CN1212260C - 高温超导电缆绕制机 - Google Patents

Abstract

本发明高温超导电缆绕制机包括操纵整机自动运行的计算机控制部件，完成超导线绕制和绝缘带绑扎的主机部件，前端的收缆拖动部件，后端的电缆骨架拉直加力部件等。主机部件中有多个绕制组，每个绕制组有一个绕制头和一个绑扎头。绕制头中有绕线转盘、供线盘、线张力器和布线盘。绑扎头中有绑扎转盘、供带盘和带张力器。先装上超导线和绑扎带，再把电缆节距、绕制速度、导线张力等输入计算机后，即可进行常用多层高温超导电缆的绕制。

Description

高温超导电缆绕制机

技术领域

本发明是高温超导电缆的绕制机械，用于完成常用高温超导电缆的绕制。

背景技术

高温超导电缆可以实现低损耗、大容量输电，其应用前景非常看好。现在迫切需要能够高质量绕制高温超导电缆的设备。但目前现有的普通电缆绕制设备根本不适于高温超导电缆的绕制，两者所要求的技术和工艺差距很远。存在的主要问题有：

(1)目前使用的高温超导线的截面是矩形的，矩形截面导线绕制电缆比圆截面导线排线难度大很多，容易重叠，不好定位。

(2)目前使用的高温超导线材是一种陶瓷性材料，它很脆，容易损坏，绕制过程中，需要严格控制所绕制的每根导线张力的大小和弯曲的曲率半径，否则极容易损伤线材而破坏它的超导电性。

(3)绕制高温超导电缆是一项很精细的工作，精度要求高，现有设备差距很大。

(4)高温超导电缆的绕制方式与常规电缆差别很大，现有的电缆绕制设备和技术都不可能按要求完成高温超导电缆的绕制。

发明内容

高温超导电缆绕制机的设计，主要应满足如下几点要求：

(1)能完成常用规格高温超导电缆的绕制，电缆绕制层数和每层绕制线材的根数可以在设计的范围内按要求选择，绕制操作控制简单方便。

(2)排线均匀，电缆绕制节距可按需要调节，容易实现。

(3)绕制时导线张力均匀，每根导线的张力可根据要求方便地调节，弯曲曲率半径有限制，确保不损坏导线的超导性能。

(4)能同时完成多层绕制，绝缘绑扎与导线绕制同步进行。

本发明的目的是提供一种高温超导电缆绕制机，本发明设计解决了脆性材料的绕制、矩形截面导线的排线和定位、导线与绑扎带匀张力等技术难题，整机用计算机控制，使电缆绕制精度、多层导线绕制、节距变化、操作控制简便精确，完全满足常用高温超导电缆绕制的要求。

本发明高温超导电缆绕制机，包括操纵整机运行的计算机控制部件、前端的收缆拖动部件、后端的电缆骨架拉直加力部件、分别位于主机部件前后用于支撑电缆和电缆骨架的前支撑架和后支撑架，完成超导线绕制和绝缘带绑扎的主机部件位于中段。主机部件又包括多个绕制组，其数量根据电缆绕制层数决定，每个绕制组中包含有一个绕制头和一个绑扎头。每个绕制头中有一个布线盘和一个围绕电缆骨架旋转的绕线转盘，绕线转盘上安装了多个供线盘，以及与供线盘数量相等的线张力器。供线盘的数量根据电缆每层绕制超导线的根数决定。每个绑扎头中有一个围绕已绕制了超导线的电缆骨架旋转的绑扎转盘，绑扎转盘上装有一个或两个供带盘，以及与供带盘相等数量的带张力器。

绕制头中的绕线转盘装在一根空心轴上，空心轴用轴承支承装在支架上，布线盘装在空心轴的前端，电缆骨架穿过空心轴。空心轴连同绕线转盘由步进电机驱动。

绕制头中的布线盘大体呈齿轮状，其齿径向为圆柱形，两齿间根部的轴向剖面的轮廓是圆滑的凸起。布线盘采用聚四氟乙烯或尼龙等工程塑料制造，超导带材接触的都是圆滑表面，确保不损伤导线。布线盘的作用是均匀布线，绕制时把超导线分布在规定的位置。在超导线根数变化时，要相应地更换布线盘。

绕制头中供线盘是单饼式的，矩形截面的高温超导线叠绕在这个单饼式的供线盘上。线张力器采用皮带磨擦结构，皮带端部连接有弹簧和螺杆，通过拧动螺杆调节每个弹簧的弹力来分别控制导线的预张力。

供线盘和线张力器分组安装在绕线转盘的同一端面上，每组供线盘套装在一根轴上，可灵活装卸替换，且各供线盘可相互独立转动。在绕线转盘的这一端面上，供线盘按组呈环状布置装在该端面的中间位置，线张力器与供线盘对应分组，沿径向在每组供线盘之外，位于绕线转盘的边缘。

绑扎头中的绑扎转盘装在一根空心轴上，该空心轴用步进电机驱动。

绑扎头中的供带盘是单饼式的，绑扎用的绝缘带叠绕在供带盘上。带张力器采用轴向压力磨擦，它与供带盘同轴安装。带张力器靠弹簧的轴向压力作用使绑扎带给出合适的张力。

电缆前进拖动部件包括用于牵引电缆骨架前进和缠绕电缆制成品的收缆轴，以及将电缆排绕在收缆轴上的排线器。收缆轴也由步进电机驱动。排线器采用丝杠螺母机构。

电缆骨架拉直加力部件的主要构件是缠绕了电缆骨架的电缆张力轴，电缆张力轴用三相力矩电动机驱动，由计算机控制部件控制三相力矩电动机并调节张力。

绕制高温超导电缆还需要电缆骨架。它从后部的电缆骨架拉直加力部件的电缆张力轴引出，先后经后支撑架、主机部件、前支撑架，然后将其绕在前端的电缆收线拖动部件的收缆轴上。主机部件中，电缆骨架穿过绕制头和绑扎头的空心轴，在电缆骨架拉直加力部件的作用下始终处于水平位置并保持平直。绕制时电缆骨架在收缆前进拖动部件的作用下按要求匀速直线运动前进，绕制头按规定的每一个节距，绕制一圈超导线，并由绑扎头及时绑紧定位。绕制好的电缆再经排线器均匀地缠绕在收缆轴上。

计算机控制部件包括一台计算机，它经连接器与几只I/O主控器相连，各主控器分别连接一只驱动器，各驱动器再与步进电机或力矩电动机相联接。

本发明高温超导电缆绕制机开机而开始绕制前，首先要将电缆骨架按要求装好。绕制头的供线盘中备好超导线，并对每根导线施加适当的预张力。绑扎头的供带盘中装好绑扎用绝缘带，同时调节带张力器使绝缘带绷紧。完成上述工作后，再把电缆各层的导线的绕制节距，绝缘绑扎带的绑扎节距和绕制前进速度(即电缆骨架前进的线速度)，及骨架张力等输入计算机，然后启动机器开始绕制电缆。

本发明高温超导电缆绕制机特别适用于质地脆弱的矩形截面的高温超导带材导线绕制电缆。整机用计算机控制，电缆导线的绕制节距、绕制层数、每层绕制导线的根数、绕制速度以及绝缘绑扎带的绑扎节距等都可以根据需要选择，绕制时导线和绝缘绑扎带的张力均匀适度，供线盘和分线盘合理的尺寸保证了导线的弯曲曲率和布线要求，不损坏导线。并且本绕制机可以同时进行四层导线的绕制和绑扎，绕制速度快、效率高、质量好，能完全按设计要求完成常用规格高温超导电缆的绕制。

附图说明

图1是高温超导电缆绕制机总成示意图

图2是由绕制头和绑扎头组成的一个绕制组的结构示意图

图3是图2所示绕制组A-A剖视图

图4是用于绕32根超导导线的布线盘

图5是计算机控制部件原理简图

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的一个实施例。

首先请参见图1。本发明高温超导电缆绕制机包括前端的电缆收缆拖动部件100；已绕制好的电缆段200；用于支撑已绕制好电缆段的前支撑架300；位于中段的主机部件400又包括多个绕制组，一般的电缆为四层，所以这里所示的绕制机为四个绕制组，即401、402、403、404；用于支撑电缆骨架的后支撑架500；电缆骨架600从后端的拉直加力部件700引出，其中段穿过主机部件与前面的电缆相接；操纵整机运行的计算机控制部件800。图中405、406、407是主机部件中的步进电机，(详见后述)。

位于前端的电缆收缆拖动部件100中有收缆轴101，它拖动电缆骨架前进并将绕制好的电缆缠绕在收缆轴上，排线器102采用丝杠螺母机构，其作用是使电缆在收缆轴上排绕整齐。收缆轴101用步进电机103驱动。

主机部件前后的前支撑架300和后支撑架500是支撑电缆和电缆骨架用的，二者的构造相同，其顶端装灵活转动的辊子，并在邻近主机前后两端部分别设有定位轮301和501，用来保证电缆骨架与绕制轴同心。

后端的电缆拉直加力部件700中，电缆骨架600缠绕在电缆张力轴701上，电缆张力轴701用三相力矩电动机702驱动，调节电动机的力矩控制电缆骨架和电缆的张力大小，从而将其拉直并保持水平状态。

主机部件400中有四个绕制组401、402、403、404，每个绕制组的结构基本相同。由于超导电缆每两层的绕制节距相同，所以每两个绕制组的绕制头用一个步进电机带动，图1中为步进电机405和406。而超导电缆每层的绑扎是用同一宽度的绝缘带，其绑扎节距相同，所以四个绕制组中的绑扎头共用一个步进电机407带动进行绑扎。

参见图2，这里所示的是主机部件中的一个绕制组，绕制组中有一个绕制头410，和一个绑扎头420。303是前支撑架300中的支撑辊，503是后支撑架500中的支撑辊。

图2绕制头410中，绕线转盘41 3装在一根围绕电缆骨架600旋转的空心轴411上，空心轴411用轴承412支承装在支架408上。布线盘416与绕线转盘413同轴安装，它的作用是均匀布线。绕线转盘413上安装了32个供线盘415，以及与供线盘数量相等的线张力器414。空心轴411由步进电机409驱动。步进电机409等同于图1中的步进电机405或406。

如图2所示，绑扎头420中有一个围绕已缆制了超导导线的电缆骨架600旋转的绑扎转盘423，绑扎转盘上装有一个或两个供带盘424，以及与供带盘数量相等的带张力器425。绑扎转盘423装在一根空心轴421上，该空心轴421用轴承422支承装在支架408上，绑扎好的电缆200穿过空心轴。供带盘424和带张力器425同轴安装，一起装在绑扎转盘423的后端面上，它与绕线转盘的前端面相对。供带盘424是单饼式的，绝缘绑扎带叠绕在供带盘上。空心轴421和绑扎转盘423由步进电机427驱动。这里的步进电机427等同于图1中的步进电机407。

参见图2和图3，绕制头410中的供线盘415和线张力器414分组安装在绕线转盘413的同一端面上，图中为其前端面，供线盘总共有32个，分成八组，每组四个套装在一根轴上，呈环状均匀布置在绕线转盘413前端面的中间位置。线张力器414也有32只，对应于供线盘也分成八组，沿径向向外，位于绕线转盘413前端面的边缘。线张力器414是机械磨擦式的，工作时调节弹簧张力控制导线张力在1kg/mm²以内，保证导线平直，绕制平整。当采用带状的高温超导导线时，供线盘是单饼式的，带状的高温超导线叠绕在供线盘上。

绕制头410中的布线盘416的结构如图4所示。它大体呈齿轮状，分线齿418为圆柱形，超导带材419被分线齿均匀分开。盘体417上有中心定位孔与绕制头的空心轴411配合，它上面还有四个固定小孔，以方便选择不同绕制根数布线盘时进行替换和固定。两分线齿间根部的径向剖面轮廓为圆弧状凸起，确保超导带材表面接触的都是圆滑面。

最后请参见图5，计算机控制部件800包括一台计算机801，它经过连接器802与5只I/O主控器803、805、807、809、811相接，各主控器分别连接一只驱动器，即804、806、808、810、812，各驱动器再与步进电机103、405、406、407和力矩电动机702相联接。要说明的是，对有多个绕制组，步进电机应是多只，分别驱动多个绕制头和绑扎头。由于超导电缆每两层绕制节距相同，所以四个绕制组只用两个步进电机驱动绕制头。而超导电缆各层绑扎节距相同，所以四个绕制组共用一个步进电机驱动绑扎头。

本发明高温超导电缆绕制机适用的超导线和绝缘绑扎带原料的尺寸规格如表1所示。本实施例绕制机的基本参数如表2所示。

    表1所用超导线和绝缘绑扎带的规格

超导带材宽度	2～6mm
		超导带材厚度	0.1～0.5mm
绝缘带宽度	10～50mm
		绝缘带厚度	5～50μ

    表2高温超导电缆绕制机的基本参数

绕制电缆的最小直径	20mm
		绕制电缆的最大直径	50mm
绕制电缆长度	＜300m

绕制节距	任意调节
		绕制层数	＜4层
单层导线绕制根数	＜32根
		每根导线绕制张力	0.5～1kg/mm2
导线弯曲曲率半径	＞50mm
		控制方式	计算机程序控制
绝缘绑扎方式	螺旋绑扎
		绝缘绑扎节距	任意调节

Claims (16)

1.一种高温超导电缆绕制机，其主要部分包括计算机控制部件、前端的收缆拖动部件、位于中段完成超导线绕制和绝缘带绑扎的主机部件、后端的电缆骨架拉直加力部件、以及紧邻主机部件前后的前支撑架和后支撑架，其特征是其中的主机部件包括多个绕制组，每个绕制组中有一个绕制头和一个绑扎头；每个绕制头中有一个布线盘和一个围绕电缆骨架旋转的绕线转盘，绕线转盘上安装了多个供线盘，以及与供线盘数量相等的线张力器；每个绑扎头中有一个围绕已绕制了超导导线的电缆骨架旋转的绑扎转盘，绑扎转盘上装有一个或两个供带盘，以及与供带盘相等数量的带张力器。

2.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绕制头中的绕线转盘装在一根空心轴上，空心轴用轴承支承装在支架上，布线盘装在空心轴的前端，电缆骨架穿过空心轴。

3.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绕制头中的供线盘和线张力器分组安装在绕线转盘的同一端面上，每组供线盘套装在一根轴上，可灵活装卸替换，且各供线盘可相互独立转动；在绕线转盘的这一端面上，供线盘按组布置呈环状装在该端面的中间位置，线张力器与供线盘对应分组，沿径向在每组供线盘之外，装在绕线转盘的边缘。

4.按照权利要求2所述的高温超导电缆绕制机，其特征是安装绕线转盘的空心轴由步进电机驱动。

5.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绕制头中的布线盘大体呈齿轮状，其齿径向为圆柱形，两齿间根部的轴向剖面的外轮廓是圆滑的凸起。

6.按照权利要求5所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绕制头中的布线盘采用聚四氟乙烯或尼龙制造。

7.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绕制头中装在绕线转盘上的供线盘是单饼式的，矩形截面的高温超导线叠绕在这个供线盘上。

8.按照权利要求1或3所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绕制头中的线张力器采用皮带磨擦结构，皮带端部有弹簧和螺杆，通过调节每个弹簧的弹力来分别控制导线的预张力。

9.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绑扎头中的绑扎转盘装在一根空心轴上，该空心轴用轴承支承装在支架上，电缆骨架穿过该空心轴。

10.按照权利要求9所述的高温超导电缆绕制机，其特征是安装绑扎转盘的空心轴由步进电机驱动。

11.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绑扎头中的供带盘装在绑扎转盘的一个端面上，该供带盘是单饼式的，绑扎用的绝缘带叠绕在供带盘上。

12.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是绑扎头中的带张力器采用轴向压力磨擦结构，它与供带盘同轴安装，靠弹簧的轴向压力作用使绑扎带给出合适的张力。

13.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是电缆收缆拖动部件包括用于牵引电缆骨架和缠绕已绕制好电缆制品的收缆轴，将电缆排绕在收缆轴上的排线器，收缆轴由步进电机驱动。

14.按照权利要求13所述的高温超导电缆绕制机，其特征是排线器采用丝杠螺母运动机构。

15.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是电缆拉直加力部件的主要构件是缠绕了电缆骨架的电缆张力轴，该轴用三相力矩电动机驱动。

16.按照权利要求1所述的高温超导电缆绕制机，其特征是计算机控制部件包括一台计算机，它经连接器与几只I/O主控器相接，各主控器分别联接一只驱动器，各驱动器再与步进电机或力矩电动机相联接。

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