基于液壓比例閥的卷紙機(jī)控制方法

王孝聰　黃慧春　王　瑩　王澤文

(上海第二工業(yè)大學(xué),上海,201209)

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·卷紙機(jī)·

基于液壓比例閥的卷紙機(jī)控制方法

王孝聰黃慧春王瑩王澤文

(上海第二工業(yè)大學(xué),上海,201209)

對(duì)改進(jìn)后卷紙機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓加壓過程進(jìn)行了分析并建立了數(shù)學(xué)模型,以便用PLC對(duì)在卷的紙卷進(jìn)行恒線壓控制。通過在初級(jí)臂、次級(jí)臂轉(zhuǎn)動(dòng)處各安裝上角位移傳感器以分別獲得一個(gè)角度值,再將此角度值信號(hào)輸入到PLC,PLC依據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算,給比例減壓閥一個(gè)控制信號(hào),分別控制支承油缸的壓力值、次級(jí)臂油缸有桿腔的壓力值,使之隨動(dòng)變化,使得卷紙輥線壓力恒定不變,以確保卷紙不起皺,保證卷紙質(zhì)量。

初級(jí)臂；次級(jí)臂；恒線壓控制

針對(duì)目前造紙行業(yè)中紙機(jī)的速度越來越快,門幅越來越寬的發(fā)展趨勢,卷紙機(jī)上的許多控制方法也隨之改變。初級(jí)臂和次級(jí)臂傳統(tǒng)控制方法采用同步軸配以手動(dòng)壓力閥來控制其卷紙輥卷紙的線壓力,但在換卷或卷紙過程中由于初級(jí)臂和次級(jí)臂機(jī)械臂角度的變化使得其線壓力無法根據(jù)卷紙要求而跟隨變化,造成紙卷起皺、松緊度不均勻、喇叭形的問題，影響卷紙質(zhì)量,有時(shí)需要不停地人工調(diào)節(jié)壓力,難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制[1]。本課題對(duì)改進(jìn)后卷紙機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓原理、加壓過程進(jìn)行了分析并建立了數(shù)學(xué)模型，以便通過PLC對(duì)在卷的紙卷進(jìn)行恒線壓控制。

1　卷紙機(jī)工作原理簡介

圖1所示為卷紙機(jī)工作原理圖。由圖1可知,卷紙機(jī)次級(jí)臂的主要作用是將卷紙輥緊緊地壓在卷紙缸上[2],由卷紙缸作為主動(dòng)輪帶動(dòng)卷有紙的卷紙輥旋轉(zhuǎn)從而完成卷紙。由于紙機(jī)工作的連續(xù)性,當(dāng)紙卷卷到足夠大時(shí)必須換卷。之前由取輥臂在輥庫中取下的空卷紙輥,放入初級(jí)臂的鎖鉤內(nèi),并由壓臂壓緊。此時(shí)，首先由助動(dòng)氣缸推動(dòng)助動(dòng)輪壓在卷紙輥上，通過橡膠輪(這部分設(shè)備圖1中未表示)的摩擦，帶動(dòng)空卷紙輥(簡稱空輥)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)空輥與卷紙缸線速度相同時(shí)換卷?xiàng)l件滿足。初級(jí)臂帶動(dòng)空輥轉(zhuǎn)過25°左右到達(dá)換卷位(圖2(b)位置),調(diào)節(jié)初級(jí)臂上的支承油缸壓力降低至某值,空輥與卷紙缸接觸并產(chǎn)生一定的線壓,通過換卷裝置將紙切斷后引到空輥上。此時(shí)次級(jí)臂迅速將已卷好的紙卷推出,初級(jí)臂繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將換好卷的卷紙輥放到水平軌道上(圖2(c)位置)。次級(jí)臂再迅速返回壓住卷紙輥并給予卷紙所需的線壓力,支承油缸壓力值降為零、壓臂和鎖鉤打開,初級(jí)臂返回準(zhǔn)備位、同時(shí)支承油缸和鎖鉤復(fù)位,并由取輥臂再從輥庫中取下一根空輥放入初級(jí)臂的鎖鉤內(nèi),壓臂壓住空輥為下一次換卷做準(zhǔn)備,換卷過程結(jié)束。接下來次級(jí)臂一直陪伴著紙卷直到其卷到一定直徑后再換卷,這一過程中紙卷與卷紙缸之間一直應(yīng)保持恒定的線壓以確保紙卷的松緊度合理。

圖1　卷紙機(jī)工作原理圖

圖2　初級(jí)臂換卷示意圖

圖3　初級(jí)臂換卷分析圖

2　初級(jí)臂恒線壓控制計(jì)算與分析

初級(jí)臂作為卷紙機(jī)換卷的準(zhǔn)備機(jī)構(gòu)在卷紙機(jī)中是不可或缺的部分,現(xiàn)在用一種較常用的結(jié)構(gòu)來說明其換卷時(shí)的工藝過程和數(shù)學(xué)計(jì)算方法。

圖2為初級(jí)臂換卷示意圖,圖2(a)為換卷準(zhǔn)備位置,卷紙輥與卷紙缸不接觸；圖2(b)為換卷位置,卷紙輥與卷紙缸接觸,由壓臂壓力和卷紙輥的自身質(zhì)量使得卷紙輥與卷紙缸之間形成一定的線壓力,初級(jí)臂在此位置換卷完成后應(yīng)立即旋轉(zhuǎn)65°放到水平軌道上去,如圖2(c)位置,以便能夠正常工作將紙卷大。由于重力因素卷紙輥旋轉(zhuǎn)時(shí)其位置變化引起作用在卷紙缸上的重力分力的變化,從而影響紙卷質(zhì)量,本課題采用支承油缸來控制卷紙輥重力變化,從而達(dá)到這一動(dòng)態(tài)過程中的線壓力恒定。

初級(jí)臂換卷線壓力的受力分析如圖3所示,卷紙輥在圖3(a)位置時(shí)其受力為重力GM,兩端支承油缸力FZ,兩端壓臂力FA,卷紙輥懸空在卷紙缸上(二者沒有接觸)；卷紙輥在圖3(b)位置時(shí)為換卷位置,卷紙缸與卷紙輥接觸,接觸面的受力為重力GM的分力FG(兩者之間夾角為θ),兩端支承油缸力FZ,兩端壓臂力FA,卷紙缸反作用力FM,卷紙輥懸浮在卷紙缸上。待卷紙輥轉(zhuǎn)到水平位置時(shí),如圖3(c)位置,此時(shí)作用在缸面上的重力分力全部消失。

現(xiàn)分析卷紙輥中θ從25°(換卷位置)到90°(水平位置)的過程中FM的受力情況,并采用支承油缸內(nèi)的壓力變化來改變FZ,從而來保證FM的恒定以保證其對(duì)應(yīng)的線壓力的恒定。

如圖3(b)所示,切點(diǎn)處法向合力為零,則：

(1)

所以FA+FG=FZ+FM

(2)

式中,FA為預(yù)置兩端壓臂力(N)；FZ為兩端支承油缸力(N)；FG為重力GM的分力(N)；FM為卷紙缸反作用力(N)。

則FZ=FA+GMcosθ-FM

(3)

設(shè)支承油缸的缸徑為D,活塞面積為A1,支承油缸壓力P初由公式(4)計(jì)算。

(4)

(5)

式中,W為卷紙輥寬度；FL1為卷紙輥線壓力。

將公式(5)代入公式(4)中得到公式(6)。

(6)

式中,FL1為設(shè)定線壓力。

由上述公式可知,只要在初級(jí)臂轉(zhuǎn)動(dòng)處安裝上角位移傳感器以獲得θ值[3],將此角位移θ值的電信號(hào)輸入到PLC,PLC根據(jù)上述公式進(jìn)行運(yùn)算后給液壓比例閥一個(gè)控制信號(hào),控制支承油缸的壓力值P初,使之隨動(dòng)變化,就可使得FL1恒定不變,以確保紙卷不起皺。

3　次級(jí)臂恒線壓控制計(jì)算與分析

圖4為次級(jí)臂受力分析示意圖。在卷紙過程中,隨著卷紙直徑的增大,要求卷紙輥緊貼卷紙缸的水平力恒定,即卷紙輥線壓力恒定,此力由次級(jí)臂有桿腔油缸壓力P次來控制,紙卷變大使得次級(jí)臂圍繞其支點(diǎn)擺動(dòng)產(chǎn)生角位移α變化。

圖4　次級(jí)臂受力分析

次級(jí)臂油缸壓力P次與次級(jí)臂擺動(dòng)角度α之間的關(guān)系分析如下。

圖4中,OA為次級(jí)臂長度,O點(diǎn)為次級(jí)臂擺動(dòng)支點(diǎn),O1為油缸鉸接點(diǎn),B為油缸活塞桿與次級(jí)臂連接點(diǎn),次級(jí)臂頂端上安裝一小滾輪與卷紙輥頭部接觸,其作用力為FN。

設(shè)次級(jí)臂小滾輪與卷紙輥相切,其切點(diǎn)處受力為FN,水平方向力為FX1,其水平方向合力為零,則：

FX1-FNcosβ=0

(7)

將cosβ=sinα代入公式(7),整理得：

(8)

對(duì)于次級(jí)臂擺桿,受力分析如下：

設(shè)OA=L,OB=a,OO1=b,垂直于次級(jí)臂的油缸拉力的分力為FYZ,次級(jí)臂的油缸拉力為FYG,FYZ力與FYG力的夾角為θ,則：

(9)

FN·L-FYZ·a=0

(10)

(11)

(12)

如圖4所示,在△O1BO中,

(13)

式中,α0為兩支點(diǎn)連線與地面的夾角；α為次級(jí)臂與地面的夾角。

因?yàn)镺O1=b,OB=a；

依托知名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，師資力量雄厚，后續(xù)力量足。這一點(diǎn)對(duì)于“體育舞蹈圈”接下來的發(fā)展與定位具有重要的作用，有了這部分的資源，該公眾號(hào)才有能力實(shí)現(xiàn)更多專業(yè)性功能的開發(fā)，繼而為訂閱群體進(jìn)一步推送優(yōu)質(zhì)且權(quán)威的內(nèi)容等后續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障，從而獲得大眾的信任和教學(xué)口碑，形成用戶使用與關(guān)注的黏性。

(14)

(15)

將公式(8)、公式(15)代入公式(12),得：

(16)

(17)

式中,W為卷紙輥寬度(mm)；FL1為卷紙輥線壓力(N/mm)。

將公式(17)代入公式(16)中,得：

(18)

次級(jí)臂油缸壓力P次為：

(19)

式中,A2為次級(jí)臂油缸有桿腔面積；D為次級(jí)臂油缸缸徑；d為次級(jí)臂油缸活塞桿直徑。

將公式(18)代入公式(19)中：

實(shí)際生產(chǎn)中,公式中α角度是變量,α在73°～106°范圍中變化；式中α0、L、a、b都是常量。

由上述公式可知,只要在次級(jí)臂轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)處安裝上角位移傳感器以獲得α值,將此角位移α值的電信號(hào)輸入到PLC,PLC根據(jù)上述公式進(jìn)行運(yùn)算后給液壓比例閥一個(gè)控制信號(hào),控制次級(jí)臂油缸有桿腔的壓力值P次,使之隨動(dòng)變化,就可使得卷紙輥線壓力FL1恒定不變,以確保卷紙質(zhì)量[4]。

4　結(jié)　語

綜上所述,要想達(dá)到卷紙輥與卷紙缸之間的線壓力恒定,可采用角位移傳感器、伺服閥或比例壓力閥作為整個(gè)控制系統(tǒng)的檢測元件和控制對(duì)象,再由PLC應(yīng)用PID控制模式對(duì)相應(yīng)的液壓缸壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,從而達(dá)到較好的卷紙效果,對(duì)初級(jí)臂的恒線壓控制可使得紙卷起圈時(shí)打底平整度提高,降低損紙率,提高產(chǎn)量。雖然每臺(tái)卷紙機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓缸安裝位置有所差異,所生產(chǎn)的紙品也各不相同,其控制的壓力值仍可以根據(jù)上述公式得到,但要根據(jù)紙種和紙品的定量對(duì)初設(shè)的線壓力作相應(yīng)的調(diào)整以便取得較好的卷紙效果。

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[4]ZHAO Bo. Application of hydraulic in high speed reel[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2006(3)： 17.

(責(zé)任編輯：馬忻)

Control Method for Paper Reeling Machine Based on Hydraulic Proportional Valve

WANG Xiao-cong*HUANG Hui-chunWANG YingWANG Ze-wen

(ShanghaiSecondPolytechnicUniversity,Shanghai, 201209)

(*E-mail: xcwang@sspu.edu.cn)

This paper analyzed the mechanical structure of an improved paper reeler and hydraulic pressing process. The mathematical model was established in order to use PLC controlling paper roll with constant linear pressure in the reeling process. Angle values were measured by angular displacement sensors which were installed on the rotating positions of primary arm and secondary arm, respectively. Then the angle value signals were input to the PLC and processed based on the mathematical model, the control signals were sent to the proportional valves. The support cylinder pressure value and the pressure value of the chamber with rod in secondary arm cylinder were controlled accordingly. This method made the paper reel pressure constant therefore to ensure the paper quality without wrinkling.

primary arm； secondary arm； constant linear pressure

王孝聰先生,高級(jí)工程師；主要研究方向：造紙機(jī)械的液壓比例控制。

2016- 02-22(修改稿)

TH137

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.06.013