Устройство для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов

Полезная модель относится к области исследования и проектирования автоматизированных разрывных машин, обеспечивающих контроль физико-механических параметров и управление деформационными свойствами волокнистых материалов в текстильных производствах и производствах синтетических волокон и нитей, и может быть использовано в других областях промышленности, где требуется определение деформационных свойств.
Известно устройство для испытания нити при одноосном растяжении, характеризующееся тем, что содержит установленные на жесткой раме одноточечный концевой тензометрический датчик, шаговый двигатель, блок питания и драйвер к шаговому двигателю, плату микроконтроллера, выполненное с возможностью реализации натяжения нити путем наматывания на вращающийся вал шагового двигателя [Денисов А.Р., Уткин Д.В., Денисова О.И. Портативная разрывная машина для испытания нити при одноосном растяжении. Патент RU 2612949 С. Публикация 2017-03-14].
Недостатком устройства является несовершенство единого непрерывного процесса контроля и управления деформационными свойствами исследуемого волокнистого материала.
Задачей является разработка оптимальной автоматизированной системы управления процессом исследования физико-механических параметров различных видов волокнистых материалов.
Технический результат - повышение точности исследования физико-механических свойств волокнистых материалов за счет совершенствования системы управления скоростными режимами, обеспечивающими получение разрывных, цикловых и полуцикловых характеристик, а также высоких показателей качества системы.
Указанный результат достигается тем, что устройство для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов содержит электропривод подачи волокнистого материала в зону растяжения, транспортирующий продукт к тянульным валикам, вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания скоростного режима в зоне деформации, состоящий из цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход соединен с выходом датчика частоты вращения, третий вход соединен с выходом датчика частоты вращения электропривода наматывающего устройства, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, и кинематически - через тянульный вал с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика натяжения волокнистого материала, вход которого установлен в зоне разрыва (свободной зоне), а выход формирует скоростной режим, обеспечивающий либо заданное натяжение, либо разрыв волокнистого материала, электропривод наматывающего устройства, вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания, обеспечивающий заданный скоростной режим наматывания, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со входом последовательно соединенных усилителя мощности, двигателя постоянного тока и редуктора, выходной вал которого кинематически соединен с приемным валом наматывающего устройства, выход которого через волокнистый материал связан с первым входом суммирующего устройства, на второй вход которого поступает результирующая составляющая скоростного режима от электропривода подачи волокнистого материала в зону растяжения, обеспечивающих заданную вытяжку волокнистого материала и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления автоматизированными электроприводами.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов. На фигуре 2 представлена технологическая схема устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов ((21) - паковка, (22), (23) - обводные ролики, (24) - нитепроводный ролик, (25) - узел заправки нити, (26) - направляющие валики, (27) - натяжной ролик, (28) - реечный винтовой механизм). На фигуре 3 представлена структурная схема моделирования двухдвигательного электропривода в среде Matlab устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов. На фигуре 4 представлены диаграммы оценки качества процесса регулирования двухдвигательной системы управления устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов.
Технологическая схема устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов содержит управляемые электроприводы подачи волокнистого материала в зону растяжения и наматывающего устройства (фиг. 2).
з1
Электропривод подачи волокнистого материала в зону растяжения (1), транспортирующий продукт (2) к тянульным валикам (3), вход которого подключен к первому выходу микроЭВМ (4), на первый вход которой поступает сигнал задания U скоростного режима в зоне деформации, состоящий из цифроаналогового преобразователя (5), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (6), второй вход соединен с выходом датчика частоты вращения (7), третий вход соединен с выходом датчика частоты вращения (8) электропривода наматывающего устройства, а выход - со входом последовательно соединенных регулятора напряжения (9), асинхронного двигателя (10) и редуктора (11), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (7), и кинематически - через тянульный вал с первым входом суммирующего устройства (12), второй вход которого соединен с выходом датчика натяжения волокнистого материала (13), вход которого установлен в зоне разрыва (свободной зоне), а выход формирует скоростной режим, обеспечивающий либо заданное натяжение, либо разрыв волокнистого материала.
з2
Электропривод наматывающего устройства (14), вход которого подключен ко второму выходу микроЭВМ, на второй вход которой поступает сигнал задания U, обеспечивающий заданный скоростной режим наматывания, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя (15), выход которого соединен со входом последовательно соединенных усилителя мощности (16), двигателя постоянного тока (17) и редуктора (18), выходной вал которого кинематически соединен с приемным валом наматывающего устройства (19), выход которого через волокнистый материал связан с первым входом суммирующего устройства (20), на второй вход которого поступает результирующая составляющая скоростного режима от электропривода подачи волокнистого материала в зону растяжения, обеспечивающих заданную вытяжку волокнистого материала и при этом микроЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления автоматизированными электроприводами.
Комментарии к разработке и проектированию устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых
материалов
Функциональное назначение устройства:
Реализация функций разрывной машины, определяющая прочностные свойства волокнистого материала.
Управляя скоростными режимами электроприводов, исследовать деформационные свойства различных видов волокнистых материалов.
Возможность в лабораторных условиях моделировать сложные зоны деформации (процессы транспортирования, наматывания и др.) управляемых электротехнических комплексов технологического оборудования.
Обеспечение заданных пуско-тормозных режимов, а также синхронизации скоростных режимов в зонах деформации, что позволяет управлять натяжением и вытяжкой (вплоть до разрыва) волокнистого продукта, влияющих на качество вырабатываемой продукции.
Авторами исследованы вопросы силового воздействия на обрабатываемый волокнистый материал элементов оборудования, создающего силовое поле в движущемся волокнистом материале, и его реакция на нагрузку, выражающаяся в деформировании. В непрерывных процессах термомеханической обработки натяжение волокнистого материала создается за счет его деформаций. Для расчета устройств натяжения при управлении натяжением также необходимо знание законов деформирования волокнистых материалов.
В большинстве случаев процесс ведут по натяжению, т.е. считают его основным, однако натяжение волокнистого материала - это внешнее воздействие, а деформация отражает проявление внутренних свойств, это реакция одновременно на натяжение, влажность и температуру. Другими словами, при контроле деформации контролируется результат воздействия на волокнистый материал тепловых и силовых полей. Распространенность систем автоматического регулирования (САР) натяжением обусловлена более высокой чувствительностью натяжения к внешним воздействиям, более высоким его уровнем, в то время как при контроле деформации необходимо ее измерение с высокой степенью точности.
Относительная деформация (ε) или вытяжка (Е) движущегося волокнистого материала в зоне транспортирования (силового воздействия) выражается через скорости его движения на границах данного участка:
1
2
где V, V - соответственно линейные скорости волокнистого материала при входе и выходе из зоны деформации.
Из приведенного соотношения видно, что изменение деформации сводится к изменению скоростей движения волокнистого материала в двух точках. Максимальное значение деформации волокнистого материала в зонах транспортирования для волокнистых материалов не превышает ± 0,15. Для получения высокой точности измерения деформации необходимо измерять два близлежащих значения скорости с обеспечением условия
-4
-4
Потребность технологии и недостаточно высокая чувствительность деформации к различным факторам вызывает необходимость измерения деформации с погрешностью порядка 2⋅10 ÷ 4⋅10. Такие уровни погрешности можно обеспечить только цифровыми средствами измерения с использованием импульсных датчиков. Ставится задача регулирования деформации при обеспечении натяжения волокнистого материала изменением скоростного режима и его интенсивности.
Основное направление повышения эффективности управления деформацией в системах контроля и автоматического регулирования процессом термомеханической обработки сводится не к использованию конкретной деформации на каком-то участке, а к использованию всего характера развития деформации в зоне обработки. Ставится задача стабилизации свойств волокнистого материала за счет синхронизации скоростей транспортирования и наматывания волокнистого материала.
Вопрос рационального выбора величины натяжения (деформации) и поддержания его на заданном уровне при транспортировании и наматывании волокнистого материала остается на данный момент малоизученным.
При выборе оптимального натяжения волокнистого материала следует учитывать время его воздействия. Если оно не выходит за рамки допустимых пределов, то деформация будет обратимой и волокнистый материал может быть релаксирован при последующей силовой и влажностно-тепловой обработке; если время воздействия превосходит допускаемые пределы, то волокнистый материал получает необратимые деформации, что ухудшает его потребительские свойства и качество. Однако, следует учитывать, что формирование волокнистого материала с минимальным натяжением приводит к большой усадке и снижению объема выпускаемой готовой продукции.
Применение регулируемого электропривода позволит осуществлять обработку волокнистого материала с заданным натяжением, что обеспечит уменьшение вытяжки, сократит усадку, а после терможидкостной обработки снизит деформацию. Управляя натяжением можно полностью исключить нежелательную остаточную деформацию волокнистого материала.
Устройство работает следующим образом. Перед пуском устройства напряжение подается на блок питания микроЭВМ, цифро-аналоговые преобразователи, усилитель мощности, регулятор напряжения, датчики частоты вращения и натяжения.
з1
з2
Программа в микроЭВМ обеспечивает заданные скоростные режимы автоматизированного двухдвигательного электропривода и следит за обеспечением синхронизации линейных скоростей транспортирования и наматывания волокнистого материала, а также заданных пуско-тормозных режимах. Программа микроЭВМ устанавливает базовые скоростные режимы для электроприводов: U и U.
Указанные электроприводы работают в следящем режиме за счет введения обратных связей через датчики частоты вращения (7) и (8), обеспечивая при необходимости синхронный пуск и торможение устройства.
з1
1
2
2
1
Установленный в зоне разрыва (деформации) датчик натяжения (13) фиксирует текущее значение натяжения и передает сигналы на суммирующее устройство (12), где происходит сравнение импульсов с сигналом задания U. В итоге формируется сигнал управления электроприводом наматывающего устройства (19), при этом выравниваются линейные скорости подачи (V) и приема (V) волокнистого материала в зоне деформации. При необходимости разрыва, максимальное натяжение обеспечивается электроприводом при условии, когда V >> V.
При увеличении диаметра возрастает линейная скорость наматывания, а, следовательно, и натяжение волокнистого материала, которое за счет усилий, действующих на волокнистый материал, вызывает поворот вала сельсина (датчика натяжения) на определенный угол. Сигнал с сельсина поступает на суммирующее устройство (12), в котором происходит сравнение с сигналом, поступающим от системы управления электроприводом подачи волокнистого материала в зону растяжения (1).
На фигуре 2 приведена технологическая схема устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов. Текстильная нить (2) сматывается с паковки (21) и огибает обводные ролики (22), (23), далее подается нитепроводным роликом (24) в узел заправки нити (25). Включается электропривод (1) подачи нити в зону разрыва; тянульные валики (3) протягивают нить через направляющие валики (26), натяжной ролик (27) к наматывающему устройству (19). Устройство подготовлено к выполнению исследований физико-механических (деформационных) свойств волокнистого материала.
1
2
Управляя скоростными режимами электроприводов (1) и (14) возможно моделирование различных деформационных ситуаций в управляемых электротехнических комплексах технологического оборудования. В частности, фиксировать одноосное растяжение, обрыв, полуцикловые и одноцикловые характеристики. Используя различные режимы пуска, торможения электроприводов, а также режим синхронизации линейных скоростей (V) и (V), можно получить широкий спектр исследований физико-механических свойств нитей, ленты, ровницы, образцов нетканых материалов.
Зона растяжения регулируется (вверх - вниз) перемещением направляющих валиков (26) с помощью реечного винтового механизма (28). Все компоненты устанавливаются на жесткую раму. Управление, снятие показаний, а также проведение расчетов производится на персональном компьютере.
Проведено экспериментально-теоретическое моделирование предполагаемого технического решения в программе Matlab. Моделирование зоны деформации и математическое описание ее свойств позволяют изучить динамику волокнистого продукта в процессе транспортирования и наматывания, а также проанализировать деформационные свойства ВМ (волокнистый материал) в режимах пуска, торможения, управления скоростными режимами рабочих органов электромеханической системы. Качество переходного процесса влияет на деформационное состояние продукта и может быть достигнуто выбором рациональных (оптимальных) параметров системы автоматического регулирования, обеспечивающих заданное быстродействие, при котором время переходного процесса не должно превышать времени проявления упругой составляющей деформации волокнистого материала.
На основе полученных одноцикловых диаграмм ВМ свободная зона деформации волокнистого продукта представлена в виде эквивалентной электрической цепи, для которой составлены уравнения, позволившие получить передаточную функцию исследуемой зоны в виде:
н
5
3
2
3
5
W(p)=2,3⋅10/(0,228р+7,147р+92⋅10р+2,3⋅10).
Анализ передаточной функции осуществлен известными методами теории автоматического регулирования при управляющих и возмущающих воздействиях, соответствующих переходным режимам, позволяющим моделировать процессы растяжения и обрыва исследуемого материала.
Исследование динамических режимов устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов осуществлялось по структурной схеме моделирования двухдвигательного электропривода в среде Matlab устройства для определения и контроля физико-механических параметров волокнистых материалов (фиг. 3).
Закономерность изменения выходной величины - относительной деформации ε или вытяжки Е, при ступенчатом входном воздействии, определяется переходной функцией системы (фиг. 4,а).
В отличие от ступенчатого входного сигнала, с которым связывается анализ переходного процесса, синусоидальный во времени входной сигнал, приложенный к системе, позволяет изучить установившийся процесс на выходе в виде частного решения неоднородного уравнения, например, при изменении момента статического сопротивления и момента инерции наматывающего механизма. Входная синусоидальная функция времени в линейной системе с постоянными параметрами вызывает установившиеся колебания выходной величины того же периода, но другой амплитуды и фазы, оказывающие влияние на физико-механические свойства перерабатываемого продукта.
Исследование устойчивости системы управления проведено по логарифмическим амплитудным и фазовым частотным характеристикам (ЛАФЧХ).
Полученные ЛАФЧХ контура управления характеризуют его устойчивое состояние (фиг. 4,6). Расположение на комплексной плоскости нулей и полюсов передаточной функции замкнутой системы полностью определяет динамические свойства последней (фиг. 4,г) Полученные в результате расчета диаграммы Найквиста (фиг. 4,в) данные позволяют выявить амплитуды составляющих процесса, оказывающие влияние на частоту вращения рабочих органов управляемого комплекса.