小线辐照交联束下传输系统的结构设计

谭俊峰，甘 斌，周 涛，黄 权

（湖南新天力科技有限公司，湖南 长沙 410006）

通过对电线电缆绝缘层的交联改性，能大大提高电线电缆的工作温度、耐溶剂、耐环境老化、耐开裂等性能，还可导致绝缘材料电学性能的优化，使机械性能有所提高。现如今辐照交联成为了电线电缆的主要交联改性方法。

经过电子加速器的电子束辐照加工，电线电缆的绝缘材料将由线性高聚物变成网状结构［1］，但其交联度大小和均匀性与加速器的束下传输装置密切相关，它也是电线电缆辐照交联改性是否成功的关键。本文具体针对电子束下传输装置的结构进行分解剖析，为后续自动控制提供设计基础。

1 束下传输系统总体要求及架构

本文是以实施的成功案例来进行介绍，该案例总体要求为：

1.辐照的线缆为公称直径0.2 mm的美标AWG32号线，采用四进四出的辐照方式。

2.辐照生产中正常辐照放线速度为450～500 m／min；正常换线速度为50 m／min，换线过程不停机。

根据要求，结合辐照加工企业其他实际情况，设定束下传输系统的结构组成主要由放线机、夹线器、储线张力架、过线轮组、束下轮传动架、收线机等组成。工艺流程图如图1所示。

依照图1所示，受照线缆经放线机放线给储线张力架，并经过线轮组到达加速器下方的束下轮传动架进行绕排线接受电子辐射，再经过线轮组传递线缆给储线张力架到收线机进行收线，从而实现线缆的辐照工艺需求。

图1 小线辐照工艺流程图

2 束下传输系统部件设计

2.1 束下轮传动架

小截面的电线电缆辐照时通常采用“8”字型或变形哑铃型的排线方式，如图2所示。

图2 小线辐照束下系统排线方式

本系统选用变形哑铃型排线方式。辐照的线缆采用四进四出的辐照形式，每个驱动辊筒同时需供两根线缆缠绕，线缆缠绕排布通过分线轴均匀排布。排线辊筒驱动结构如图3所示。

图3 束下主排线辊筒驱动结构示意图

主排线辊筒分两段，分别由两个带编码器的驱动电机驱动，编码器通过排线辊筒的角位移，对每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应的二进制数值，并通过外部记圈实现对传输线缆的长度进行记录和测量。传输辊筒外径设定为Φ400 mm，两个辊筒总长及线缆缠绕圈数根据加速器扫描宽度进行定制。为实现一定剂量条件下的线缆辐照，线缆的传输速度V0会根据线缆缠绕圈数、束流强度等来确定，并与加速器进行联动控制。该速度也是整个系统的初始速度，它的大小可通过变频器调整束下轮驱动电机频率来改变。

2.2 放线机

放线机的主要作用是通过变频电机驱动工字轮线盘来进行线缆的稳定输送，本系统采用的两根线缆共用一台放线机的方案，为达到不停机的放线，放线机可安装3个工字轮线盘，两根线缆同时放线时空出的工字轮线盘为备用盘，当一根线缆放线完毕备用盘补上，放完线的线盘则为备用盘。也就是说线盘之间互为备用，如图4所示。

图4 放线机结构示意图

工字轮线盘之间的切换与接线均通过手动方式完成，放线机设置有排线轮进行线缆引出可确保线缆在盘位变化时不发生相互干扰。同时为确保放线机稳定放线，在每个工字轮上都增设了激光测距仪，如图5所示，可测得激光头到缠绕线缆的距离，该距离会因放线过程中缠绕线缆的减少而为一变动量，它与放线电机频率的关系见式（1）。

式中：p放线电机为放线电机频率／hz·min-1；V1为放线速度／m·min-1；r放线电机为放线电机的转速／r·min-1；L0为激光头到工字轮的中心轴距离／m；L1为激光头到缠绕线缆的距离／m；

从式（1）中可知：要保障放线速度V1的恒定输出，则根据L1的数值变化适时调整电机频率p放线电机即可。

图5 激光测距示意图

2.3 储线张力架：

储线张力架是确保整个线缆传输系统建立合适的张力和匹配速度的核心装置，该装置控制的张力过大会导致线缆拉长或拉断，过小会导致乱线、脱轮，所以该装置必须要稳定可靠。

为实现储线张力架的恒张力控制［2］，也就是装置中从动轮上下移动时要始终保持同样的拉力，系统结构及原理如图6所示。

从图6可知，从动轮布置在一个闭环的钢丝回路上，钢丝回路带动从动轮可进行上下移动。

钢丝回路上的缠绕轮通过电机变频控制输出恒定的扭力F0，并根据从动轮上缠线缆张力要求进行合理配重后，即可通过控制缠绕在从动轮线上的线缆速度来控制钢丝回路的正反转动，从而实现从动轮上下移动将线缆张紧的目的。

钢丝回路力矩分析：

从动轮上升时：F×2n+Fw1+F3≤Fw2+F0（4）式（2）～（4）中：F为线缆张力／kg；Fw1为从动轮重力／kg；Fw2为配重块重力／kg；F3为系统摩擦力 ／kg；F0为缠绕轮扭力／kg；n为从动轮缠绕圈数。

图6 恒张力控制系统原理示意图

钢丝回路系统中，从动轮重力Fw1始终为定值，配重块重力Fw2在配重后也为定值，而从动轮缠绕圈数n根据线缆粗细人为设定，在工作状态时不会发生变化，也为定值，缠绕轮扭力F0根据电机频率来设定扭力大小也为恒定值。而系统摩擦力F3只与系统制作有关，此处拟考虑为定值，为达到上式中的力矩关系，唯有通过调整线缆张力F的大小来实现。当然张力F的变化必须在辐照线缆的允许范围内，同时制造时也尽量考虑减小摩擦力F3的大小。线缆张力F大小的变化是通过收放线速度差来调整的。

由于正常辐照放线速度为450～500 m／min，设定从动轮正常辐照放线时位置点为20%位置，如图7所示，则有关公式为：

式中：ΔV为速度差／m·min-1；H为储线架高度／m；n为从动轮缠绕圈数；T储线为储线时间／min；V放线为放线速度／m·min-1；V0为束下轮收线速度／m·min-1。

假设储线时间T储线设定1.5 min储满，储线架高度H为6 m，缠绕圈数n为13圈，则速度差 ΔV＝83.2 m／min，也就是说需在速度差83.2 m／min的情况下跑满1.5 min才可以将线储满，但要产生83.2 m／min速度差值是需要时间的，时间太短张力变化过大，将造成脱线。

图7 储线功能的实现和控制

从上文介绍已知，张力F的变化只与速度差变化的加速度有关系，而产生速度差ΔV是需要时间的，只要有加速度的变化，张力F也会产生变化。为避免张力F波动过大造成脱线、断线等事故的发生，则需控制好速度差的变化，即在形成速度差的同时需有缓慢增大和减少ΔV的过程。如何控制好储线吐线的这个过程并兼顾放线换盘接线等操作都是PLC编程的关键。

2.4 放线夹线器

放线夹线器是放线机与储线架放线切换的关键设备，在换盘动作过程中对电线进行固定夹持，夹持后的线头端便于工人的手工接线。

为避免夹线器夹持线缆的时候，造成线缆的扯断，线缆夹持需在储线完成后，并通过储线架放线，放线机停止放线，即V1＝0时才可以进行夹线动作。

放线夹线器通过气缸完成夹线动作。

2.5 过线轮组

过线轮组主要起到储线张力架与束下轮传动架之间的连接过渡作用。

由于束下轮传动架置于辐射室，而收放线的储线张力架置于辐射室外，两者之间通过廊房过渡连接，因此过线轮组也是辐射室与室外的连接过渡。过线轮组设计时都要求过线轮尽量轻便，转动灵活，数量则根据现场场地进行确定，尽量采用最少数量过线轮进行连接过渡，实际绕线时可根据现场情况调整过线路径。设计时还需考虑辐射对过线轮材质寿命的影响。

2.6 收线机

自动收线机是辐照系统最后一个环节，结构类似放线机结构，如图8所示，只是在每个工字轮收线位置增加一个布线轮，辐照线缆先经由布线轮再送入工字轮线盘缠绕，缠绕过程布线轮进行左右来回往复的布线。将线缆按顺序在工字轮上排布整齐。

当放线机放线完成，工人按下计米清零信号后，即切换到收线机线换盘准备，同时收线储线架开始储线准备。储线架从动轮缓慢提升，同时收线机缓慢降速，当辐照线缆的线头到达并通过收线盘收线夹线器时收线机速度降为零速，同时收线夹线器夹线，储线架继续储线，当收线换盘接线完成后，给出完成信号，收线夹线器松开线缆，收线储线架开始缓慢“吐”线，收线机缓慢提速，当收线储线架“吐”线完毕，表示收线换线完成，束下轮开始加速到正常运转速度。放线、收线机同步跟踪束下轮速度，从而确保生产的连续性，不间断高速生产。

图8 收线机结构示意图

收线机的工字轮线盘线缆缠绕排列的好坏取决于PLC控制程序的编写，在考虑工字轮收线速度控制的同时还需兼顾布线轮速度的控制及与收线储线张力架的配合等，并在实际调试过程中加以修正。

3 束下传输系统设备组成

整个辐照交联束下传输系统的设备组成从结构上按功能非常独立，但相互间控制关联性确非常大，也相较复杂，本文针对控制系统不再赘述。

设备组成内容见表1。

4 束下传输系统清洁生产措施

考虑到辐照过程电子辐射产生大量臭氧，而臭氧具有很强的氧化性，在设计时为保障束下传输系统的寿命及清洁生产需求，针对束下轮传动架选用含25%Cr的铬铁合金来制造辊筒及机架等可能与臭氧直接接触的部件，并采用硅橡胶或耐酸橡胶等密封材料来提高抗臭氧的腐蚀。

表1 系统设备组成内容

同时采用全密封机架，在机架内引入室外的新鲜空气形成正压来避免臭氧与电机发生腐蚀接触。并对同步皮带采用保护罩保护，但考虑到皮带的寿命，保护罩的设计会考虑到更换的便利。另外在束下轮传动架与过线轮组之间还会加上必要的托线辊（轮），确保整个线缆传输系统的稳定可靠。

过线轮组在辐照室内的绕线轮均为不锈钢材质，室外则采用铝绕线轮，兼顾室内抗臭氧氧化的同时使线轮更轻便，转动更灵活。

以上措施在设计制作过程中尽量保证系统的清洁生产，延长使用寿命。

5 结 语

小线辐照交联束下传输系统是小线辐照加工生产流程中的一套重要工序设备，通过案例实施完全能达到预期的高速生产目的。在保障辐照质量的前提下，500 m／min的生产传输速度四进四出模式连续生产并做到换线不停机。

该束下传输系统所包含的相关技术特别是恒张力控制技术，对它的深入研究将具有很大的推广价值和市场前景。