预浸料制备中的张力控制系统

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1、第2期预浸料制备中的张力控制系统49预浸料制备中的张力控制系统高殿斌蒋秀明杨公源（天津纺织工学院机械工程及自动化系，天津300160）摘要：详细阐述了预浸料制备过程中纤维纱筒开卷、预浸料收卷张力控制系统的工作原理、数学模型以及控制方法。并在所研制的预浸料制备设备中进行实践与验证。在纤维开卷过程中，研制出的“比例电磁铁-机械制动装置”调节和控制开卷张力，为实现纤维粗纱张力恒定起到关键作用。并详细介绍了“比例电磁铁-机械制动装置”的原理。在预浸料收卷过程中，采用三轴摆式松紧架装置，以线速度跟随控制和卷径补偿控制，实现了预浸

2、料牵引辊和收卷辊快速跟随性和张力稳定性。关键词：开卷与收卷非线性；时变数学模型；比例电磁铁-机械制动装置；增益调度中图分类号：V261.94文献标识码：A文章编号：1005-505（32000）02-0049-06制备单向预浸料是将多轴筒纱纤维一起释放，经展平和树脂熔融浸渍、挤胶、辊压、收卷形成厚度均匀，纤维彼此平行的单向连续带。在制备预浸料过程中，如果纤维张力不均，预浸料纤维不能平行排列，将严重影响复合材料的力学性能。预浸料收卷时，必须解决好恒张力卷绕问题，否则将带来预浸料内松外紧现象，或者出现皱折，这样不仅外观不合

3、格，也会损伤纤维。采用三轴摆式松紧架方便可靠地解决了这个问题。由于多轴筒纤维开卷和预浸料收卷合理地解决了张力控制这个主要矛盾，在所研制的预浸料设备上制备出了高质量预浸料。1纤维纱筒开卷张力控制系统预浸料的制备对筒纱纤维开卷张力恒定的要求比较严格。研制的预浸料制备设备的每个筒纱都构成一个独立的张力闭环控制系统。系统由纤维筒纱、比例电磁铁-机械制动装置、张力传感器和控制电路组成。!.!工作原理纤维筒纱的开卷属于被动运动，对筒纱施加一定的制动力矩，纤维从纱筒中被拉出才具有一定的张力。为保持粗纱张力恒定，要求制动力矩能够自动连

4、续调节。研制的“比例电磁铁-机械制动装置”成功地实现了纤维张力恒定。比例电磁铁-机械制动装置示意图如图1。图中：f—摩擦力，F—比例电磁铁推力，P—正压力，!—摩擦块与摩擦盘摩擦系数，Mz—制动力矩。力矩平衡方程式：收稿日期：2000-02-29；修订日期：2000-03-30作者简介：高殿斌（1945-），男，副教授50航空材料学报第20卷Fa+fc-P6=0（I）将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与比例电磁铁

5、推力F成正比例。制动力矩：Mz=frI=F（a/6）｛!［/I-!（c/6）］｝rI=KI·F·rI式中KI—常数，rI—摩擦盘半径。纤维从纱筒中拉出的张力矩MT，MT=Tr，式中：T—纤维粗纱张力，r—筒纱瞬时半径。如果不考虑动态力矩和其他阻力矩时，近似有：MT=Mz，T·r=KI·F·rI。工艺上要求粗纱张力T为恒定值，随粗纱开卷过程的进行，筒纱半径r逐渐变小，推力F必须随筒纱半径r成比例地减小。为此，须采用张力传感器构成张力闭环控制系统。比例电磁铁与一般电磁铁不同，衔铁的推力与激磁电流基本上呈线性关系。在额定行程

6、内，某一激磁电流所产生的推力与行程无关。比例电磁铁制动的推力特性如图2所示。这种特性正是纤维开卷所需要的。图I比例电磁铁-机械制动装置示意图图2比例电磁铁推力特性Fig.ITheSketchmapoftheratioeletro-Fig.2ThethruStSpecificpropertymagnet-mechanicalreStrainingdeviceoftheratioelectromagnet!."筒纱开卷张力数学模型为了对筒纱开卷张力控制系统进行分析和设计，首先建立筒纱开卷过程的数学模型，进而建立系统的数学模

7、型。力矩平衡方程式为：MT-Mz-d/d（tI"I）-#"I=0MT=T·rI=cz+I0+SS=$Uhg（r4-r4I0）=Kg（r4-r4I0）Kg=$Uhg2g2g式中：r—筒纱半径；rI0—筒纱芯轴半径；T—筒纱开卷张力；h—筒纱高度；cz—筒纱承托机构及制动轮的转动惯量；S—纤维转动惯量；I0—筒纱芯轴转动惯量；U—比重；g—占积率；g—重力加速度；#—粘性摩擦系数；MT—张力矩；"I—筒纱开卷角速度；Mz—制动力矩。dI2$Uhg3dr3dr=r·=KI0rdtgdtdtd"IdIMT-MZ-I-"I-#"

8、I=0dtdt第2期预浸料制备中的张力控制系统512!LhgK10=gr=rm-N"=rm-"!!0#1dt=rm-K8!!0#1dt2!dr"=#1dt2!"K8=2!式中：rm—纤维满卷额定半径；"—每层纤维的厚度；N—退绕层数。上述各式是开卷过程的纤维数学模型。由于筒纱半径r随时间变化，转动惯量]s也随时间变化。数学模型中还