Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удосконалення пристроїв з програмним керуванням для рулонування матеріалів легкої промисловості

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток галузей легкої промисловості збільшує попит в напрямку створення високоякісних намотувальних пристроїв.

Намотувальні пристрої, які використовуються в хімічній та легкій промисловості, не дозволяють створювати в рулонах однорідний напружено-деформований стан, що призводить до значної нерівномірності фізико-механічних властивостей та втрати якості намотувальних матеріалів по радіусу рулону.

У зв'язку з цим необхідно створити такі конструкції намотувальних пристроїв, які б забезпечили збереження заданої технологічної структури намотаного матеріалу, сформованого в результаті основного технологічного процесу. Головним фактором керування в процесі намотування виступає натяг намотувального матеріалу. Тому розрахунок режимів намотування потрібно узгоджувати перш за все з основними конструктивними особливостями пристроїв та параметрами намотування, які впливають на розподіл внутрішніх напружень по об'єму рулону.

В умовах слабких натягів, намотувальних матеріалів, коли прямий вимір натягу практично неможливий, особливу актуальність набуває розробка програмних методів намотування без виміру натягу, використовуючи моделювання процесу намотування, з урахуванням фізико-механічних властивостей матеріалів, що намотуються.

Таким чином, удосконалення конструкцій намотувальних пристроїв, які формують рулони із заданим, раціональним розподілом внутрішніх напруг по радіусу рулону є актуальною задачею і представляє інтерес для легкої та хімічної промисловостей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках наукової програми «Розробка новітніх технологій науковими установами» у ході досліджень при виконанні держбюджетних наукових тем «Теоретичні основи створення альтернативних ресурсозберігаючих технологій формування різних по архітектурі просторових оболонок деталей одягу з текстильних анізотропних матеріалів» (номер державної реєстрації 0103U000851) і «Розробка основ теорії акустичних, теплофізичних і реологічних властивостей волокон, плівок, ниток, тканин і різних видів пряжі» (номер державної реєстрації 0100U003055) за планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення існуючих конструкцій намотувальних пристроїв з програмним керуванням, які повинні забезпечити поліпшення експлуатаційних характеристик рулонованих матеріалів легкої промисловості.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені та виносяться на захист наступні задачі досліджень:

- математична модель напружено-деформованого стану рулону з урахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей намотувального матеріалу, сформованих при технологічному процесі його виготовлення;

- математична модель намотувального пристрою та системи електропривода з урахуванням в'язкопружних властивостей намотуваного матеріалу, зміни моменту інерції рулону в процесі намотування, різних видів моментів опору, взаємозв'язок електроприводів моталки й роликів подачі через матеріал;

- синтез і аналіз систем автоматичного керування натягом, що реалізують закони раціонального напружено-деформованого стану матеріалу в рулоні, на основі принципів програмного керування без використання датчиків натягу матеріалу при забезпеченні високої якості керування намотувальним пристроєм;

- результати експериментальних досліджень розроблених систем програмного керування натягом і рекомендації з їхнього застосування.

Об'єктом дослідження є удосконалення пристроїв для рулонування матеріалів легкої промисловості.

Предметом дослідження є фізико-механічні параметри процесу рулонування матеріалів легкої промисловості на пристроях з програмним керуванням.

Методи дослідження. При вирішенні задач дослідження в дисертації використані методи теорії машин легкої промисловості, теорії пружності та теоретичної механіки, теорії диференційних та інтегральних рівнянь, теорії в'язко-пружності, теорії автоматичного керування та електроприводу, теорії електричних машин, теорії математичного моделювання, теорії ймовірності і математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в розробці нових науково-обґрунтованих методів проектування намотувальних пристроїв з програмним керуванням із використанням принципів інваріантного й адаптивного керування.

При цьому:

- отримані нові рішення математичних моделей рулонованих виробів, які враховують напружено-деформований стан матеріалу в рулоні, різні типи анізотропії фізико-механічних властивостей матеріалів, режим намотування та конструктивні особливості намотувального пристрою;

- розроблена структурна модель намотувального пристрою, що враховує в'язкопружні властивості намотуваного матеріалу, зміну моменту інерції рулону в процесі намотування, різні моменти опору, деформації матеріалу в рулоні, складові динамічного моменту, взаємозв'язок електроприводів моталки і роликів подачі через матеріал для випадків формування рулону з постійним натягом, постійним намотувальним моментом і постійним залишковим окружним напруженням шарів;

- виконано структурний і параметричний синтез запропонованих систем програмного керування натягом із використанням принципів інваріантного й адаптивного керування без виміру натягу матеріала датчиками.

Практична значимість отриманих результатів. Отримані результати дисертаційної роботи дозволили:

- розробити пристрій для програмного керування натягом матеріалу в процесі

намотування в рулон, що забезпечує підвищення якості рулонування за рахунок динамічної компенсації похибки керування, обумовленої дією моментів збурень (патент України №70226А, бюл. №9 від 15.09.2004 р.);

- розробити пристрій для програмного керування натягом матеріалу в процесі намотування в рулон, що забезпечує підвищення якості рулонування завдяки компенсації дії моментів збурень (патент України №70861А, бюл. №10 від 15.10.2004 р.);

- розробити метод розрахунку раціональних законів керування натягом матеріалів з довільним значенням параметра анізотропії, що поліпшує якість зберігання та експлуатаційні характеристики широкого асортименту рулонованих матеріалів;

- підвищити надійність намотувальних пристроїв, завдяки застосуванню систем керування, що працюють без датчика натягу матеріалу;

- впроваджувати якісні системи автоматичного керування намотуванням матеріалів на діючих лініях без конструктивної зміни механічного устаткування та без значних капітальних витрат.

Особистий внесок здобувача. Автору належать основні ідеї, узагальнення та висновки. В отриманих деклараційних патентах України здобувач розробив структуру намотувальних пристроїв і частково формули винаходів. У працях, виконаних із співавторами, особистий внесок здобувача полягає у виконанні аналітичних та експериментальних досліджень, а також в обробці одержаних результатів дослідження. Статті «Дослідження якості системи програмного керування натягом матеріалу» та «Математична модель напружено-деформованого стану рулонованого матеріалу» написані особисто автором.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорювалися й одержали позитивну оцінку на:

- наукових конференціях молодих вчених та студентів Київського національного університету технологій та дизайну в 1999-2005 р.;

- науково-практичній конференції «Екологічна безпека продукції та навколишнього середовища - потреби суспільства» (м. Ялта, 2004 р.);

- міжнародному науково-технічному семінарі «Сучасні проблеми підготовки виробництва, заготівельного виробництва, обробки та складання в машинобудуванні» (м. Свалява, 2005 р.);

- ювілейній міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 75-річчю від дня заснування Київського національного університету технологій та дизайну «Інноваційні технології - майбутнє України» (м. Київ, КНУТД, 2005 р.);

- міжкафедральному науковому семінарі кафедри «Машини легкої промисловості» Київського національного університету технологій та дизайну (29 листопада 2005 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових робіт, серед яких 5 наукових статей у журналах та два патенти України на винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Основна частина дисертації надрукована на 139 сторінках машинописного тексту, містить 58 рисунків, 4 таблиці, список використаних джерел із 102 найменувань та 41 сторінка додатку. Повний обсяг дисертації складає 189 сторінок.

Основний зміст роботи

рулон автоматичний намотувальний анізотропія

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичну значимість роботи.

Перший розділ пов'язаний з оглядом та аналізом робіт стосовно намотування та формування рулонованих виробів легкої промисловості.

Встановлено, що в легкій промисловості найбільшого застосування отримало намотувальне обладнання центрального типу, де головним фактором керування виступає натяг матеріалу.

У процесі намотування матеріалів, які не допускають значних натягів, доцільно використовувати непрямі чи програмні методи керування намотуванням.

Перспективним, з погляду забезпечення високої якості намотування, є використання принципів підпорядкованого, комбінованого та адаптивного керування, які дозволяють при синтезі керуючого пристрою розглядати об'єкт керування у всій його складності з метою створення намотувальних пристроїв з характеристиками наближеними до оптимальних.

Аналіз розглянутих методів регулювання натягу матеріалів в процесі намотування показав, що системи керування, у яких забезпечується заданий закон розподілу механічних напружень по радіусу рулону, у даний час достатньо не вивчені. При цьому якість процесу намотування в значній мірі визначається точністю побудови математичної моделі процесу намотування, а також врахуванням моментів збурень.

, (1)

де n_Qr - коефіцієнт Пуассона в напрямку поздовжньої вісі матеріалу; n_rQ - коефіцієнт Пуассона в напрямку, перпендикулярному до площини матеріалу; - параметр анізотропії; Е_r - модуль пружності в радіальному напрямку рулону, МПа; Е_Q - модуль пружності в тангенціальному напрямку, МПа; - коефіцієнт; r_n - кінцевий радіус рулону, м; r₁₀ - радіус товарного ролика, м; r - поточній радіус рулону, м; с та dс - радіуси елементарного шару, м; N(с) - питомий натяг елементарного шару, МПа.

Аналіз рівнянь (1) показує, що основними параметрами намотувальних пристроїв, що визначають якісні показники рулонів, є: реалізований закон керування натягом N(r), радіус товарного ролика r₁₀, кінцевий радіус рулону r_n (довжина і товщина намотаного матеріалу). Крім того, істотне значення мають фізико-механічні властивості намотуваного матеріалу: модулі пружності E_r, E_Q і коефіцієнти Пуассона _rQ, _Qr, що визначають величину параметра анізотропії m.

Аналіз анізотропії матеріалів легкої промисловості (полімерних плівок, штучних шкір, текстилю тощо) показав, що значення параметра анізотропії у більшості випадків є дробовим і змінюється в межах m=1ч2,85, причому більші значення відповідають текстильним матеріалам і двовісьноорієнтованим плівкам, а менші - штучним шкірам і одновісьноорієнтованим матеріалам. Тому важливим є розробка раціональних законів керування електроприводом для різних режимів намотування, що забезпечить поліпшення експлуатаційних характеристик рулонованих матеріалів.

Другий розділ присвячено вирішенню математичної моделі напружено-деформованого стану матеріалу в рулоні не тільки для цілих, але і для дробових значень параметра анізотропії, що дозволяє одержати раціональні закони розподілу напружень при намотуванні різноманітного асортименту матеріалів.

У процесі намотування матеріалу в рулон шари безупинно накладаються один на одного. Під дією натягу матеріалу кожен наступний шар деформує нижні шари і викликає зміну початкового напружено-деформованого стану, що призводить до зміни фізико-механічних властивостей матеріалу. Характер цієї зміни залежить, у першу чергу, від величини анізотропії матеріалу m і заданого режиму намотування.

Визначення розподілу радіальних _r і окружних _Q напружень по товщині рулону відповідно до (1) зводиться до обчислення інтегралу

. (2)

Інтеграл (2) має змінну нижню межу інтегрування - поточне значення радіуса рулону r, тому обчислення інтегралу здійснювалося із застосуванням сучасних програмних комплексів з відносною похибкою е < 10^-4.

Запропоновані рівняння дозволяють визначити напружено-деформований стан рулону при намотуванні матеріалу в режимі постійного намотувального натягу N(r)=N₀=const.

, (3)

де h=(r_n-r)/2К - крок інтегрування; y_j=f (r+jh); j=0,1..2К; К - кількість вузлів інтегрування; f ⁽⁴⁾ - похідні підінтегральної функції.

На рис. 2 показано розподіл по радіусу рулону відносних окружних напружень _Q/N₀ для штучної шкіри, тканини та плівки, що мають дробовий параметр анізотропії m, рівний 1,19; 1,85; 2,37 (криві 2, 4 і 6 відповідно). При дослідженнях матеріали намотувалися на жорсткий товарний ролик радіусом r₁₀=0,05 м до кінцевого радіуса r_n=0,2 м. На цьому ж рисунку представлені для порівняння відносні окружні напруження _Q/N₀ для цілих значень параметра анізотропії m, рівного 1, 2 і 3 (криві 1, 3 і 5 відповідно), ізотропного та анізотропного матеріалів. Тому що одержати залежності напружень для дробових значень параметра анізотропії m аналітичним шляхом неможливо, намотування багатьох матеріалів проводилося раніше з істотною похибкою між необхідним і реальним розподілом напружень.

Як видно з рисунка, максимальна відносна похибка окружного напруження для штучної шкіри з параметром анізотропії m=1,19 і найближчим аналітичним рішенням для m=1 складає D_Q=23%. Аналогічно для тканини з параметром анізотропії m=1,85 і найближчим аналітичним рішенням для m=2 ця похибка складає D_Q=14%. Для плівки з параметром m=2,37 і найближчим аналітичними рішеннями для m=2 і m=3 похибка дорівнює D_Q=51,6% і D_Q=50,4% відповідно. Встановлено, що екстремальні значення окружних напружень у рулоні для кожного матеріалу зі збільшенням коефіцієнта анізотропії m зменшуються і навіть приймають від'ємні значення для тканини й плівки, хоча намотування здійснюється з незмінним позитивним відносним натягом _Q/N₀=1. Області від'ємних (стискаючих) значень напружень із збільшенням коефіцієнта анізотропії поширюються в напрямку від товарного ролика до вершини рулона і захоплюють до 50% об'єму рулону. Це призводить до виникнення областей поперечно стиснутих шарів рулону, виникненню аркових ефектів і поперечних смуг деформацій, що погіршує якісні показники намотаних матеріалів із тканини та плівки. Намотування штучної шкіри в цьому режимі відбуваються також зі зміною окружного напруження по товщині рулону, але без появи областей від'ємних напружень і з меншими відповідними негативними наслідками на рулонований матеріал.

На рис. 3 показано розподіл по радіусу рулону відносних радіальних напружень _r/N₀ для тих же матеріалів. Як і для окружних напружень, максимальна відносна похибка радіальних напружень для штучної шкіри з параметром анізотропії m=1,19 і найближчим аналітичним рішенням для m=1 складає D_r=19%; для тканини з параметром анізотропії m=1,85 і найближчим аналітичним рішенням для m=2 ця похибка складає ?_r=12,5%; для плівки з параметром m=2,37 і найближчим аналітичними рішеннями для m=2 і m=3 похибка дорівнює D_r=22% і D_r=20,7% відповідно. Зі збільшенням радіуса рулону радіальні напруження _r/N₀ зменшуються до нульового значення на вершині рулону. Найбільше радіальне напруження має шар, що лежить на товарному ролику, причому зі збільшенням коефіцієнта анізотропії m величина напруження зменшується, тому перший шар штучної шкіри має напруження в 1,67 рази більше, ніж шар плівки.

При роботі намотувального пристрою в режимі постійного намотувального моменту добуток намотувального питомого натягу на поточний радіус рулону є постійним на весь період намотування М_Н=N(r)•r=const.

Запропоновано рівняння, які дозволяють визначити напружено-деформований стан рулону при намотуванні матеріалу в режимі постійного намотувального моменту

. (4)

Запропоновано закон керування натягом матеріалу, при якому залишкові окружні напруження у шарах рулону є постійними _Q=₀=const. Це дає можливість створювати найбільш раціональні умови зберігання матеріалів у рулонах для подальшої їх експлуатації

, (5)

де .

Таким чином, при реалізації закону найбільш раціонального розподілу напружень важливе значення має точна реалізація параметра анізотропії матеріалу m, інакше похибки досягають неприпустимих значень. Намотування до певного радіуса повинно здійснюватися зі зростаючим натягом N(r), що досягає максимального значення в середньому на відстані 1/6 радіуса рулону від товарного ролика і визначається в основному фізико-механічними властивостями матеріалу. Надалі натяг повинен монотонно зменшуватися, досягаючи на останньому витку величини заданого окружного напруження N(r)=₀.

Для визначення радіальних напружень при режимі (5) запропоновано рівняння

. (6)

Таким чином, при даному законі керування натягом рулони будуть щільно намотаними, що гарантує їхню цілісність у ході подальших технологічних операцій, зберіганні та транспортуванні.

Третій розділ присвячено розробці математичної моделі намотувального пристрою, що враховує: в'язкопружні властивості намотуваного матеріалу; зміну моменту інерції рулону в процесі намотування; моменти опору; деформації матеріалу; тертя в опорах; складові динамічного моменту та взаємозв'язок електроприводів моталки та роликів через матеріал. Виконано також структурний та параметричний синтез запропонованих систем автоматичного керування натягом, що реалізують принципи програмного, інваріантного та адаптивного керування без виміру натягу намотувального матеріалу датчиками.

Математична модель намотувального пристрою, який широко застосовується в легкій та хімічній промисловості, розроблялась на основі розрахункової схеми намотувального пристрою (рис. 8), та його в'язкопружної моделі. Механічна частина намотувального пристрою складається з роликів подачі та моталки, на валу якої знаходиться товарний ролик з намотуваним матеріалом.

Моталка й ролики подачі, в загальному випадку, можуть мати індивідуальні електроприводи. Задачею електропривода роликів подачі є підтримка їх заданої кутової швидкості ?_? і відповідно постійної лінійної швидкості матеріалу V₂. Електропривод моталки створює необхідний натяг матеріалу F=N(r) bh, де b та h відповідно ширина та товщина намотувального матеріалу, м. Довжина матеріалу від роликів подачі і до рулону дорівнює L, м; V₁=w₁r₁ - лінійна швидкість матеріалу на поверхні рулону, м/с; ?₁ - кутова швидкість рулону, с^-1; r₁ - поточний радіус рулону, м; r₂ - радіус ролика подачі, м; r₁₀ - радіус товарного ролика, м; J₁, J₂ - відповідно моменти інерції моталки з рулоном та роликів подачі, кг·м²; М₁, М₂ - відповідно моменти електродвигунів моталки і роликів, Н·м; М_с1, М_с2 - відповідно статичні моменти опору моталки і роликів, Н·м; ц₁, ц₂ - відповідно кутові переміщення моталки та ролика подачі, рад. Намотуваний матеріал будемо розглядати, як пружність 2-го роду, що характеризується жорсткістю розтягування , коефіцієнтом в'язкого тертя m, розтягуванням і відносним подовженням матеріалу .

Базовим рівнянням математичної моделі є рівняння Лагранжа 2-го роду, що найбільш повно описує поведінку механічну частини намотувального пристрою

, (7)

де - кінетична енергія системи; - потенціальна енергія системи; - енергія дисипації (розсіювання) системи; - узагальнююча сила першої маси; - узагальнююча сила другої маси; q_i - узагальнена координата; і - кількість рівнянь системи; - узагальнена швидкість.

Диференційне рівняння, яке характеризує пружність 2-го роду, має вигляд

. (8)

За допомогою рівнянь (7) та (8) отримана система рівнянь в операторній формі, що описує поведінку механічної частини намотувального пристрою

. (9)

Найбільш поширеним видом електропривода намотувальних пристроїв, що використовуються в легкій промисловості є типова система «Керований силовий перетворювач - двигун постійного струму з незалежним збудженням». Керування електродвигуном здійснюється за рахунок зміни напруги якоря U при незмінному номінальному потоці збудження Ф_н. У цьому випадку електродвигун моталки описується наступною системою рівнянь в операторній формі

, (10)

аналогічно описується електродвигун роликів подачі

, (11)

де I₁, I₂ - струми обмоток якорів двигунів, А; с_еФ_н1, с_еФ_н2 - коефіцієнти ЕРС двигунів; Т_я1, Т_я2 - електромагнітні сталі часу двигунів, с; R_я1, R_я2 - електричні опори обмоток якорів двигунів, Ом; Е₁, Е₂ - ЕРС двигунів, В; U₁, U₂ - напруги живлення обмоток якорів двигунів, В.

На підставі рівнянь (9-11), а також типових систем підпорядкованого керування комплектних електроприводів моталки і роликів подачі запропоновано структурну модель намотувального пристрою взаємозалежної системи «Електропривод роликів подачі - матеріал - електропривод моталки», показану на рис. 10. Де позначено: ПЗМ - пристрій завдання моменту електропривода моталки; U_N* - сигнал заданого питомого натягу матеріалу; РШ1, РШ2 і РС1, РС2 - регулятори швидкості та регулятори струму електродвигунів моталки і роликів; П1, П2 - силові перетворювачі; Ф(V₁) - функціональний блок визначення радіуса рулону; ДС1, ДС2 - датчики струмів двигунів; ДШ1, ДШ2 - датчики кутових швидкостей двигунів; U_I1, U_I2 - сигнали датчиків струмів; U^*_I1, U^*_I2 - сигнали завдання регуляторів струмів; U_?1, U_?2 - сигнали датчиків швидкості двигунів.

Електропривод моталки містить контур регулювання струму якоря. Питомий натяг матеріалу N визначається сигналом U^*_N пристрою ПЗМ, який виробляє сигнал завдання контуру струму якоря U^*_I1. На підставі його регулюється струм якоря I₁ і відповідно момент двигуна М₁=c_eФ_н1I₁. У залежності від технологічних вимог заданий питомий натяг може змінюватися за визначеним законом, у тому числі й залежному від поточного радіуса рулону.

В умовах слабких натягів, а також при намотуванні тонких плівок, коли прямий вимір натягу практично неможливий, перспективними є системи непрямого керування натягом, у яких не застосовується датчик дійсного натягу матеріалу.

Проведено синтез різних видів таких систем, в яких реалізується програмне керування вищерозглянутих режимів намотування.

Для програмного керування розроблено програматор (пристрій завдання моменту ПЗМ) та алгоритм його функціонування, що виробляє протягом усього процесу рулонування програму зміни моменту електродвигуна моталки М₁ відповідно до закону намотування з урахуванням моментів збурень. Технічна новизна запропонованої системи підтверджена деклараційним патентом України.

Момент двигуна моталки відповідно до першого рівняння системи (9) може визначатися, як

(12)

і складається з корисного моменту натягу М_F=Fr₁, динамічного моменту М_d та статичного моменту М_с1. При цьому динамічний момент М_d і статичний момент М_с1 виступають як моменти збурень, що збільшують похибку між заданим N* та дійсним N питомим натягом ?N=N* - N.

Заданий корисний момент натягу становить

. (13)

Динамічний момент збурення дорівнює

, (14)

де перша складова M_d1 обумовлена створенням прискорення матеріалу в перехідних процесах, а друга M_d2 - збільшенням радіуса рулону . Момент інерції J₁ складається з незмінного моменту інерції електропривода J₀ та змінного моменту інерції рулона J_r

, (15)

де r???питома густина матеріалу, кг/м³.

Статичний момент збурення визначається моментами: тертя в опорах, аеродинамічного опору матеріалу, деформації матеріалу на вході в рулон (на рулоні).

Запропоновано рівняння для визначення моменту тертя в опорах

, (16)

де з - коефіцієнт тертя в опорах вала моталки; d - діаметр опор вала моталки, м; G₀ - вага вала моталки, кг; g = 9,8 м/с²; - кут намотування, рад; r_n - кінцевий радіус рулону, м; a₁=(0,25ч0,5) r_n, b₁=(0,2 ч 0,6) r_n - постійні моталки, м.

Запропоновано рівняння моменту аеродинамічного опору матеріалу при швидкісному намотуванні

, (17)

де r_п =1,22 кг/м³ - густина повітря; - критичний радіус, м;

- число Рейнольдса; D_max - кінцевий діаметр рулону, м; n_?=1,45*10^-5 м²/с???кінематична в'язкість повітря; ?_?=18,2*10^-6 Па·с???динамічна в'язкість повітря; R_z - шорсткість матеріалу, м.

Визначено момент деформації матеріалу на рулоні

. (18)

Лінійна швидкість матеріалу на вершині рулону визначається сигналом датчика кутової швидкості ролика подачі U_?2

, (19)

де k_w2 - коефіцієнт передачі датчика швидкості.

Радіус рулону знаходиться за значенням лінійної швидкості матеріалу з виразу

. (20)

Таким чином, на основі рівнянь (12) - (20) програматор розраховує необхідний момент електродвигуна М^*₁ та відповідний сигнал керування контуру струму електропривода моталки

. (21)

Функціональна схема програматора складається з таких блоків (рис. 11): Ф1 - визначення лінійної швидкості матеріалу відповідно до (19); Ф2 - обчислення радіуса рулону по (20); Ф3 - розрахунку заданого моменту натягу по (13); Ф4 - обчислення динамічного моменту по (14) і (15); Ф5 - обчислення моменту тертя в опорах по (16); Ф6 - обчислення моменту аеродинамічного опору матеріалу по (17); Ф7 - визначення моменту деформації на рулоні по (18); Ф8 - визначення заданого натягу відповідно до режиму намотування (для деяких законів намотування потрібно значення радіуса рулону, тому цей сигнал показаний пунктирною лінією); Ф9 - визначення сигналу керування електропривода моталки по (21).

У процесі намотування матеріалу в рулон виникає похибка між заданим і дійсним натягом, що складається з похибки ?N_з (похибки за завданням) відпрацьовування сигналу завдання електропривода моталки U^*_I1 та похибки ?N_м (похибки за збуренням), обумовленої дією моменту збурення М_з=М_d+М_с1.

Для компенсації похибки за збуренням розроблена інваріантна система програмного керування натягом із використанням принципу керування за збуренням. Технічна новизна представленого рішення підтверджена деклараційним патентом України.

Для підвищення точності керування натягом матеріалу без застосування датчика натягу розроблена система керування з еталонною моделлю об'єкта регулювання. Завдяки цьому реалізовано замкнутий контур регулювання натягу з відповідним регулятором, що забезпечує задану якість керування в статичному та динамічному режимах.

У четвертому розділі розроблено автоматизований стенд та комплекс вимірювальної апаратури для проведення експериментальних досліджень.

Розроблений автоматизований стенд включає наступні основні вузли: плівкопротяжний механізм, систему регулювання натягу при намотуванні, систему реєстрації зусилля натягу, систему вимірювання і реєстрації окружних та радіальних напружень, систему вимірювання кількості шарів та систему вимірювання довжини намотувального матеріалу.

Проведено експериментальні дослідження розроблених систем програмного керування натягом для розглянутих трьох режимів намотування: з постійним натягом, постійним намотувальним моментом та постійним залишковим окружним напруженням шарів рулону.

При дослідженнях використовувалася магнітна плівка, виготовлена на основі ПЕТФ плівки товщиною h=25·10^-6 м та шириною b=0,0508±10^-5 м. Лінійна швидкість намотування V₁=10±0,2 м/с, початковий радіус намотування був вибраний стандартним r₁₀=0,05 м.

При намотуванні в режимі постійного намотувального моменту, застосування в намотувальному обладнанні системи програмного керування натягом матеріалу з ПЗМ, який враховує моменти збурення, дозволяє зменшити в 3,63 рази середньоквадратичну відносну похибку натягу з 25,80% до 7,10%. Використання системи автоматичного керування з еталонною моделлю об'єкта дозволяє зменшити в 3,17 рази середньоквадратичну похибку натягу з 25,80% до 8,15%.

При намотуванні в режимі постійного залишкового окружного напруження застосування в намотувальному обладнанні системи програмного керування натягом матеріалу з ПЗМ, який враховує моменти збурення, дозволяє зменшити в 3,67 рази середньоквадратичну відносну похибку натягу з 15,40% до 4,20%. Використання системи автоматичного керування з еталонною моделлю об'єкта дозволяє зменшити в 4,52 рази середньоквадратичну похибку натягу з 15,40% до 3,40%.

У п'ятому розділі запропоновані рекомендації та вимоги до намотувальних пристроїв, які пов'язані: з режимом намотування; фізико-механічними властивостями матеріалів; радіусом товарного ролика; кінцевим радіусом намотування; зміною потужності електропривода під час процесу намотування.

При намотуванні матеріалів в режимах постійного питомого натягу та постійного намотувального моменту, прийнятна якість рулонирования матеріалів забезпечується в тому випадку, коли мінімуми відносних окружних напружень в прошарках мають додатні значення

. (22)

При намотуванні матеріалів в режимі постійного залишкового окружного напруження шарів _Q=₀=const обмежуючим фактором виступає залежне від радіуса рулону пікове значення питомого натягу матеріалу N(r) та межа пропорційності матеріалу _МП.

Висновки

1. Встановлено, що при намотуванні матеріалів, які не допускають значних натягів, доцільно застосовувати непрямі методи регулювання натягу.

2. Запропонована математична модель та метод чисельно-аналітичного рішення рівнянь напружено-деформованого стану матеріалу в рулоні не тільки для цілих, але і для дробових значень параметра анізотропії, що дозволяє зменшити похибку між заданим та дійсним значенням напружень в рулоні.

3. Розроблено математичну модель намотувального пристрою, що враховує: в'язкопружні властивості намотуваного матеріалу; зміну моменту інерції рулону в процесі намотування; моменти опору; деформації матеріалу; тертя в опорах; складові динамічного моменту та взаємозв'язок електроприводів роликів і моталки через матеріал для випадків формування рулону з постійним натягом, з постійним намотувальним моментом та режиму постійного залишкового окружного напруження прошарків.

4. Розроблена розрахована та впроваджена система програмного керування натягом та система керування натягом на основі принципу інваріантності.

5. Запропоновано пристрій завдання моменту для розроблених систем програмного керування натягом та алгоритм його функціонування.

6. Розроблена, розрахована та впроваджена система програмного керування натягом з еталонною моделлю об'єкта, яка дозволяє реалізувати замкнутий контур регулювання натягу матеріалу без використання датчика натягу.

7. Розроблено експериментальний стенд та комплекс вимірювальної апаратури для дослідження процесів намотування матеріалу в рулон з використанням запропонованих систем керування натягом.

8. Отримано експериментальні залежності натягу матеріалу, збурюючих моментів, окружних і радіальних напружень шарів рулону, що підтверджують основні теоретичні положення дисертації.

9. Встановлено, що при співпадаючому характері кривих максимальне відхилення між експериментальними та аналітичними значеннями окружних та радіальних напружень не перевищує:

- 14% для системи програмного керування натягом матеріалу з пристроєм завдання моменту, який враховує моменти збурення;

- 12,1% для системи автоматичного регулювання натягу з еталонною моделлю об'єкта.

10. Отримані та захищені патентами України технічні рішення, які забезпечують високу надійність намотувальних пристроїв, а також можливість впровадження розроблених систем автоматичного керування натягом матеріалу на діючих лініях без конструктивної зміни устаткування при високій якості керування.

11. Розроблені рекомендації та вимоги до пристроїв рулонування матеріалів легкої промисловості.

12. Розроблено пристрій для програмного керування натягом матеріалу в процесі намотування в рулон, що забезпечує підвищення якості рулонування за рахунок динамічної компенсації похибки керування, обумовленої дією моментів збурень (патент України №70226А, бюл. №9 від 15.09.2004 р.);

13. Розроблено пристрій для програмного керування натягом матеріалу в процесі намотування в рулон, що забезпечує підвищення якості рулонування завдяки компенсації дії моментів збурень (патент України №70861А, бюл. №10 від 15.10.2004 р.);

14. Результати дисертаційної роботи впроваджено у виробництво на Шосткінському ВАТ «НДІМНІ». Очікуваний річний економічний ефект від зниження собівартості на 9,5% складає 45 тис. грн. на одному технологічному агрегаті.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кострицький В.В., Кириченко Ю.О. Математична модель намотувального пристрою // Вісник КНУТД. - 2004. - №2. - С. 137-141.

2. Кострицький В.В., Кириченко Ю.О. Система програмного керування натягом матеріалу при змотуванні в рулон // Вісник ЖДТУ. - 2004. - №2. - С. 24-28.

3. Кириченко Ю.О. Математична модель напружено-деформованого стану рулонованого матеріалу // Вісник КНУТД. - 2004. - №3. - С. 56-60.

4. Кириченко Ю.О. Дослідження якості системи програмного керування натягом матеріалу // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - №5. - С. 116-120.

5. Кострицький В.В., Кириченко Ю.О., Артеменко Л.Ф. Дослідження напружено-деформованого стану рулонованого матеріалу // Вісник КНУТД. - 2004. - №5. - С. 12-16.

6. Пат. 70226А Україна, МКІ В65Н77/00. Пристрій для регулювання натягу матеріалу при змотуванні в рулон/ Кириченко Ю.О., Кострицький В.В., Островерхов М.Я., Теряєв В.І. - Опубл. 15.09.2004, Бюл. №9. - 4 с.

Размещено на Allbest.ru

...