預(yù)浸料制備中的張力控制系統(tǒng)

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1、第2期預(yù)浸料制備中的張力控制系統(tǒng)49預(yù)浸料制備中的張力控制系統(tǒng)高殿斌蔣秀明楊公源（天津紡織工學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化系，天津300160）摘要：詳細(xì)闡述了預(yù)浸料制備過(guò)程中纖維紗筒開(kāi)卷、預(yù)浸料收卷張力控制系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)模型以及控制方法。并在所研制的預(yù)浸料制備設(shè)備中進(jìn)行實(shí)踐與驗(yàn)證。在纖維開(kāi)卷過(guò)程中，研制出的“比例電磁鐵-機(jī)械制動(dòng)裝置”調(diào)節(jié)和控制開(kāi)卷張力，為實(shí)現(xiàn)纖維粗紗張力恒定起到關(guān)鍵作用。并詳細(xì)介紹了“比例電磁鐵-機(jī)械制動(dòng)裝置”的原理。在預(yù)浸料收卷過(guò)程中，采用三軸擺式松緊架裝置，以線速度跟隨控制和卷徑補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸

2、料牽引輥和收卷輥快速跟隨性和張力穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：開(kāi)卷與收卷非線性；時(shí)變數(shù)學(xué)模型；比例電磁鐵-機(jī)械制動(dòng)裝置；增益調(diào)度中圖分類號(hào)：V261.94文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-505（32000）02-0049-06制備單向預(yù)浸料是將多軸筒紗纖維一起釋放，經(jīng)展平和樹(shù)脂熔融浸漬、擠膠、輥壓、收卷形成厚度均勻，纖維彼此平行的單向連續(xù)帶。在制備預(yù)浸料過(guò)程中，如果纖維張力不均，預(yù)浸料纖維不能平行排列，將嚴(yán)重影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。預(yù)浸料收卷時(shí)，必須解決好恒張力卷繞問(wèn)題，否則將帶來(lái)預(yù)浸料內(nèi)松外緊現(xiàn)象，或者出現(xiàn)皺折，這樣不僅外觀不合

3、格，也會(huì)損傷纖維。采用三軸擺式松緊架方便可靠地解決了這個(gè)問(wèn)題。由于多軸筒纖維開(kāi)卷和預(yù)浸料收卷合理地解決了張力控制這個(gè)主要矛盾，在所研制的預(yù)浸料設(shè)備上制備出了高質(zhì)量預(yù)浸料。1纖維紗筒開(kāi)卷張力控制系統(tǒng)預(yù)浸料的制備對(duì)筒紗纖維開(kāi)卷張力恒定的要求比較嚴(yán)格。研制的預(yù)浸料制備設(shè)備的每個(gè)筒紗都構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由纖維筒紗、比例電磁鐵-機(jī)械制動(dòng)裝置、張力傳感器和控制電路組成。!.!工作原理纖維筒紗的開(kāi)卷屬于被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，對(duì)筒紗施加一定的制動(dòng)力矩，纖維從紗筒中被拉出才具有一定的張力。為保持粗紗張力恒定，要求制動(dòng)力矩能夠自動(dòng)連

4、續(xù)調(diào)節(jié)。研制的“比例電磁鐵-機(jī)械制動(dòng)裝置”成功地實(shí)現(xiàn)了纖維張力恒定。比例電磁鐵-機(jī)械制動(dòng)裝置示意圖如圖1。圖中：f—摩擦力，F(xiàn)—比例電磁鐵推力，P—正壓力，!—摩擦塊與摩擦盤(pán)摩擦系數(shù)，Mz—制動(dòng)力矩。力矩平衡方程式：收稿日期：2000-02-29；修訂日期：2000-03-30作者簡(jiǎn)介：高殿斌（1945-），男，副教授50航空材料學(xué)報(bào)第20卷Fa+fc-P6=0（I）將f=代入（I）式，得!PP=f/!Fa+fc-（6/!）f=0（2）f=F（a/6｛!［/I-!（c/6）］｝（3）由式（3）可知，摩擦力f與比例電磁鐵

5、推力F成正比例。制動(dòng)力矩：Mz=frI=F（a/6）｛!［/I-!（c/6）］｝rI=KI·F·rI式中KI—常數(shù)，rI—摩擦盤(pán)半徑。纖維從紗筒中拉出的張力矩MT，MT=Tr，式中：T—纖維粗紗張力，r—筒紗瞬時(shí)半徑。如果不考慮動(dòng)態(tài)力矩和其他阻力矩時(shí)，近似有：MT=Mz，T·r=KI·F·rI。工藝上要求粗紗張力T為恒定值，隨粗紗開(kāi)卷過(guò)程的進(jìn)行，筒紗半徑r逐漸變小，推力F必須隨筒紗半徑r成比例地減小。為此，須采用張力傳感器構(gòu)成張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。比例電磁鐵與一般電磁鐵不同，銜鐵的推力與激磁電流基本上呈線性關(guān)系。在額定行程

6、內(nèi)，某一激磁電流所產(chǎn)生的推力與行程無(wú)關(guān)。比例電磁鐵制動(dòng)的推力特性如圖2所示。這種特性正是纖維開(kāi)卷所需要的。圖I比例電磁鐵-機(jī)械制動(dòng)裝置示意圖圖2比例電磁鐵推力特性Fig.ITheSketchmapoftheratioeletro-Fig.2ThethruStSpecificpropertymagnet-mechanicalreStrainingdeviceoftheratioelectromagnet!."筒紗開(kāi)卷張力數(shù)學(xué)模型為了對(duì)筒紗開(kāi)卷張力控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，首先建立筒紗開(kāi)卷過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模

7、型。力矩平衡方程式為：MT-Mz-d/d（tI"I）-#"I=0MT=T·rI=cz+I0+SS=$Uhg（r4-r4I0）=Kg（r4-r4I0）Kg=$Uhg2g2g式中：r—筒紗半徑；rI0—筒紗芯軸半徑；T—筒紗開(kāi)卷張力；h—筒紗高度；cz—筒紗承托機(jī)構(gòu)及制動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；S—纖維轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；I0—筒紗芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；U—比重；g—占積率；g—重力加速度；#—粘性摩擦系數(shù)；MT—張力矩；"I—筒紗開(kāi)卷角速度；Mz—制動(dòng)力矩。dI2$Uhg3dr3dr=r·=KI0rdtgdtdtd"IdIMT-MZ-I-"I-#"

8、I=0dtdt第2期預(yù)浸料制備中的張力控制系統(tǒng)512!LhgK10=gr=rm-N"=rm-"!!0#1dt=rm-K8!!0#1dt2!dr"=#1dt2!"K8=2!式中：rm—纖維滿卷額定半徑；"—每層纖維的厚度；N—退繞層數(shù)。上述各式是開(kāi)卷過(guò)程的纖維數(shù)學(xué)模型。由于筒紗半徑r隨時(shí)間變化，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量]s也隨時(shí)間變化。數(shù)學(xué)模型中還