Устройство для регулирования натяжения длинномерного материала Советский патент 1991 года по МПК B65H77/00 B65H23/185 

Изобретение относится к средствам регулирования натяжения материала и может быть использовано на размоточных машинах.

Цель изобретения - повышение точности регулирования за счет учета текущего диаметра рулона.

На фиг. 1 дана принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - структурная схема контура регулирования.

Устройство содержит рулонную установку 1 с рулоном 2, намотанным на держатель (не показан), лентопроводящий валик 3, рычажный датчик натяжения материала, выполненный в виде амортизационного валика 4, закрепленного на двух рычагах подвески 5, нагружатель 6 амортизационного валика в виде двух пневмоприводов одностороннего действия, штоки которых шар- нирно соединены с рычагами подвески 5, размоточный 7 и приводной 8 редукторы, электродвигатель 9, приводящий через ре;

дуктор 8 тянущие цилиндры 10, гидростатическую передачу 11, включающую гидронасос 12, соединенный через приводной редуктор 8 с электродвигателем 9 и тянущими цилиндрами 10, в корпусе которого смонтированы предохранительные клапаны 13, гидродвигатель 14, соединенный через размоточный редуктор 7 с осью рулона 2, в корпусе которого установлены регулирующая шайба 15, подпиточные клапаны 16, подпиточные клапаны 16, подпиточный насос 17 с переливным клапаном 18, ротор которого кинематически соединен с ротором гидродвигателя, а выход насоса - с под- питочными клапанами, датчик диаметра рулона, состоящий из рычага с роликом 19, прижимного пневмопривода 20 и тяги 21, измеритель, содержащий одноплечий рычаг, закрепленный на оси качания амортизационного валика 4 и выполненный в виде кулисы 22, тягу 23, шарнирно соединенную с кулисой 22, корректор коэффициента усиО

N о ю

vj

ь

ления, состоящий из двуплечего рычага 24, свободно установленного на оси качания рычагов подвески 5 амортизационного валика 4 и шарнирно соединенного посредством двух звеньев 25 и 26 с тягами 21 и 23, рычажный сумматор, состоящий из суммирующего рычага 27, верхнее плечо которого шарнирно соединено с тягой 21 и звеном 25, а нижнее - с тягой 23, гидродемпфер 28 высокочастотных колебаний измерительного рычага с роликом 19 и амортизационного валика 4, состоящий из неподвижного гидроцилиндра 29, полости которого через регулируемый дроссель 30 сообщены между собой, и двухштокового поршня 31, на одном штоке которого закреплена направляющая рамка 32 с пружинами 33 и 34 и ползуном 35, на котором шарнирно закреплен суммирующий рычаг 27, неподвижная гильза 36 и плунжер 37.

Гидропривод регулирующей шайбы 15 гидродвигателя 14 состоит из двух поршневых приводов 38 и 39 одностороннего действия, штоки которых через поводки 40 шарнирно соединены с шайбой 15 и системой рычагов 41-44. Шток гидрораспределителя соединен с подпиточным насосом 17, а выход - с поршневыми приводами 38 и 39. Кроме того, указанный шток через систему рычагов 41-44 связан с вторым штоком гидродемпфера 28 и шайбой 15. Элементы 36- 44 установлены в корпусе регулируемого гидродвигателя 14.

Устройство работает следующим образом.

При включении электродвигателя 9 тянущие цилиндры 10 подают разматываемый материал со скоростью Уц, сообщая рулону 2 частоту вращения Шр VP/R, где Vp /ц -AZ, Vp - окружная скорость рулона; Z - скорость перемещения оси вращения амортизационного валика 4; А COS a + COS Да и/3- углы между ветвями разматываемого Mafepnana, охватывающими амортизационный валик, и осью Z, вдоль которой он перемещается; R - радиус рулона.

Разматывание рулона осуществляется под воздействием движущего момента R, где F - натяжение материала, определяемое .уравнением F (N+rnaZ) /A,ma- масса амортизационного валика, приведенная к оси Z; Z - ускорение перемещения валика; N - сила, создаваемая двумя нагру- жателями 6, приведенная к оси Z и зависящая от давления воздуха в цилиндре нагружателя. Гидродвигатель 14, приводимый во вращение рулоном 2 через ра|моточ- ный редуктор 7, работая в насосном

режиме, подает рабочую жидкость к гидронасосу 12, который, работая в двигательном режиме, рекуперирует энергию, затраченную на привод рулона, через приводной редуктор 8 электродвигателю 9.

В переходных режимах работы устройства (разгоне или торможении) на оси рулона возникает инерционный момент Mu le, где I -момент инерции рулона и всех элементов устройства, кинематически связанных с ним; е - угловое ускорение рулона. При быстром разгоне рулона с начальной массой инерционный момент может быть значительным и требуемый режим разгона

можно обеспечить только путем приложения к оси рулона наряду с постоянно действующим движущим моментом М F R дополнительного движущего момента. В предлагаемом устройстве это становится

возможным благодаря обратимости гидронасоса 12 и гидродвигателя 14.

В процессе разматывания рулона вследствие уменьшения его радиуса окружная скорость Vp также уменьшается, что

при неизменной скорости подачи материала /ц тянущими цилиндрами 10 приводит к выработке материала, запасенного в петле амортизационного валика 4, и отклонению его вправо для обеспечения постоянного иоходного положения валика при любом радиусе рулона, т.е. для достижения инвариантности его координаты Z по отношению к возмущающему воздействию R. Рычаг с роликом 19, прижимаемый посредством

пневмопривода 20 к поверхности рулона 2, постоянно контролирует его радиус и информацию о его величине через тягу 21, суммирующий рычаг 27, поворачивающийся вокруг шарнира Oi против часовой стрелки,

ползун 35, пружину 33 и шток гидродемпфера передает через рычаги 41-43 на плунжер 37 гидрораспределителя, смещая его вправо. Рабочая жидкость, подаваемая подпиточным насосом 17 к гильзе 36 гидрораспределителя, через ее окна поступает в цилиндр привода 38, а из цилиндра привода 39 идет на слив, в результате чего регулирующая шайба 15 поворачивается в сторону ее нейтрального положения (на фиг.1 по часовой стрелке). Уменьшение текущей величины рабочего объема гидродвигателя 14 вызывает увеличение частоты вращения ротора, так как гидростатическая передача 11 в данной схеме работает в режиме постоянного расхода Q )ft,

где Wg, WH - характерные объемы гидронасоса 12 и гидродвигателя 14; амол - частоты вращения их роторов. Увеличение частоты вращения гидродвигателя 14 вызывает увеличение окружной скорости Vp рулона 2, благодаря чему равенство скоростей Vp и Уц восстанавливается, а валик 4 возвращается в исходное положение. Одновременно при повороте шайбы 15 ее движение через рычаг 44 сообщается рычагу 43. который, поворачиваясь против часовой стрелки относительно шарнира 02 перемещает плунжер 37 гидрораспределителя влево, т.е. в направлении, обратном первоначальному, возвращая его в нейтральное положение. Вследствие этого поворот шайбы 15 прекращается. Таким образом, любому текущему значению радиуса рулона 2 соответствует определенное положение шайбы 15 и, следовательно, частота вращения рулона 2. Погрешность отработки возмущающего воздействия R, а также другие возмущения, действующие на устройство (динамический момент на оси рулона, изменение давления воздуха в нагружателе 6 и др.), отрабатываются каналом регулирования по отклонению регулируемой величины - координаты амортизационного валика Z. Измерительным элементом в этом канале регулирования является амортизационный валик 4 с рычагами подвески 5. При неравенстве скоростей Vp и V4, вызванном данными возмущающими воздействиями, рычаг подвески 5 и его нижнее плечо - кулиса 22 отклоняются и через тягу 23 поворачивают относительно оси Оз суммирующий рычаг 27 в направлении часовой стрелки, если Vp VM. и наоборот. Перемещение ползуна 35 через пружичы 33 и 34 сообщается поршню 31 гидродемпфера, который через систему рычагов 41, 42 и 43 перемещает плунжер 37 гидрораспределителя, управляющего гидроприводом шайбы 15.

Из-за неправильности формы рулона (например, эллипсности) или эксцентриситета его оси вращения измерительный рычаг с роликом 19 наряду с медленным поворотом при отслеживании изменяющегося радиуса рулона совершает высокочастотные колебания с малой амплитудой. Такие же колебания совершает и амортизационный валик 4 с рычагами подвески 5. Сообщение этих колебаний плунжеру 37 нежелательно, поскольку вызывает колебания шайбы 15, следствием которых могут быть значительные колебания давления жидкости в гидростатической передаче. Для устра- нения этих колебаний в устройстве предусмотрен гидродемпфер 28, динамические свойства которого соответствуют апериодическому звену 1-го порядка. Его уравнение (),

где V- перемещение ползуна 35;

X - перемещение поршня с рамкой; С - жесткость пружин 33 и 34; Од коэффициент линейного сопротивления дросселя 30.

Передаточная функция имеет вид

-щ

где

а частотная характеристика определится

формулой W() р(сОв),

УУ

где/о(сйв) 1/V1+T д СУ в, р -arctg , WB частота внешнего периодического

воздействия. Если это воздействие обусловлено эксцентриситетом оси вращения рулона, тогда его частота совпадает с частотой вращения рулона С увеличением частоты вращения рулона эффективность гидродемпфера как фильтра высокочастотных колебаний возрастает.

Корректор коэффициента, усиления предназначен для уменьшения коэффициента усиления в процессе разматывания рулона пропорционально его радиусу Это необходимо для обеспечения устойчивости системы регулирования во всем интервале изменения радиуса и массы рулона. При разматывании рулона измерительный рычаг

с роликом 19 посредством тяги 21 и звена 25 постепенно поворачивает двуплечий рычаг 24 вокруг оси 04 против часовой стрелки, что вызывает поворот тяги 23 вокруг оси От под воздействием звена 26 в том же направлении, в результате чего уменьшается плечо h кулисы 22, а следовательно, и коэффициент усиления рассматриваемого канала.

Динамические свойства устройства, представляющего собой комбинированную

автоматическую систему, в соответствии со схемой на фиг. 2 описываются системой уравнений

zO) 0) -Л1(5)Л/НР,

ipIWHP F-R-H(s)ft)p-Mf, maS2Z AF-N,

ASZ VU-VP,

W KRR-KZ-ZR),

где

jr(s)r(1 + TnS),Tn u/r, Н(з)0(1+Тн5),

r 2,K 2 Ky + Ккл + 2КП

v V/2EWS. I IP +1ь, iz Wfl/WH, ip а)н/а)р,

Vp 0)pR, Vq ,

A cosa + co%3, iu ш/Юц,

Krn

(ТгпЗ-МХТдЗ + 1)

,Krrr - 1/Ko.c.

1

Тгп гё7 Тд 0д/с

KR Ко с/Ян, Kz ty Ко с /Рн2Макс

Приняты обозначения:

л(з),Н(5) - операторы потерь и нагрузки:

Тп.Тн - постоянные времени операторов, с;

г,и- коэффициенты статической и динамической податливостей гидропривода;

К 2 приведенный коэффициент утечек и перетечек;

Ку, Кп, К™ - коэффициенты утечек, пере- -течек и расхода подпитки;

V - объем полостей гидростатической передачи, м3;

WH, Wg - характерные объемы гидропривода 14 и гидронасоса 12, м3/рад;

а)н,(о- частоты вращений роторов, рад/с;

(Ор,а)ц- частоты вращений рулона и тянущих цилиндров, рад/с;

ir гидравлическое передаточное отношение;

1р, 1ц - передаточные отношения между осью рулона 2 и ротором гидропривода 14 и между тянущими цилиндрами 10 и ротором гидронасоса 12;

Vp,V4 - окружные скорости рулона 2 и тянущих цилиндров 10, м/с:

RH.RU - начальный радиус рулона 2 и радиус тянущего цилиндра 10, м;

R - текущий радиус рулона 2, м;

afi - углы наклона ветвей разматываемой ленты, охватывающей амортизационные валик 4, к линии его перемещения, рад;

та- масса амортизационного валика 4. кг;

IP - момент инерции рулона 2, КРМ ,

U -момент инерции ротора гидропривода 14 и лентоприводящих валиков 3, приведенный к оси рулона 2, кгм ;

О- коэффициент линейного сопротивления вращения ротора гидропривода 14, Ямс;

{- безразмерный параметр управления гидро двигателя 14;

F - натяжение разматываемого материала, Н;

N - усилие нагружателя б, приведенное к оси движения амортизационного валика 4, Н;

Р - давление в гидросистеме, Па;

Mt - возмущающий момент на оси рулона 2, Н м;

Z- перемещение амортизационного валика 4, м;

Е- модуль объемной упругости рабочей жидкости, Па;

W(S)- передаточная функция гидродемпфера 28 и гидропривода шайбы 15с штоком;

Тгп.Тд - постоянные времени гидропри- вода шайбы 15 и гидродемпфера 28, с;

Ко.с. - коэффициент обратной связи гидропривода шайбы 15, м;

Km - коэффициент передачи гидропривода шайбы 15, м;

ZMSKC - максимальное перемещение амортизационного валика 4, м;

KR, RZ- коэффициенты передач измерительных элементов;

ij) коэффициент относительной эффек- тивности канала регулирования по отклонению.

Условие инвариантности, т.е. независимости параметра 2 от радиуса рулона R и устойчивости контура регулирования по от- клонению

1в5м|2. lrRHC

-I

Это равенство справедливо, если параметр Сформируется по закону Ј. -б. а

Кн

передаточное отношение 1Ц выбрано из условия

I.

1в5м

Ц | р гКц

Условия устойчивости контура регулирования по отклонению определяют границей устойчивости ty f(R) ai34

IT/ - а2аЗ

a

„ a0

где a iplru RH

максл

ai 0r + iSfc

40

32 Тд(вг + ip{) + T(| + Дг-Ша) + ©V,

K- аз TA(I + §ma) + Тд z(l + Йгпв) + GV,

45

R2

()

Благодаря коррекции коэффициента усиления по отклонению значение коэффи- цента if) практически не зависит от изменения радиуса и массы рулона.

Присоединение гидродвигателя к рулону, а насоса к приводу тянущих цилиндров позволяет обеспечить оптимальный режим работы гидростатической передачи, отличающийся постоянством расхода и давления рабочей жидкости на всем диапазоне изменения радиуса рулона и стабильностью еэ механических характеристик - передававмой мощности и КПД. Кроме того, такая схема присоединения позволяет увеличить коэффициент относительно эффективности канала регулирования по отклонению VF. Формула изобретения 1. Устройство для регулирования натяжений длинномерного материала, содержащее регулирующую шайбу с гидроприводом, размещенные по ходу движения материала разматываемый рулон, держатель которого через редуктор связан с гидродвигателем, рычажный датчик натяжения материала с амортизационным валиком, кинематически связанный с нагружающим механизмом и регулятором натяжения материала, и тянущие цилиндры, соединенные через редуктор с приводом и гидронасосом, последовательно связанным через гидролинии с гидродвигателем, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности регулирования за счет учета текущего диаметра разматываемого рулона, оно снабжено гидрораспределителем, рычажным датчиком диаметра рулона с нагружающим

0

5

0

5

механизмом, регулирующая шайба установлена на гидродвигателе, а регулятор натяжения материала выполнен в виде последовательно соединенных рычажного сумматора и гидродемпфера, поршень которого кинематически связан с управляющим штоком гидрораспределителя, причем рычажный датчик диаметра рулона жестко соединен с первым входом рычажного сумматора, второй вход которого кинематически связан с рычагом датчика натяжения материала, а регулирующая шайба имеет кинематическую обратную связь с управляющим штоком гидрораспределителя, прямой и инверсный выходы которого соединены с соответствующими входами гидропривода регулирующей шайбы.

2. Устройство по п.1, отличающее- с я тем, что оно имеет подпиточный насос, ротор которого кинематически связан с ротором гидродвигателя, а его выход через гидролинию соединен с входом гидрораспределителя.

Изобретение относится к средствам регулирования натяжения материала и может быть использовано на размоточных машинах. Целью изобретения является повышение точности регулирования за счет учета текущего диаметра рулона. Характерной особенностью устройства является суммирование, в рычажном сумматоре суммируют показания датчиков диаметра разматываемого рулона и натяжения материала с последующим регулированием скорости гидродвигателя разматываемого рулона. Для этого гидродвигатель снабжен регулирующей шайбой, связанной с гидрораспределителем, управляющий ток которого механически соединен через гидродемпфер с рычажным сумматором, а регулирующая шайба имеет обратную связь с штоком гидрораспределителя. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

11

10

H

J

WO

IP TO

Lrd)

b)n

N

I/A

R

mo.s

tot

5

LrU K«

v

Фиг 2