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摘要:针对电气控制金属针布包卷机可靠性不高、包卷质量不稳定、投资较大的现状,详细介绍了液压控制金属针布包卷机的工作机理,并利用专业仿真软件AMESim 对该液压控制系统进行建模和仿真分析,指出液控方式的金属针布包卷机可以满足在实际生产中对包卷机速度调节方便、包卷质量可靠、操作灵活轻巧等方面的要求,在生产实际中有较高的实用价值。
关键词:电气控制;液压系统; 金属针布; 包卷机;张力恒定;AMESim 软件;仿真曲线
在棉纺织工业中,梳棉工序是一道关键性工序, 它对纺织产品产生直接影响,因此梳棉机刺辊上针布的包卷质量就显得非常重要。金属针布包卷机就是用来将针布齿条包卷到刺辊上的机械。
目前,金属针布包卷机通常由变频调速电机通过减速器带动刺辊进行工作,以电气控制为主[1 ] 。
此工作方式可简化机械变速机构,具有提高传动效率、易于获得无极调速等功能[2 ] ,但同时也有一些难以克服的缺点,如:调速电机速度调节范围有限,速度较低时,其恒转矩输出特性会受到影响[3 ] ;减速机构和刺辊的惯性不容易克服;电气控制系统比较复杂,其工作可靠性不高,需要较大的前期投资等[4 ] 。
采用液压传动控制的方式具有以下优点:可以在很大范围内进行无极变速且速度稳定,启动和制动稳定可靠;液压元件转矩2惯性矩比大,可以在输出较大转矩的情况下只有很小的惯性,故系统动作灵敏,响应快,换向迅速;液压执行元件的功率2重量比大,构成的系统体积小、重量轻、响应速度快;液压传动易实现过载保护;操纵方便等[ 5 ] 。
由此,如果用液压传动控制方式代替电气控制方式,可以较为理想地解决目前金属针布包卷机难以克服的一些缺点,可以很好地防止在包卷过程中经常出现的倒条、垒条和针布高低不平等问题[6 ] 。
1 液控金属针布包卷机的工作原理
液控金属针布包卷机主要由主驱动机构、侧压机构、针布张力调节机构、刺辊轴端支撑架距离调整机构、液压马达与刺辊中间轴对中调节机构和液压马达与刺辊离合机构等6 部分构成。其工作原理如图1 所示。 （图片）
1 —液压泵;2 —电动机;3 —溢流阀;4 —节流阀; 5 —换向阀;6 —蜗轮蜗杆;7 —液压缸;8 —滑台; 9 —调速阀;10 —液压马达;11 —联轴器;12 —行程开关; 13 —刺辊;14 —针布齿条;15 —小液压缸;16 —压力表; 17 —定滑轮;18 —手轮;19 —重锤; 20 —电磁换向阀;21 —减压阀。
图1 液控金属针布包卷机工作原理 如图1 所示,该系统由电动机2 带动液压泵1向系统供油,液压泵出口压力由溢流阀3 设定。一部分液压油经电磁换向阀20 ,驱动液压马达10 ,再经调速阀9 流回油箱,液压马达10 (固定于滑台8上) 通过联轴器11 直接驱动刺辊13 旋转,使刺辊在一定的转速下(调速阀9 调节) 进行包卷工作(主驱动机构) ,在包卷任务完成,即金属针布到达刺辊端部后,会通过行程开关12 发出电信号,使电磁换向阀20 的电磁铁断电,液压马达10 就会自动停止运转。在包卷过程中,针布齿条14 被重锤19 通过定滑轮17 紧压在已经包卷的针布上,保证了沿轴向相邻针布齿条间有合适的压紧力(侧压机构) 。针布的包卷张力可以通过减压阀21 和小液压缸15 进行调节,该张力可以保持恒定,且张力的大小可以通过压力表16 的读数间接获取(针布张力调节机构) 。手轮18 可以通过丝杠调节左右两个刺辊轴端支撑架间的距离,以满足包卷不同长度刺辊的要求(刺辊轴端支撑架距离调整机构) 。蜗轮蜗杆机构6 用于解决液压马达的驱动与刺辊的中间轴的对中性问题(液压马达与刺辊中间轴对中调节机构) 。液压缸7用于控制液压马达10 和刺辊13 的离合,换向阀5和节流阀4 能够改变和调整液压缸7 的运动方向和速度(液压马达与刺辊离合机构) 。
2 液压传动控制系统的特性分析
采取上述液压传动控制方式,可以很好地满足金属针布包卷机的各项性能要求。
2. 1 对于直径规格不同的刺辊,包卷针布时要求刺辊的转速能够实现无级变速,且速度稳定,启、制动平稳可靠。利用液压传动控制的方式可以很好地满足对速度调节的这些要求,这也是液压传动控制的主要优点。在此液压传动回路中,采用出口节流调速,这是因为: ①这种调速方式适合于在较低负载下进行调速; ② 调速阀的调速刚性好,可以很好地满足恒转速的需求; ③出口调速可以在液压马达的回油路上产生一定背压,有利于液压马达的低速稳定性。
2. 2 在包卷金属针布齿条的过程中,定值减压阀出口处压力基本能够保持恒定,且可以随时很方便地进行调节,这就使小液压缸进口处的压力和金属针布齿条的包卷张力具有同样的特性。同时,压力表显示的压力大小能够间接反映包卷张力的大小,这就消除了传统手工调节加压弹簧方式中,不知最终张力的大小,只凭经验感觉的不准确性,能够达到可视化的目的。
2. 3 利用液压系统换向方便的优点,用一只液压缸驱动装有液压马达的滑台左右往复运动,可以实现液压马达驱动轴与刺辊轴之间的自动离合,操作简便。由于液压缸对速度调节要求不高,选用普通节流阀进行调速即可。这种方式可以减轻工人劳动强度,克服传统的人工反复搬动链轮的机械劳动。
2. 4 当针布齿条包卷到刺辊端部、需要停机时,会通过行程开关发出信号,使控制液压马达启、制动的电磁换向阀的电磁铁断电,液压马达就自动停止转动。故一旦开始包卷,就不需要操作人员一直盯着设备,可以实现自动控制,提高设备运行的可靠性。
2. 5 对于不同长度的刺辊,要求支承刺辊的两端支承之间的距离能够方便地调整,液压传动的方式同样可以较好地满足这种要求。
因此,可以看出,采取液控方式之后,可以更方便地满足金属针布齿条包卷的需要,具有一定的实用价值。为了验证液压传动控制系统的各项特性,下面对其进行仿真研究。
3 液压传动系统仿真模型的建立
3. 1 仿真软件AMESim
AMESim 软件是专门用于模拟工程系统的仿真软件,该软件尤其适用于液压与气动系统的仿真研究。在AMESim 软件中,用符号(这些符号主要是工程领域中的标准符号,也包括一些工程领域中没有但容易认识的简单图形) 来表达液压元件的实际功能及其主要规格参数,能够非常方便地构建仿真模型,以进行时域或频域的仿真研究。另外,仿真结果以多种曲线的形式显示出来,能够直观地表达工程系统的运行结果,便于对系统进行分析。因此,采用AMESim 软件对该系统进行仿真研究。
3. 2 建立仿真模型
基于AMESim 仿真软件建立的仿真模型如图2 所示。将图1 工作原理图中的各液压组成元件用AMESim 软件中的符号来代替。其中:液压马达和两个液压缸都按照实际工况加了负载,可以模拟实际工作过程中的工作状态;工作原理图中的两个换向阀都用电信号控制,这是由于在AMESim 软件中没有表示其它控制方式的符号,而各种控制方式对于仿真结果并无影响,因此可以通用;另外,在仿真模型图中没有出现压力表,这是因为在仿真过程中系统中各点的压力可以通过图表显示出来,仿真时不需要再接压力表;还有,要注意仿真模型图中的调速阀和减压阀的符号与工作原理中的符号有所不同,这是由于该仿真软件是法国某公司开发的,与我国现行的液压标准不一致。（图片）
1 —电动机;2 —液压泵;3 —溢流阀;4 —节流阀;5 ,10 —换向阀;6 ,8 —液压缸;7 —液压马达;9 —调速阀;11 —减压阀。
图2 液压仿真模型 4 仿真结果分析
仿真结果根据实际生产的要求进行。
4. 1 仿真参数
刺辊质量:12 kg～200 kg ;
张力控制范围:30 N～150 N ;
金属针布侧压力:50 N～200 N ;
包卷刺辊直径:200 mm～1 000 mm ;
刺辊针布包卷机的转速:1 rad/ s～10 rad/ s。
4. 2 仿真结果分析
以下对液控金属针布包卷机的几种常见工况的仿真结果进行分析。
4. 2. 1 液压马达低速下的稳定性(见图3)（图片）
图3 液压马达转速为1 rad/ s 时的仿真曲线 由图3 中曲线可以看出液压马达低速时稳定性较为理想,且启动较快,在制动时也能较快地停车。
4. 2. 2 液压马达不同负载下的转速稳定性(见图4)
由图4 中曲线可以看出:液压马达在有较大差值的两种负载下转速达到稳定后速度基本相同。（图片）
图4 液压马达不同负载时的仿真曲线 4. 2. 3 控制液压马达与刺辊离合的液压缸所要求的慢进快退性曲线(见图5)
由图5 曲线可以看出:位移曲线上升过程持续时间较长,下降过程持续时间较短,满足所要求的慢进快退性,且此速度可以调节。（图片）
图5 液压缸位移的仿真曲线 4. 2. 4 调节针布张力的液压缸工作压力的稳定性(见图6)（图片）
图6 液压缸工作压力仿真曲线 图6 曲线是模拟针布上的冲击(由70 N 变为140 N) 对顶压针布的小液压缸的影响。由图中曲线可以看出:即使这个冲击较大时,液压缸工作压力变化也较小,这样可以使针布的张力基本恒定。
5 结束语
根据对液压传动系统的特性分析与仿真结果分析可以得出如下结论。
5. 1 液压传动系统速度调节方便,可以无级调速,且速度变化范围大,其低速稳定性较好。
5. 2 利用液压系统可以方便获得恒定压力的特点,能够较好地保证针布张力的恒定。
5. 3 利用液压系统换向方便的特点,可以使液压马达驱动轴与刺辊轴之间很方便地实现自动离合,以减轻工作人员的劳动强度。
5. 4 由安装在刺辊端部的行程开关检测金属针布是否完成包卷,可以实现自动停机,这样提高了设备运转的可靠性。
5. 5 用液压传动方式控制针布包卷机代替传统的电气控制方式,能较好地解决现在普遍使用的包卷机所遇到的一些问题,满足生产过程中对金属针布包卷机的要求,在生产实际中有较高的实用价值。
参考文献:
[1 ] 惠晶,莫惠元. 新型金属针布包卷机的控制方法[J ] . 纺织器材,1997 ,24 (2) :628.
[2 ] 邓星钟. 机电传动控制:第三版[M] . 武汉:武汉科技大学出版社,2001.
[3 ] 焦彩萍,金钧. 调频器用于普通电机调速的弊端[J ] . 中国设备工程,2006 (12) :35.
[4 ] 杜清平,荆晓鸣. 新型金属针布包卷机控制系统的研制及使用[J ] . 纺织器材,1997 ,24 (5) :15218.
[5 ] 章宏甲,黄谊,王积伟,等. 液压与气压传动[M] . 北京: 机械工业出版社,2000.
[6 ] 余世峰. 金属针布包卷经验点滴[J ] . 棉纺织技术,2003 , 31 (7) :55.
7/22/2011
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