CN110306373B - 一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法，包括：1)放线轮角加速度和转动惯量计算，在进行股绳放卷过程，股绳的运行速度是由牵引的转速和放卷的转速决定的，为了使线速度不变，放线轮将做加速转动，以放线轮为研究对象可得平衡方程；2)放线轮制动力矩计算；通过基于时间和模型的卷径计算方法得到瞬时卷径R(t)，由制动力矩计算得到制动力矩的基础值M_zn0，通过检测实际张力偏差，控制器输出制动力矩的补偿值M_zn1，两者求和得到制动力矩实际设定值，通过制动器的作用限制放线轮的转速，达到恒张力放线的目的。优点是：保证各个股绳的张力均衡，提高钢绳捻制的质量，延长钢绳的使用寿命。

Description

一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法

技术领域

本发明属于筐篮式成绳机张力控制领域，尤其涉及一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法。

背景技术

钢丝绳是由若干根钢丝或绳股按照一定的规则捻制而成的螺旋状钢丝束。经研究分析发现，钢丝绳捻制过程中钢丝或绳股的张力控制对钢丝绳的质量具有重要的影响。筐篮式成绳机是钢丝绳生产中的主要设备，在进行绳股放卷过程，绳股的运行速度是由牵引轮和放卷的卷径、转速等因素决定。当绳股的运行速度或张力发生变化时将会有加速度产生，同时随着放线过程的进行，积股半径将不断减小，为使线速度不变，线轴将做加速转动。在动态转动的情况下，影响张力变化的因素增多，属于一个复杂多变的时变耦合系统，其中卷径、转动惯量、角速度等的变化都会影响张力的变化。

中国专利申请号：200710159258.6，公开了一种保持钢丝绳捻制时各绳股张力均衡的方法及装置，该专利主要设计了手动液压阻尼装置，改变线盘轮上的运动阻力，但未涉及绳股张力的精确控制方法。目前，保持钢绳各股张力是用调整螺栓调整阻尼带的松紧来实现，仅凭操作者的感觉和经验，判断阻尼带的松紧，推测各股张力的大小。此种方法难以保证每个股绳张力的稳定，并且也无法实现消除各个股绳之间张力偏差过大的控制。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法，针对筐篮式成绳机变速放卷过程，角速度和转动惯量变化导致放卷时张力的波动，通过制动力矩与角速度和转动惯量的函数关系，计算基础制动力矩和补偿制动力矩，实现放卷过程的每股绳张力稳定和股绳之间张力偏差的控制。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法，包括以下计算方法：

1)放线轮角加速度和转动惯量计算

在进行股绳放卷过程，股绳的运行速度是由牵引的转速和放卷的转速决定的，为了使线速度不变，放线轮将做加速转动，以放线轮为研究对象可得平衡方程：

式(1)中，F为股绳的张力，M_zn为制动力矩，R(t)为线轴在时间t内卷径为变量，J为放线轮的转动惯量，β为粘性摩擦阻尼系数，ω为线轴的角速度；

绳股从放线轮放卷时的线速度为v，m为每层股绳的匝数，股绳直径为D，则线轴的角速度ω满足：

放线轮内半径为R₀，线轴自身的转动惯量为J_z，放线轮内缘间距为L，填充系数为λ，则放线轮转动惯量J为：

2)放线轮制动力矩计算

从分线盘往放线轮进行受力分析，可得：

由式(4)可知，在动态转动过程中，引起张力的波动主要是由于放线轮的卷径、转动惯量、转速的变化引起的，卷径的变化导致了转动惯量、转速的变化；

3)卷径计算结合张力反馈控制

在成绳机的股绳张力控制中，特别是在被动放卷过程，应用PID控制器实现张力反馈控制；通过基于时间和模型的卷径计算方法得到瞬时卷径R(t)，并已知设定张力F，由制动力矩计算得到制动力矩的基础值M_zn0，通过检测实际张力偏差，控制器输出制动力矩的补偿值M_zn1，两者求和得到制动力矩实际设定值，通过制动器的作用限制放线轮的转速，达到恒张力放线的目的；

式(5)中，ΔF为股绳的实际张力偏差，K为制动力矩补偿系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够保证各个股绳的张力均衡，提高钢绳捻制的质量，延长钢绳的使用寿命。可应用于各类筐篮式成绳机。本发明根据控制过程中实测线盘轮卷径变化计算出张力的调整量，采用变转动力矩的方式实现对成绳机股绳张力的精确控制。以筐篮式成绳机的股绳张力控制为研究对象，以放线轮轴线瞬间半径数据为基础来计算放线轮制动力矩，并考虑摩擦力矩影响因素，实现成绳机动态变速过程股绳张力的精确控制。此方法能够大幅度地提高成绳机的股绳张力控制精度，进而为实现成绳机的自动控制打下基础。

本发明的技术特点为：

(1)对成绳机放线过程卷径变化对张力影响进行详细分析，要维持各股绳在分线盘处的张力恒定，则必须按照相应的变化规律来设计张力控制方式。

(2)给出动态变速放线过程角加速度与转动惯量计算方法，为转动力矩与张力和卷径之间的函数关系建立打下基础。

(3)在计算角加速度与转动惯量基础上，给出制动力矩与张力和卷径的之间的关系式，提高张力控制的计算精度。

附图说明

图1是筐篮式成绳机股绳缠绕模型示意图一。

图2是筐篮式成绳机股绳缠绕模型示意图二。

图3是放卷张力控制系统示意图。

图4是股绳张力控制原理流程图。

图2中，l₁、l₂分别是股绳排列在放线轮上断面横向和纵向长度。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法，包括以下计算方法：

1)放线轮角加速度和转动惯量计算

在进行股绳放卷过程，股绳的运行速度是由牵引的转速和放卷的转速决定的，为了使线速度不变，放线轮将做加速转动，以放线轮为研究对象可得平衡方程：

式(1)中，F为股绳的张力，M_zn为制动力矩，R(t)为线轴在时间t内卷径为变量，J为放线轮的转动惯量，β为粘性摩擦阻尼系数，ω为线轴的角速度；

由式(1)可知，在动态转动过程，影响张力变化的因素属于复杂多变的时变耦合，其中角速度和转动惯量是对张力影响的扰动量；

绳股从放线轮放卷时的线速度为v，m为每层股绳的匝数，股绳直径为D，则线轴的角速度ω满足：

放线轮内半径为R₀，线轴自身的转动惯量为J_z，放线轮内缘间距为L，填充系数为λ，则放线轮转动惯量J为：

2)放线轮制动力矩计算

从分线盘往放线轮进行受力分析，可得：

由式(4)可知，在动态转动过程中，引起张力的波动主要是由于放线轮的卷径、转动惯量、转速的变化引起的，卷径的变化导致了转动惯量、转速的变化；

3)卷径计算结合张力反馈控制

在成绳机的股绳张力控制中，特别是在被动放卷过程，应用PID控制器实现张力反馈控制；通过基于时间和模型的卷径计算方法得到瞬时卷径R(t)，并已知设定张力F，由制动力矩计算得到制动力矩的基础值M_zn0，通过检测实际张力偏差，控制器输出制动力矩的补偿值M_zn1，两者求和得到制动力矩实际设定值，通过制动器的作用限制放线轮的转速，达到恒张力放线的目的；

式(5)中，ΔF为股绳的实际张力偏差，K为制动力矩补偿系数。

实施例：

见图1-图4，本发明针对成绳机变速放卷过程，卷径变化导致放卷时张力的波动，通过计算制动力矩与放卷半径函数关系，在张力控制系统中，张力传感器检测股绳张力，通过无线传输模块送至PLC控制器进行补偿修正，结合卷径值进行数据处理后输出控制信号，驱动执行机构作用到放卷，控制放卷速度，实现放卷过程的张力控制。

筐篮成绳机缠绕模型如图1所示，成绳机采用的放线轮是165型，筒体转动的转速为140r/min，筒体半径r为240mm，股绳直径D为10mm，放线轮内半径R₀为0.425m，内缘间距L为0.93m，填充系数λ＝π/4，股绳张力要求为20N，工字轮自身转动惯量J_z为0.15kgm²，摩擦阻尼系数β为0.009；股绳的匝数m为10，张力控制系统如图3所示，则角加速度和转动惯量分别为：

制动转矩为：

如图4所示，在成绳机的股绳张力控制中，特别是在被动放卷过程，应用PID控制器实现张力反馈控制。通过基于时间和模型的卷径计算方法得到瞬时卷径R(t)，并已知设定张力F，由制动力矩计算得到制动力矩的基础值M_zn0，通过检测实际张力偏差，控制器输出制动力矩的补偿值M_zn1，两者求和得到制动力矩实际设定值，通过制动器的作用限制放线轮的转速，达到恒张力放线的目的。

Claims (1)

1.一种筐篮式成绳机变速放卷过程动态张力控制方法，其特征在于，包括以下计算方法：

1)放线轮角加速度和转动惯量计算

在进行股绳放卷过程，股绳的运行速度是由牵引的转速和放卷的转速决定的，为了使线速度不变，放线轮将做加速转动，以放线轮为研究对象可得平衡方程：

式(1)中，F为股绳的张力，M_zn为制动力矩，R(t)为线轴在时间t内卷径为变量，J为放线轮的转动惯量，β为粘性摩擦阻尼系数，ω为线轴的角速度；

绳股从放线轮放卷时的线速度为v，m为每层股绳的匝数，股绳直径为D，则线轴的角速度ω满足：

放线轮内半径为R₀，线轴自身的转动惯量为J_z，放线轮内缘间距为L，填充系数为λ，则放线轮转动惯量J为：

2)放线轮制动力矩计算

从分线盘往放线轮进行受力分析，可得：

由式(4)可知，在动态转动过程中，引起张力的波动主要是由于放线轮的卷径、转动惯量、转速的变化引起的，卷径的变化导致了转动惯量、转速的变化；

3)卷径计算结合张力反馈控制

在成绳机的股绳张力控制中，在被动放卷过程，应用PID控制器实现张力反馈控制；通过基于时间和模型的卷径计算方法得到瞬时卷径R(t)，并已知设定张力F，由制动力矩计算得到制动力矩的基础值M_zn0，通过检测实际张力偏差，控制器输出制动力矩的补偿值M_zn1，两者求和得到制动力矩实际设定值，通过制动器的作用限制放线轮的转速，达到恒张力放线的目的；

式(5)中，ΔF为股绳的实际张力偏差，K为制动力矩补偿系数。

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