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摘 要：分析了系留气球储缆绞车多层缠绕乱绳现象产生的原因，并结合系留缆绳多层缠绕的特点提出了几点解决系留气球储缆绞车乱绳的建议和措施。
关键词：系留气球； 储缆绞车；系留缆绳；乱绳
Abstract： The causes of the multilayer cable winding disorders on tethered aerostat storage winches is analyzed， according to the multilayer cable winding characteristics， some suggestions are put forward.
Keywords： tethered aerostat； storage winch； tether cable； disorder cable
引言
通信或预警系留气球系统一般采用光电复合缆作为系留缆绳，该缆绳不仅用于各系统的信息传输和球载设备的供电，还用于系留气球的空中系留。系留缆绳收放牵引和存储一般采取牵引绞盘和储缆绞车分离的结构形式，牵引绞盘能释放绝大部分的缆绳张力使缆绳张力减小至适于储缆绞车卷绕存储的程度。与钢丝绳一样，多层缠绕的系留缆绳（以下称缆绳）也会出现乱绳现象，下文将对系留气球储缆绞车乱绳现象进行初步探讨，并提出解决储缆绞车乱绳的初步措施和方案。
1.乱绳现象及原因分析
储缆绞车的乱绳是指部分缆绳在绞车滚筒上排列凌乱、不整齐，也可认为是缆绳在缠绕存储过程中排缆不顺畅。储缆绞车的乱绳有空槽、咬绳和背绳三种表现形式[1]。空槽是指缆绳跳过相临的绳槽而排到其它绳槽；咬绳是指上层缆绳硬挤到下层缆绳中；背绳是指缆绳在滚筒局部堆积。储缆绞车出现乱绳的情形主要表现在靠近滚筒两侧法兰局部缆绳排列不整齐而形成锥台，见示意图1。靠近滚筒法兰处形成的锥台在绕缆时缆绳相互挤压摩擦，高处的缆绳通常会突然从上层面跳到下层，跳层的缆绳张力瞬间减小并增大产生冲击并伴随冲击响声。空槽和背绳等乱绳也能造成前面所述的冲击情况。咬绳主要是缆绳硬挤入下层缆绳中产生强烈的摩擦并产生响声。
图1 缆绳乱绳示意图
缆绳多层卷绕时产生乱绳的原因很多也很复杂，但缆绳的缠绕过程与钢丝绳非常相似，因此，可以参考钢丝绳乱绳产生的原因进行分析。钢丝绳多层卷绕产生乱绳的原因主要有绳径因长期磨损变细、底层钢丝绳排列松弛、滚筒及钢丝绳抖动、绳槽与绳径不适应[1] [2]、钢丝绳进入滚筒的偏角过大[3]以及钢丝绳存在僵性阻力[4]等等。另外，第一层（或最底层）钢丝绳的缠绕至关重要，其它层的缠绕是以下一层排列的钢丝绳形成的沟槽进行缠绕的[2]，也就是说：如果第一层钢丝绳缠绕松弛且绳槽与绳径不相适应，以后各层的缠绕极易出现乱绳；前一层钢丝绳的缠绕出现乱绳，后一层排列的钢丝绳也会出现乱绳。
一般来说，带绳槽的滚筒有利于顺利排绳，但螺旋线槽不适合多层钢丝绳的缠绕[3]。实践证明，螺旋线槽滚筒缠绕的钢丝绳从第二层开始往往卷绕不整齐[5]。
虽然缆绳乱绳的原因很复杂，但对于带有排缆机构的储缆绞车来说，排缆机构与滚筒卷绕的不同步是产生乱绳的一个很重要的因素。排缆机构的同步是指缆绳在滚筒上的缠绕和排缆机构的动作保持步调一致，即缆绳缠满一层时，入绳端的缆绳行走至滚筒边缘的一侧法兰处即将调头往另一端行走，而排缆机构的动作也恰好是即将调头。在实际操作中，绞车还未缠满一层缆绳，排缆机构就已执行换向动作，导致缆绳在滚筒上的排列有明显间隙，使缆绳在靠近法兰处形成空槽；或者，排缆机构换向较慢，导致缆绳在靠近法兰处形成背绳。这种空槽和背绳随着缆绳缠绕层数的积累在靠近滚筒两侧法兰形成锥台形的空当和堆积。因此，储缆绞车滚筒两侧法兰形成锥台形的空当和堆积的最主要原因是排缆机构走绳速度（或传动比）与绞车滚筒的转速不匹配：排缆机构走绳太快形成空当，走绳太慢形成堆积。由于缆绳的粗细影响缆绳在滚筒上缠满一层的圈数，缆绳直径偏小时，可以看作是排缆机构走绳偏快；缆绳直径偏大时，可以看作是排缆机构走绳偏慢。如果缆绳直径偏小且排缆机构传动比为定量，缆绳排列时会产生更多的间隙，上层缆绳硬挤入下层缆绳而产生咬绳的几率会增大；再加上底层（或下层）缆绳排列松弛、缆绳的抖动和僵性阻力等因素，缆绳咬绳几率会更大。
2.多层缠绕特点分析
如前所述，即使采用了排缆机构，也不能完全保证缆绳在多层缠绕时排列整齐和顺利排绳。多层缆绳或钢丝绳的缠绕整齐如否还与第一层（或最底层）缆绳的排列形式和紧密程度密切相关。
带绳槽滚筒第一层缆绳的缠绕形式与绳槽一致，第一层缆绳排列形成的沟槽与滚筒上的绳槽基本保持一致，第二层缆绳将以第一层缆绳形成的沟槽作为“绳槽”进行缠绕，即第二层缆绳绝大部分落在第一层缆绳形成的沟槽中间（见图2 a），其它部分则因需要迈槽而“骑”在第一层缆绳上方（见图2 b）。
图2 缆绳排列示意图
对于光面滚筒来说，理论上第一层缆绳的缠绕是一规则空间螺旋卷绕；实际上，由于缆绳间的相互推挤，卷绕在滚筒上的绳圈并非规则螺旋线，而是由一段倾斜段和一段平行段组成[5]，见图3。光面滚筒上第一层缆绳整齐紧密缠绕而形成的沟槽也可以看作是其它层缆绳的“绳槽”，其它各层缆绳的缠绕与带绳槽滚筒基本相同。
图3 光面卷筒缆绳缠绕示意图
无论是带绳槽滚筒还是光面滚筒，卷绕在滚筒上的外层绳圈都要有足够的预紧力来维持其受挤压时的稳定以避免咬绳。如果外层绳圈比较松弛，被卷绕的缆绳极易嵌入外层绳圈中间，外层绳圈的部分缆绳也可能会被挤出而“骑”在相邻的绳圈上，这些会影响排绳的效果，也容易造成乱绳。当外层绳圈卷绕比较紧密时，层缆绳形成的沟槽结构比较稳定，产生咬绳的几率低，缆绳能沿沟槽顺利排绳。 3.解决乱绳的建议和措施
根据前面的分析，储缆绞车排绳不理想的主要原因是排缆机构与滚筒卷绕的不同步，其次是外层绳圈缠绕松弛。外层绳圈缠绕松弛的解决措施主要是稳定缆绳缠绕时的张力，避免缆绳张力出现较大的波动或抖动。排缆机构不同步的解决措施主要是控制排缆机构的走绳速度和缆绳缠绕时的入绳角度，走绳太快或入绳角度太大绳圈之间易形成空槽或咬绳，走绳太慢易形成易形成背绳或咬绳。
可选的稳定缆绳缠绕张力的措施有两种：在滚筒驱动机构中安装扭矩限制器，或在排缆装置中安装储缆张力传感器。
可选的走绳速度控制措施有：选用无级变速机构或可调速的马达。例如，用光轴转环直线移动式无级变速器（也称可调速光杆丝杠）代替传统的双向丝杠，或在传动系统中采用机械无级变速器等。光轴转环直线移动式无级变速器主要用于电线电缆的收线、绕制线圈以及卷绕成盘等，在我国电线电缆工业中已广泛应用[6]。机械无级变速器主要用于调整作业设备的最佳运转速度，如行星式牵引无极变速器、皮带牵引无级变速器等。由于机械无级变速器不适合长期以某一固定的速度运行，在实际操作中往往变速器长时间运转后需要人工辅助微调变速器的传动比。
对入绳角度进行控制是一种全自动排绳方案。可在排缆装置中设置角度传感器，适时检测缆绳的入绳角，通过自动控制系统调节丝杠的转速、无级变速器的传动比或控制丝杠马达的运转来实现入绳角度的调整。该措施控制同步走绳和缠绳的精度高，适应于不同直径缆绳的卷绕，不需要人工辅助调整变速器的传动比。
4.结论
显然，单层或双层缠绕的缆绳在滚筒上形成的结构要比多层缠绕更稳定，出现乱绳的几率更低。但是，限于安装空间和重量等因素，储缆绞车只能采用多层缠绕存储缆绳时，建议从缆绳缠绕张力控制、走绳速度控制和入绳角度控制等方面考虑排缆设计。另外，储缆绞车产生乱绳的原因实际上比较复杂，对缆绳缠绕张力、走绳速度和入绳角度等参数进行实时监控能有效减小出现乱绳的几率，但仍然不能杜绝乱绳现象，因此，提高作业人员日常维护和人工辅助排绳的技能也是避免储缆绞车产生乱绳的措施之一。
参考文献：
[1] 高加索，范吉祥，刘文娟.绞车滚筒乱绳原因分析及解决方法[J].石油矿场机械，2010，39（2）82-86.
[2] 邢鹏，陈思祥.关于绞车滚筒夹绳问题的几点思考[J].石油矿场机械，2010，39（2）82-86.
[3] Cris Seidenathe.折线绳槽滚筒——滚筒设计是进行平滑提升作业的关键[J].建筑机械与管理，2006（01）：49-50
[4] 胡水根，利歌.折线绳槽滚筒[J]，起重运输机械，2001（1）：12-15.
[5] 雷宽成.钢丝绳在滚筒上的卷绕运动及磨损[J].石油机械，1994，22（9）6-10.
[6] 阮忠唐主编.机械无级变速器设计与选用指南[M].北京：化学工业出版社.1999.8.
作者简介
冯大毛，男，高级工程师，毕业于南京航空航天大学飞行器制造工程专业，研究方向：飞行器环控、救生及地面设备系统设计。
关键词：系留气球； 储缆绞车；系留缆绳；乱绳
Abstract： The causes of the multilayer cable winding disorders on tethered aerostat storage winches is analyzed， according to the multilayer cable winding characteristics， some suggestions are put forward.
Keywords： tethered aerostat； storage winch； tether cable； disorder cable
引言
通信或预警系留气球系统一般采用光电复合缆作为系留缆绳，该缆绳不仅用于各系统的信息传输和球载设备的供电，还用于系留气球的空中系留。系留缆绳收放牵引和存储一般采取牵引绞盘和储缆绞车分离的结构形式，牵引绞盘能释放绝大部分的缆绳张力使缆绳张力减小至适于储缆绞车卷绕存储的程度。与钢丝绳一样，多层缠绕的系留缆绳（以下称缆绳）也会出现乱绳现象，下文将对系留气球储缆绞车乱绳现象进行初步探讨，并提出解决储缆绞车乱绳的初步措施和方案。
1.乱绳现象及原因分析
储缆绞车的乱绳是指部分缆绳在绞车滚筒上排列凌乱、不整齐，也可认为是缆绳在缠绕存储过程中排缆不顺畅。储缆绞车的乱绳有空槽、咬绳和背绳三种表现形式[1]。空槽是指缆绳跳过相临的绳槽而排到其它绳槽；咬绳是指上层缆绳硬挤到下层缆绳中；背绳是指缆绳在滚筒局部堆积。储缆绞车出现乱绳的情形主要表现在靠近滚筒两侧法兰局部缆绳排列不整齐而形成锥台，见示意图1。靠近滚筒法兰处形成的锥台在绕缆时缆绳相互挤压摩擦，高处的缆绳通常会突然从上层面跳到下层，跳层的缆绳张力瞬间减小并增大产生冲击并伴随冲击响声。空槽和背绳等乱绳也能造成前面所述的冲击情况。咬绳主要是缆绳硬挤入下层缆绳中产生强烈的摩擦并产生响声。
图1 缆绳乱绳示意图
缆绳多层卷绕时产生乱绳的原因很多也很复杂，但缆绳的缠绕过程与钢丝绳非常相似，因此，可以参考钢丝绳乱绳产生的原因进行分析。钢丝绳多层卷绕产生乱绳的原因主要有绳径因长期磨损变细、底层钢丝绳排列松弛、滚筒及钢丝绳抖动、绳槽与绳径不适应[1] [2]、钢丝绳进入滚筒的偏角过大[3]以及钢丝绳存在僵性阻力[4]等等。另外，第一层（或最底层）钢丝绳的缠绕至关重要，其它层的缠绕是以下一层排列的钢丝绳形成的沟槽进行缠绕的[2]，也就是说：如果第一层钢丝绳缠绕松弛且绳槽与绳径不相适应，以后各层的缠绕极易出现乱绳；前一层钢丝绳的缠绕出现乱绳，后一层排列的钢丝绳也会出现乱绳。
一般来说，带绳槽的滚筒有利于顺利排绳，但螺旋线槽不适合多层钢丝绳的缠绕[3]。实践证明，螺旋线槽滚筒缠绕的钢丝绳从第二层开始往往卷绕不整齐[5]。
虽然缆绳乱绳的原因很复杂，但对于带有排缆机构的储缆绞车来说，排缆机构与滚筒卷绕的不同步是产生乱绳的一个很重要的因素。排缆机构的同步是指缆绳在滚筒上的缠绕和排缆机构的动作保持步调一致，即缆绳缠满一层时，入绳端的缆绳行走至滚筒边缘的一侧法兰处即将调头往另一端行走，而排缆机构的动作也恰好是即将调头。在实际操作中，绞车还未缠满一层缆绳，排缆机构就已执行换向动作，导致缆绳在滚筒上的排列有明显间隙，使缆绳在靠近法兰处形成空槽；或者，排缆机构换向较慢，导致缆绳在靠近法兰处形成背绳。这种空槽和背绳随着缆绳缠绕层数的积累在靠近滚筒两侧法兰形成锥台形的空当和堆积。因此，储缆绞车滚筒两侧法兰形成锥台形的空当和堆积的最主要原因是排缆机构走绳速度（或传动比）与绞车滚筒的转速不匹配：排缆机构走绳太快形成空当，走绳太慢形成堆积。由于缆绳的粗细影响缆绳在滚筒上缠满一层的圈数，缆绳直径偏小时，可以看作是排缆机构走绳偏快；缆绳直径偏大时，可以看作是排缆机构走绳偏慢。如果缆绳直径偏小且排缆机构传动比为定量，缆绳排列时会产生更多的间隙，上层缆绳硬挤入下层缆绳而产生咬绳的几率会增大；再加上底层（或下层）缆绳排列松弛、缆绳的抖动和僵性阻力等因素，缆绳咬绳几率会更大。
2.多层缠绕特点分析
如前所述，即使采用了排缆机构，也不能完全保证缆绳在多层缠绕时排列整齐和顺利排绳。多层缆绳或钢丝绳的缠绕整齐如否还与第一层（或最底层）缆绳的排列形式和紧密程度密切相关。
带绳槽滚筒第一层缆绳的缠绕形式与绳槽一致，第一层缆绳排列形成的沟槽与滚筒上的绳槽基本保持一致，第二层缆绳将以第一层缆绳形成的沟槽作为“绳槽”进行缠绕，即第二层缆绳绝大部分落在第一层缆绳形成的沟槽中间（见图2 a），其它部分则因需要迈槽而“骑”在第一层缆绳上方（见图2 b）。
图2 缆绳排列示意图
对于光面滚筒来说，理论上第一层缆绳的缠绕是一规则空间螺旋卷绕；实际上，由于缆绳间的相互推挤，卷绕在滚筒上的绳圈并非规则螺旋线，而是由一段倾斜段和一段平行段组成[5]，见图3。光面滚筒上第一层缆绳整齐紧密缠绕而形成的沟槽也可以看作是其它层缆绳的“绳槽”，其它各层缆绳的缠绕与带绳槽滚筒基本相同。
图3 光面卷筒缆绳缠绕示意图
无论是带绳槽滚筒还是光面滚筒，卷绕在滚筒上的外层绳圈都要有足够的预紧力来维持其受挤压时的稳定以避免咬绳。如果外层绳圈比较松弛，被卷绕的缆绳极易嵌入外层绳圈中间，外层绳圈的部分缆绳也可能会被挤出而“骑”在相邻的绳圈上，这些会影响排绳的效果，也容易造成乱绳。当外层绳圈卷绕比较紧密时，层缆绳形成的沟槽结构比较稳定，产生咬绳的几率低，缆绳能沿沟槽顺利排绳。 3.解决乱绳的建议和措施
根据前面的分析，储缆绞车排绳不理想的主要原因是排缆机构与滚筒卷绕的不同步，其次是外层绳圈缠绕松弛。外层绳圈缠绕松弛的解决措施主要是稳定缆绳缠绕时的张力，避免缆绳张力出现较大的波动或抖动。排缆机构不同步的解决措施主要是控制排缆机构的走绳速度和缆绳缠绕时的入绳角度，走绳太快或入绳角度太大绳圈之间易形成空槽或咬绳，走绳太慢易形成易形成背绳或咬绳。
可选的稳定缆绳缠绕张力的措施有两种：在滚筒驱动机构中安装扭矩限制器，或在排缆装置中安装储缆张力传感器。
可选的走绳速度控制措施有：选用无级变速机构或可调速的马达。例如，用光轴转环直线移动式无级变速器（也称可调速光杆丝杠）代替传统的双向丝杠，或在传动系统中采用机械无级变速器等。光轴转环直线移动式无级变速器主要用于电线电缆的收线、绕制线圈以及卷绕成盘等，在我国电线电缆工业中已广泛应用[6]。机械无级变速器主要用于调整作业设备的最佳运转速度，如行星式牵引无极变速器、皮带牵引无级变速器等。由于机械无级变速器不适合长期以某一固定的速度运行，在实际操作中往往变速器长时间运转后需要人工辅助微调变速器的传动比。
对入绳角度进行控制是一种全自动排绳方案。可在排缆装置中设置角度传感器，适时检测缆绳的入绳角，通过自动控制系统调节丝杠的转速、无级变速器的传动比或控制丝杠马达的运转来实现入绳角度的调整。该措施控制同步走绳和缠绳的精度高，适应于不同直径缆绳的卷绕，不需要人工辅助调整变速器的传动比。
4.结论
显然，单层或双层缠绕的缆绳在滚筒上形成的结构要比多层缠绕更稳定，出现乱绳的几率更低。但是，限于安装空间和重量等因素，储缆绞车只能采用多层缠绕存储缆绳时，建议从缆绳缠绕张力控制、走绳速度控制和入绳角度控制等方面考虑排缆设计。另外，储缆绞车产生乱绳的原因实际上比较复杂，对缆绳缠绕张力、走绳速度和入绳角度等参数进行实时监控能有效减小出现乱绳的几率，但仍然不能杜绝乱绳现象，因此，提高作业人员日常维护和人工辅助排绳的技能也是避免储缆绞车产生乱绳的措施之一。
参考文献：
[1] 高加索，范吉祥，刘文娟.绞车滚筒乱绳原因分析及解决方法[J].石油矿场机械，2010，39（2）82-86.
[2] 邢鹏，陈思祥.关于绞车滚筒夹绳问题的几点思考[J].石油矿场机械，2010，39（2）82-86.
[3] Cris Seidenathe.折线绳槽滚筒——滚筒设计是进行平滑提升作业的关键[J].建筑机械与管理，2006（01）：49-50
[4] 胡水根，利歌.折线绳槽滚筒[J]，起重运输机械，2001（1）：12-15.
[5] 雷宽成.钢丝绳在滚筒上的卷绕运动及磨损[J].石油机械，1994，22（9）6-10.
[6] 阮忠唐主编.机械无级变速器设计与选用指南[M].北京：化学工业出版社.1999.8.
作者简介
冯大毛，男，高级工程师，毕业于南京航空航天大学飞行器制造工程专业，研究方向：飞行器环控、救生及地面设备系统设计。