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)院機械工程及自動化系，天津300160）摘要：詳細(xì)闡述了預(yù)浸料制備過程中纖維紗筒開卷、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)行實踐與驗證。在纖維開卷過程中，研制出的“比例電磁鐵-機械制動裝置”調(diào)節(jié)和控制開卷張力，為實現(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-機械制動裝置”的原理。在預(yù)浸料收卷過程中，采用三軸擺式松緊架裝置，以線速度跟隨控制和卷徑補償控制，實現(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：開卷與收卷非線性；時變數(shù)學(xué)模型；比例電磁鐵-機械制動裝置；增益調(diào)度中圖分類號：V261.94文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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，必須解決好恒張力卷繞問題，否則將帶來預(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，也會損傷纖維。采用三軸擺式松緊架方便可靠地解決了這個問題。由于多軸筒纖維開卷和預(yù)浸料收卷合理地解決了張力控制這個主要矛盾，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纖維紗筒開卷張力控制系統(tǒng)預(yù)浸料的制備對筒紗纖維開卷張力恒定的要求比較嚴(yán)格。研制的預(yù)浸料制備設(shè)備的每個筒紗都構(gòu)成一個獨立的張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由纖維筒紗、比例電磁鐵-機械制動裝置、張力傳感器和控制電路組成。!.!工作原理纖維筒紗的開卷屬于被動運動，對筒紗施加一定的制動力矩，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，要求制動力矩能夠自動連

4、續(xù)調(diào)節(jié)。研制的“比例電磁鐵-機械制動裝置”成功地實現(xiàn)了纖維張力恒定。比例電磁鐵-機械制動裝置示意圖如圖1。圖中：f—摩擦力，F(xiàn)—比例電磁鐵推力，P—正壓力，!—摩擦塊與摩擦盤摩擦系數(shù)，Mz—制動力矩。力矩平衡方程式：收稿日期：2000-02-29；修訂日期：2000-03-30作者簡介：高殿斌（1945-），男，副教授50航空材料學(xué)報第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。制動力矩：Mz=frI=F（a/6）｛!［/I-!（c/6）］｝rI=KI·F·rI式中KI—常數(shù)，rI—摩擦盤半徑。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—筒紗瞬時半徑。如果不考慮動態(tài)力矩和其他阻力矩時，近似有：MT=Mz，T·r=KI·F·rI。工藝上要求粗紗張力T為恒定值，隨粗紗開卷過程的進(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)生的推力與行程無關(guān)。比例電磁鐵制動的推力特性如圖2所示。這種特性正是纖維開卷所需要的。圖I比例電磁鐵-機械制動裝置示意圖圖2比例電磁鐵推力特性Fig.ITheSketchmapoftheratioeletro-Fig.2ThethruStSpecificpropertymagnet-mechanicalreStrainingdeviceoftheratioelectromagnet!."筒紗開卷張力數(shù)學(xué)模型為了對筒紗開卷張力控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計，首先建立筒紗開卷過程的數(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—筒紗開卷張力；h—筒紗高度；cz—筒紗承托機構(gòu)及制動輪的轉(zhuǎn)動慣量；S—纖維轉(zhuǎn)動慣量；I0—筒紗芯軸轉(zhuǎn)動慣量；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—筒紗開卷角速度；Mz—制動力矩。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)。上述各式是開卷過程的纖維數(shù)學(xué)模型。由于筒紗半徑r隨時間變化，轉(zhuǎn)動慣量]s也隨時間變化。數(shù)學(xué)模型中還