谈钢帘线扭转控制系统

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关键词：钢帘线；双捻机；扭转；虚捻器

引言

钢帘线是子午线轮胎的主要骨架材料，1948年米其林公司发明子午线轮胎以来，钢帘线紧随着轮胎的发展而进步，内部复合钢帘线的子午线轮胎具有使用寿命长，行驶速度快，耐穿刺、弹性好、安全舒适节约燃料等优点。其质量差异影响着轮胎的强度和弹性。目前加工钢帘线的主要设备是钢丝双捻机，本文主要探讨双捻机对帘线的扭转控制方式的理论分析。

1设备的主要功能介绍

双捻机是一种高效的钢帘线捻制设备，其效率是单捻机的2倍以上，由于其高效的捻制方式，备受关注。双捻机由放线机构、牵引轮、主捻过捻、收排线、扭转控制系统、记米器等部分组成；通过牵引轮及高速旋转的飞轮环将钢丝捻成的帘线成品或半成品。虚捻是由可调中心距的驱动轮带动虚捻器将主捻后的帘线股进行先加捻后解捻或先解捻后加捻，在此过程中消除残余应力，同时步进电机带动磁力耦合器及皮带调整机构可自动加减扭转调整。虚捻器的变频电机的转速由主机电机转数输出信号及在线测量系统的输出值来确定，而在线测量系统输出值由帘线的饱和扭转和实际扭转的差值来控制的。虚捻器转速过快或过慢对帘线的扭转值影响非常大，虚捻器转速偏小或偏大会影响钢帘线成品或半成品的扭转值，如果虚捻器的转速过高超过钢丝的剪切应力时会发生断裂，因此要设定虚捻器的极限转速限制机构，即预先设定磁力耦合器的磁吸距离。所以钢帘线的扭转合格取决于虚捻电机的转速，即虚捻控制系统及在线测量系统是整个控制系统的核心。

2扭转对帘线及轮胎的影响

扭转会造成轮胎厂截断对接困难，影响汽车轮胎质量和汽车轮胎生产率，甚至会损坏设备，目前轮胎厂全部为自动化生产线，手工拼接及设备的时断时续的运作，严重影响了生产效率。

3扭转的控制方式

根据金属材料的应力应变曲线，钢丝在设备中的力学性能改变如图1所示，在弹性应力下钢丝的应变是线性的，因此我们调整扭转值是通过线性设定方法来进行的。钢丝在设备中缠绕时，始终受到捻制的作用力而产生了切应力，因而在钢丝的末端（自由端）由切应力的作用产生了扭转，见图2所示。该扭转值可由校直器及虚捻器控制。双捻机的扭转控制方式：①校直器；②虚捻器。①校直器的作用是通过对钢丝的滚压作用对钢丝表面的残余应力进行消除，可以降低扭转值，但不能改变扭转值，不能用于自动扭转系统的控制。②虚捻器的作用，虚捻器在设备中使用时不会改变最终捻距，仅改变钢丝的扭转值，一般是先加捻使捻距增加，之后同时解捻使捻距恢复到之前的捻距值，仅改变钢丝的扭转值，理论上可以达到任意设定值。加捻是由加捻电机带动过捻器将主捻后的帘线股进行加捻，解捻为同样的装置反向作用帘线来实现解捻过程，钢丝在虚捻器中反复作用，已处于塑性变形状态，可以按设定值增加或减小扭转值，并去除残余应力，因此钢帘线在进出虚捻器时帘线的捻距没有发生变化，唯一有改变的仅是帘线的扭转值。改变扭转的作用原理如图3所示，当设备捻制钢丝的扭转值达到饱和值时，此时残余扭转值已不发生变化，虚捻器从A点开始作用，开始加捻直到B点结束，从B点到C点解捻，虚捻器的作用结束于C点，由图示可以看到，扭转值较A点时降低了很多，可以通过虚捻器的转速将钢丝的扭转值精确地控制在一定值范围内。虚捻器的结构为主动轮组、从动轮组和一只钢制皮带及链轮链条调节组构成，每个轮组由可动盘和固定盘组成，是两个椎形盘组成的V形结构，驱动侧连接小滑轮，透过钢制皮带带动大滑轮。钢制皮带由两束金属环和若干金属片构成，轮组分成活动的左右两半，可以相对接近或分离。锥型盘可在链轮链条带动的螺杆向内向外运动进行收紧或张开，挤压钢片链条以此来调节V型槽的宽度。当锥型盘向内侧移动收紧时，钢片链条在锥盘的挤压下向圆心以外的方向（离心方向）运动，相反会向圆心以内运动。这样，钢片链条带动的圆盘直径增大，传动比也就发生了变化，就可以改变虚捻器的转速，可以快慢调节。又由于轮组的工作半径可以连续调节，因此使用该结构可实现无极调速。虚捻器的驱动是由主机提供的，与捻制的主机使用同一传动系统，通过从动轮组及主动轮组可以增加或减小虚捻器相对于主机的输出转速。因此它与自动测量系统一起构成了闭环控制系统，在工艺参数设定好之后，可以自动调节自动运行，进行批量生产钢帘线。③自动测量系统。设备中自动测量系统为闭环系统，为虚捻器的输入端，自动扭转测量系统可以控制虚捻器的作用力并于虚捻器一起构成帘线的扭转自动控制系统。自动测量系统如图4所示，由上部自由转动的大的定滑轮及下部的两个测量小导轮组成，可以在线实时测量局部帘线的扭转值。顶部的大定滑轮的直径大小要适中，保证在线所测帘线的夹角小于8度；大滑轮的安可以绕固定轴旋转，但为了限制虚捻器的过度调节，通常在滑轮的径向增加适当的阻尼，即根据钢帘线的结构大小，需要安装不同弹性系数的扭转钢丝固定在大滑轮上，该钢丝通常使用截面为长方形的扁的弹簧钢丝。该系统地输出信号是由在大滑轮上部固定一个与其垂直布置的偏心轮完成的，在偏心轮的后部安装了接近开关，可以不间断的测量大滑轮的扭转量，即帘线的在线的扭转值，再将输出值反馈到控制器中，来调整虚捻器变频电机的转数，使其加快或者减慢原有的转速，调整到设定的扭转目标值。由于制作钢丝的盘条的生产厂家的不同及生产过程的工艺参数的波动，以及拉拔热处理时工艺参数的波动造成钢丝的拉应力及剪切应力的变化，这意味着同一条钢丝的扭转值也会阶段的发生变化，在线测量系统即可以实时反馈这种变化值。过捻电机与加捻主机可以使用同一驱动系统，过捻速度由帘线的饱和扭转和实际扭转的差值来控制，过捻转速快慢对帘线的影响非常大，扭转值偏小或偏大会影响产品的使用寿命，严重时会发生断裂，若过低则过捻后的钢帘线股达不到捻合工艺要求，所以钢帘线股的扭转合格取决于过捻电机的转速，虚捻器的控制是整个控制系统的核心。

4虚捻器的转速计算

钢帘线扭转值的变化。钢帘线的扭转饱和值随钢丝的直径和张力的变化而变化。扭转值，RT=σ/（360×覫），σ—钢丝张力，Φ—钢丝直径。例1：钢丝的张力不变，钢丝的直径变化，若钢丝直径实测值分别为0.3mm及0.305mm时，钢丝的扭转值的差值为3RT/6m，那么2*0.30HT钢帘线的扭转差值为2.12RT/6m（钢丝扭转值/姨2）。例2：钢丝的直径不变，钢丝的张力变化，若钢丝的直径为0.3mm，张力分别为2942N/mm2、3366N/mm2，则钢丝的扭转值的差值为24RT/6m，2*0.30HT钢帘线的扭转值的差值为16.8RT/6m。因此可以看出在实际捻制中由于换芯换股及更换钢丝是帘线的扭转值的变化是很大的。在大规模量产时进行实时控制是非常有必要的。虚捻器的转速计算，转速rpm=V*钢帘线的扭转饱和值，如1*0.35/14S的帘线在转速为5000rpm的双捻机中设定虚捻器的转速时，在该机器上，虚捻器的转速在此范围进行调整，但不能超过钢丝的断裂极限。

参考文献：

[1]曹冠，陆观，邱自学，孙小刚.钢帘线残余扭转在线监测及自动消除控制系统设计[J].工程设计学报，2018（04）.

[2]俞博文，刘展凤.钢帘线专用矫正机的电气控制[J].金属制品，2008（01）.

[3]姚海东，朱银桂，肖祖荣.拉拔钢丝扭转性能的影响因素[J].金属制品，2015（02）.

作者：王欣宇 单位：通用空气（辽宁）有限公司