速度与包带装置的转速之间比例决定的,这一比例若自始至终保持不变那么缆芯的节距就均匀稳定在一个数值,否则将出现节距时大时小,重叠率不等的现象.从理论上讲包带装置在机组起步时有滞后起步的趋势,在机组停车时有滞后停止的趋势.从这一点看同心包带因转动体的转动惯量相对较小,因此在机组起步停车时与机组保持同步性最好,双切包带较好,单切包带最差.

其二:包带涨力的均匀性.

聚脂带在运行过程中涨紧力的过大或过小都会使缆芯的松紧不均匀,这种松紧不均显著地增加了后序工序产生废品的可能性.在这一点上同心包带最好,双切包带次之,单切包带最差.

结论:综上所述,从动力学和运动学角度上看,同心包带是最理想的包带装置,但由于目前市场上的包带装置中聚脂带涨力的动态控制没有得到很好地解决,因而限制了这种装置在实际中的使用.从分析我们可以认为,如果能够较好地解决同心包带中聚脂带的动态涨力控制问题,那么同心式包带无论是从运动学的角度和动力学的角度,无疑是这几种方式中最理想的一种.

 

4.同心包带的涨力动态控制的研究

4.1放带过程中的涨力分析

在三种包带装置,不管是那一种,其现行的放带过程中聚脂带所受到的涨力均如图4-1所示

图4-1的拉力f即为聚脂带在运行中所受的涨力,它的大小决定了包带的松紧,为了得到涨力f人们用外力F在制动盘上产生一个阻力矩N.根据力学理论包带按要求进行的力学方程应为:

即:……………………式4-1

实际工作中,人们希望涨力f 自始至终保持不变为一衡定值,但从图4-1中我们可以看出,由于带盘是一个环形圆柱体,自放带开始至放带完成其半径(即力臂)是随时间变化的函数,其数值由R逐渐减小到r,实际使用中≈6,这就说明放带开始时的涨力与放带结束前的涨力之比为,而这一点是生产工艺中绝不能接受的现象,为解决这一问题,现有的三种包带方式必须在一盘带的生产周期内多次停车调整外力F来改变阻力矩N,以阶梯形地保证工艺需求,为达到此目的"单切包带","双切包带"相对比较容易做到.而"同心包带"因其结构原因则很难做到这一点--这就是"同心包带"一直未能普遍推广的原因.

4.2"同心包带"涨力动态控制的研究

为了保证电缆的包复质量,要求涨力f在一个生产的周期内保持一个确定的值不变,为了实现这一目标,用现代技术手段,从理论可以行得通,例如用一个压力传感器,与聚脂带接触,将其压力变化变为电流或电压信号反馈给一处理器,经过比例运算后变成输出信号来控制一个磁力制定器,按需要来改变阻力矩N的大小.但实际聚脂带在高速运行中由于空气阻力所产生的抖动,使控制电路变得十分复杂或实用价值不大.从实际使用角度讲应当谋求即简单又实用的机构来保持涨力f的相对稳定.为此,我们设计了下列力学模型:如图4-2所示.

在图4-2中,给转向轴在涨力f的水平线上加一个可调整的外力F并给转向轴加一个绕某一点转动(例如图中"O"点)轴杆,在轴杆的"O"端加柔性制动装置控制制盘的阻力矩N.这样在包带的最初给出F一个值,在工作中,当f>F时轴杆向左转动,此时柔性制装置放松了制动盘,阻力矩N减小,f随之减小;,反之亦反.若将制动盘和聚脂带盘有机地结合在一起,就可在一定范围之内实现涨力f的动态自动控制.

结论:通过分析研究和计算证明,上述涨力控制系统完全可以在一个生产周期内将涨力f控制在一定的范围之内,而这种控制范围完全可以满足电缆包复质量的要求.

 

5."同心包带"的实践

依照上述研究的结果,我们分别对80年代初一台大型国产成缆机和一台自制简易的小成缆机进行了改造,将其包带装置,从"单切包带"改为"同心包带"其结果非常理想,其具体如下:

5.1 大成缆机改造后包带装置从原来250转/分提高到610转/分;小成缆从原来的350转/分提高到800转/分,两台机组的生产线速度都提高了两倍,节省了人工,生产效率成倍增加.

5.2 改造后的包带装置运行平稳,同步性,稳定性非常良好,产品节距稳定,松紧可控完全达到了质量要求.

5.3 有效地降低了能源消耗和维修成本,使产品成本有相应地降低.

实践证明:若机组允许,包带装置最高速度可提到1000转/分,若增加附加装置克服高速运行后带来的因空气阻力而产生的抖动,最高转速可提到1200转/分.

结论:改造后的"同心包带"装置,可以大幅度地提高生产效率,节省人力,降低能耗,保证产品质量.

 

作者:姜廷运 (辽宁省大连通信电缆厂)