劉志衛(wèi) 丁 峰 劉正宇

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽淮南 232001）

由于纏繞機(jī)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力強(qiáng)、工作原理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于纖維纏繞、塑膠化工、重型升降機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等諸多領(lǐng)域。目前大多數(shù)工作領(lǐng)域要求纏繞機(jī)工作時(shí)，張力大小可調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)纏繞機(jī)張力調(diào)節(jié)也做了大量研究，Adesuwa Annabelle Ebuehi 等[1]根據(jù)電線圈纏繞特征設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)線圈纏繞機(jī)。毛玉祥等[2]設(shè)計(jì)了鋼卷穿心纏繞機(jī)并研究張力控制策略。賀星宇[3]等設(shè)計(jì)了布帶纏繞張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。本文對(duì)于工業(yè)中3t液壓張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用AMEsim軟件繪制草圖、選擇合適的子模型與參數(shù)設(shè)置，并通過優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到更理想的效果。

一、張力調(diào)節(jié)裝置回路構(gòu)建

目前張力調(diào)節(jié)裝置驅(qū)動(dòng)主要是機(jī)械驅(qū)動(dòng)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)通常需要工人親自更換重力塊，操作危險(xiǎn)工作強(qiáng)度高，且在更換重力塊時(shí)會(huì)出現(xiàn)張力丟失現(xiàn)象?？紤]到實(shí)用與安全性，本文對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)方式的壓力調(diào)節(jié)裝置系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

纏繞機(jī)張力調(diào)節(jié)裝置中提供壓力的升降油缸在工作時(shí)壓緊鋼絲或鋼帶，通過纏繞筒的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼絲或鋼帶移動(dòng)，拉緊鋼絲或鋼帶，產(chǎn)生張力進(jìn)行纏繞。張力調(diào)節(jié)裝置油缸在工作時(shí)可對(duì)鋼絲提供不同的壓力來實(shí)現(xiàn)鋼絲張力的調(diào)節(jié)?？紤]到油缸推出壓力的準(zhǔn)確與穩(wěn)定性，采用比例溢流閥，通過可編程控制器控制比例溢流閥的液壓孔閥門開度，進(jìn)而控制液壓油缸腔體內(nèi)壓力。纏繞鋼絲或者鋼帶時(shí)，鋼絲或鋼帶在纏繞方向同時(shí)受到因液壓缸壓力而產(chǎn)生的摩擦力和纏繞筒牽引力，液壓缸內(nèi)油壓變化，施加在鋼絲或鋼帶上的壓力也會(huì)變化，鋼絲受到的摩擦力也發(fā)生變化，鋼絲張力也會(huì)隨之產(chǎn)生變化。無桿腔壓力油提供其工作壓力，考慮到實(shí)際工作中節(jié)能需求，設(shè)計(jì)增加兩個(gè)單向閥用來保壓，這樣還能避免油泵長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，在節(jié)能的同時(shí)還能提高其使用壽命。結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計(jì)的液壓原理圖，如圖1所示：

圖1 張力調(diào)節(jié)裝置液壓工作原理圖

1.液壓缸；2.纏繞筒；3.單向閥；4.比例溢流閥；5.三位四通換向閥；6.油壓傳感器；7.溢流閥；8.油泵；9.電機(jī)

如圖1中所示，液壓油經(jīng)過換向閥、單向閥，實(shí)現(xiàn)液壓缸的壓進(jìn)與縮回；右側(cè)可編程控制器控制油缸壓力大?。河透紫聣河捅么蜷_后，三通四位換向閥處于左側(cè)，單向閥導(dǎo)通狀態(tài)，油缸右側(cè)充滿液壓油，油桿推動(dòng)，控制器給大小不同的信號(hào)，控制比例溢流閥閥門開度大小，改變液壓油泄露速率，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)壓力。結(jié)束工作時(shí)，油缸上抬工作：三通四位換向閥處于右側(cè)，單向閥導(dǎo)通狀態(tài)，油液進(jìn)入油缸左側(cè)，油桿回到工作原點(diǎn)。

二、纏繞裝置力學(xué)分析

（一）主要元件數(shù)學(xué)模型?？紤]到一般的直動(dòng)式溢流閥都裝有彈簧，當(dāng)閥進(jìn)口壓力作用在閥芯上的力大于或等于彈簧力Ft時(shí)，閥芯才會(huì)移動(dòng)，通常情況下彈簧剛度強(qiáng)會(huì)影響調(diào)節(jié)性能和精度。[4]為了更理想化分析研究，本系統(tǒng)簡(jiǎn)略搭建一個(gè)等價(jià)于直動(dòng)式溢流閥效果的比例溢流閥，如圖2、3所示：

圖2 比例溢流閥結(jié)構(gòu)

圖3 比例溢流閥AMEsim模型

液壓油從1 處進(jìn)油，2 處出油，液壓油進(jìn)入閥體內(nèi)，通過施加外部載荷控制溢流閥閥芯移動(dòng)位置，比例溢流閥開度變化直接影響液壓缸油壓大小，此處忽略油液摩擦力、溢流閥質(zhì)量，可以得到閥口開啟溢流時(shí)閥芯受力平衡方程：

式中：A1為進(jìn)油口閥芯面積；A2為出油口閥芯面積；A3為控制開度閥芯面積；P1為進(jìn)油口壓力；P2為出油口壓力；F推為控制開度外部載荷。

（二）鋼絲纏繞力學(xué)分析。圖4為鋼絲受力簡(jiǎn)化，為了準(zhǔn)確模擬纏繞機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)鋼絲直徑為2mm，纏繞機(jī)纏繞鋼絲的效果與鋼絲材料相關(guān)。基于《金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)》，選用本裝置的纏繞鋼絲材料為1960MPa 鋅-鋁合金鍍層鋼絲。因?yàn)殇摻z層設(shè)計(jì)應(yīng)力不超過鋼絲流動(dòng)極限的1/1.1[5]，即鋼絲許用應(yīng)力為：

圖4 鋼絲受力示意圖

由于鋼絲張力是由液壓機(jī)上方液壓油桿對(duì)鋼絲擠壓的同時(shí)通過纏繞筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼絲滑動(dòng)，假如鋼絲在纏繞時(shí)其線速度不變，則滑動(dòng)摩檫力大小即為鋼絲所受張力。因此通過改變液壓缸壓力即可改變鋼絲張力。根據(jù)鋼絲纏繞機(jī)力學(xué)分析，壓缸推力關(guān)系式為：

式中:[σ]為鋼絲許用應(yīng)力;D為鋼絲直徑。

設(shè)計(jì)最大鋼絲應(yīng)力為1960MPa，由式（3）對(duì)應(yīng)的最大摩擦力為5594.9N，因此液壓缸推桿的最大壓力為：

所以此液壓缸最大推力在2.7t，即應(yīng)選擇大于2.7t 的液壓系統(tǒng)。如圖1進(jìn)油腔體內(nèi)為無桿腔，其無桿腔油壓接觸面積為：

當(dāng)油桿壓到底部時(shí)液壓缸腔體最大壓強(qiáng)：

因此在保證溢流閥無泄漏的情況下，溢流閥安全閥開啟壓力參數(shù)可以設(shè)置在10MPa以上。

三、液壓系統(tǒng)AMEsim仿真

（一）AMEsim 模型構(gòu)建。根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，采用AMEsim軟件選取各個(gè)庫(kù)中的元件，聯(lián)合搭建出草圖模型，建模得到的液壓回路系統(tǒng)模型草圖[6-11]，此系統(tǒng)模型由左側(cè)的運(yùn)行回路系統(tǒng)和右側(cè)的壓力控制系統(tǒng)組成，1部分為液壓缸執(zhí)行元件、2部分為液壓缸相關(guān)控制閥、3部分為液壓系統(tǒng)動(dòng)力源及保護(hù)系統(tǒng)、4部分為壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，整體如圖5所示：

圖5 液壓系統(tǒng)回路AMEsim模型

（二）油壓控制原理及相關(guān)參數(shù)設(shè)置。液壓缸油壓是由比例溢流閥開度大小影響，在系統(tǒng)流量不變的情況下，開度大小是由閥芯受到油壓反方向力的大小決定。設(shè)定比例溢流閥基本參數(shù)不變情況下，在液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)搭建磁路模型，比例溢流閥閥芯受到油壓反向力由磁路中磁力提供。磁力與磁動(dòng)勢(shì)有關(guān)：磁力越大，磁動(dòng)勢(shì)越大，反之越小。在磁路中通入電壓信號(hào)，電線圈、磁鐵產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，開始在草圖中設(shè)計(jì)搭建磁路，選取電線圈、電磁鐵，調(diào)整電磁鐵面積、電線圈匝數(shù)和電阻。圖5所示：搭建“兩豎兩橫”四個(gè)電磁鐵構(gòu)成一個(gè)合理的磁路，注意這里磁氣隙也影響磁路中磁力大小，其余條件恒定情況下磁氣隙間距離越小則磁力越大，反之則越小。在調(diào)試好磁路各元件參數(shù)后，接著選擇一個(gè)線性桿節(jié)點(diǎn)連接比例溢流閥。磁路中磁力的大小作用到比例溢流閥上，在磁路中輸入不同大小的電信號(hào)控制磁力。最后當(dāng)油缸工作時(shí)，在磁路中給不同大小信號(hào)控制比例溢流閥向左推進(jìn)，即比例溢流閥推進(jìn)程度直接影響閥口開度大小。0信號(hào)時(shí)，比例溢流閥屬于全開狀態(tài)，油液可以從管路經(jīng)過比例溢流閥直接進(jìn)入油箱內(nèi)，系統(tǒng)油壓最小。當(dāng)給最大信號(hào)時(shí)，推力最大比例溢流閥趨向關(guān)閉，液壓油幾乎無泄漏，此時(shí)系統(tǒng)油壓最大。壓力控制系統(tǒng)的主要元件及詳細(xì)參數(shù)見表1：

表1 壓力控制系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置

四、仿真結(jié)果分析

（一）可調(diào)比例溢流閥壓力分析。根據(jù)調(diào)節(jié)流量所需目的，在AMEsim參數(shù)模式下進(jìn)行設(shè)置不同參數(shù)，運(yùn)行仿真分別得到可調(diào)節(jié)比例溢流閥壓力對(duì)比。設(shè)定流量值通過比例溢流閥的流量分別為2L/min、4L/min、6L/min，同時(shí)在液壓系統(tǒng)中給定信號(hào)，信號(hào)在0-2s 和2-4s 內(nèi)分別為0-10V 和10-0V，運(yùn)行仿真如圖6、圖7所示：

圖6 不同流量對(duì)溢流閥壓力影響

圖7 不同流量下電壓與溢流閥關(guān)系

圖6、圖7仿真結(jié)果分析知，剛開始運(yùn)行出現(xiàn)比例溢流閥抖動(dòng)導(dǎo)致油壓突變，且輸入較小電壓信號(hào)時(shí)，油壓幾乎不變。油壓突變主要是由于液壓系統(tǒng)中會(huì)混有一些空氣，且液壓油屬于彈性物質(zhì)，在高壓系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生不同程度彈性變形，工作時(shí)會(huì)對(duì)閥芯有一定沖擊。另外，比例溢流閥閥芯存在固有頻率，系統(tǒng)頻率與閥芯頻率越接近，突起越明顯。[12]因此在溢流閥啟動(dòng)時(shí)油壓會(huì)發(fā)生“突起”。油壓幾乎不變主要是由于比例溢流閥處在高流量時(shí)，過小的電信號(hào)無法使比例溢流閥閥芯移動(dòng)到相應(yīng)位置，這會(huì)直接影響在一定范圍內(nèi)輸入電壓信號(hào)下溢流閥閥口壓力值不準(zhǔn)確，且系統(tǒng)流量過大可能會(huì)導(dǎo)致管道、元件泄漏，影響其他系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障?？紤]實(shí)際應(yīng)用，綜合以上結(jié)論分析應(yīng)優(yōu)先選擇較低流量系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)條件。

（二）液壓缸伸縮仿真分析。液壓缸共進(jìn)和縮回的位移和缸兩側(cè)腔體內(nèi)油壓如圖8、圖9所示。單向閥全程導(dǎo)通，換向閥0-8S左得電，無桿腔進(jìn)油液壓桿伸長(zhǎng)；因?yàn)樵诶硐霔l件下仿真，理論上液壓缸不受外部載荷影響，所以0-6.4S內(nèi)各腔內(nèi)壓力為0；當(dāng)液壓桿伸到工作位置時(shí)，無桿腔壓力為11MPa，液壓桿開始對(duì)鋼絲施加壓力；工作完成后，換向閥15-20S右得電，液壓桿向縮回至原點(diǎn)，有桿腔壓力為18MPa。整體液壓桿移動(dòng)較為穩(wěn)定，兩側(cè)腔室壓力變化也符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 液壓缸位移曲線

圖9 壓缸左右腔體壓力

（三）液壓系統(tǒng)整體傳動(dòng)仿真分析。隨著輸入的電壓信號(hào)變化，磁路產(chǎn)生的磁力也會(huì)改變，其作用在比例溢流閥的推力直接影響開度大小，進(jìn)而控制液壓油的泄漏速率使液壓缸油壓變化，即輸入的電壓信號(hào)大小與溢流閥壓力和液壓桿推力有關(guān)。在前面仿真基礎(chǔ)上，系統(tǒng)啟動(dòng)后，輸入全范圍電壓信號(hào)，得到如圖10、圖11 電壓信號(hào)與比例溢流閥壓力與液壓缸輸出壓力關(guān)系如下圖所示：

圖10 輸入電壓與溢流閥壓力關(guān)系

圖11 輸入電壓與液壓桿推力關(guān)系

由圖10與11可以看出：在開啟液壓系統(tǒng)時(shí)依次從小到大再?gòu)拇蟮叫≥斎腚妷盒盘?hào)，溢流閥壓力和液壓桿推力也隨之呈正相關(guān)變化。除了在開始液壓元件再受到?jīng)_擊后出現(xiàn)“突起”以外，其它工作下輸入的電壓信號(hào)和溢流閥受到的壓力和液壓桿推力大小互相對(duì)應(yīng)，且考慮到液壓桿自重等其它因素下，圖中輸入的往返信號(hào)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值也幾乎重合，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

五、結(jié)論

（一）針對(duì)目前張力調(diào)節(jié)在實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)采用吊取不同重塊來機(jī)械制改變壓力，這會(huì)出現(xiàn)使用成本高，操作危險(xiǎn)等問題，設(shè)計(jì)了一種改變壓力大小的來調(diào)節(jié)張力的液壓系統(tǒng)。既提高工作效率，又有效降低安全事故。

（二）根據(jù)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)原理圖，分析纏繞機(jī)實(shí)際工作要求，通過理論計(jì)算，選擇合適的元件搭建液壓系統(tǒng)模型，確保液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性?？蔀槠渌麎毫φ{(diào)節(jié)相關(guān)研究提供理論參考。

（三）通過分析液壓系統(tǒng)仿真，對(duì)比不同流量下比例溢流閥進(jìn)出口壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了液壓缸穩(wěn)定的工作過程，驗(yàn)證了電信號(hào)調(diào)節(jié)壓力的可行性。