2.2. Контроль натяжения ленточных композиционных материалов

Натяжение движущихся армирующих материалов (жгуты, ленты и ткани) существенно влияет на качество готовых изде­лий. Существует широкий спектр устройств для непрерывного или периодического измерения и регулирова­ния этого технологического параметра.

К устройствам для создания натяжения композиционного материала, называемым натяжителями, предъявляют требова­ния высокой надежности и простоты конструкции; сохранности поверхности волокнистого наполнителя и его прочности; неза­висимости натяжения от скорости движения материала.

По принципу действия известные натяжители делятся на три группы [6, 14, 15].

В первую группу входят устройства, в которых натяжение материала 1 создается под действием трения при перемещении его между двумя пластинами 2, 3, прижимаемыми друг к другу с некоторой силой Р (рис. 2.11а). Эту силу можно создать с помощью рычажной системы и груза 4, или пружины, или маг­нита. В данной конструкции натяжение материала S зависит от начального натяжения S₀, усилия Р и приведенного коэф­фициента трения f о поверхность пластины: S=S₀ + 2P f . Такие пластинчатые натяжители обладают почти линейной статичес­кой характеристикой, достаточно просты в конструктивном отношении, однако они нарушают поверхность материала и по­этому нашли ограниченное применение в производстве КМ [6, 16].

Рис. 2.11. Принципиальные схемы натяжителей ленточного композиционного материала а – пластинчатый; б – стержневой; в – роликовый 1 – движущийся ленточный материал, 2,3 – неподвижная и подвижная пластины, 4 – регулировочный груз, 5 – вращающиеся ролики

Вторую группу натяжителей составляют устройства, обеспе­чиваю­щие натяжение материала за счет его скольжения по криволинейной поверхности, например по неподвижным стерж­ням или роликам (рис. 2.11,б). В этих стержневых устройствах натяжение линейно зависит от начального натяжения S₀ и не­линейно – от суммарного угла охвата ее стержней материалом и коэффициента трения: S = Soexp {а f }. Для изменения S в стержневых натяжителях варьируют угол а перемещением под­вижного гребня 3 с помощью силы тяжести груза 4 или усилия от магнита (пружины).

В третью группу входят устройства (условно называемые роликовыми), обеспечивающие нужное натяжение S путем торможения ролика 5, вращаемого движущимся материалом (рис. 2.11, в). Для торможения ролика используют силу тяже­сти груза 4 или усилие пружины (магнита). В подобных роли­ковых конструкциях натяжение линейно зависит от тормозного момента М_т ролика радиусом R: S = So + .M_T/ R.

Натяжители 2-й и 3-й групп широко применяют в производ­стве КМ для создания и регулирования натяжения материала. Методы расчета и конструктивное оформление этих натяжителей подробно описаны в работах [6, 14].

Принципы построения натяжителей находят применение при создании устройств непрерывного контроля на­тяжения движущегося материала. Однако, в отличие от натя­жителей, первичные преобразователи измерительных устройств конструируют таким образом, чтобы они как можно меньше изменяли натяжение S материала. Реализация этих преобразо­вателей основана преимущественно на способе определения натяжения S по величине равнодействующей силы Р, приложенной к огибаемому материалом стержню или ролику, который может вращаться вокруг своей оси или быть непод­вижным (невращающимся), в зависимости от условий эксплуа­тации измерителя. В состав устройств контроля натяжения входят, как правило, упругие элементы (мембрана, сильфон или пружина), дифференциально-трансформаторные преобразовате­ли (ДТП) перемещения в электрический сигнал и вторичные приборы (мосты или потенциометры).

Рис. 2.12. Схема измерителя натяжения с вращающимися (а) и неподвижными (б) роликами 1,3 – опорные ролики, 2 – измерительный ролик, 4 – упругий элемент, 5 –Г-образный рычаг, 6 – ДТП

На рис. 2.12, а представлен один из вариантов конструкции измерителя натяжения с тремя вращающимися стержнями (роликами). Средний (измерительный) ролик 2 связан Г-образным рычагом 5 непосредственно с упругим элементом 4. Вра­щающиеся опорные ролики 1, 3 характеризуются небольшим моментом трения в опорах, поэтому натяжение S материала практиче­ски не отличается от начальной силы So.

По условиям производства КМ (вязкие связующие, высокие скоро­сти перемещения материала) иногда недопустимо использова­ние вращающихся роликов в измерителях натяжения. В таких случаях применяют измерители натяжения с неподвижными ро­ликами (рис. 2.12, б). Существенный недостаток первичного преобразователя такого типа – нелинейная зависимость натя­жения S от суммарного угла охвата роликов и коэффициента трения f.

Структурная схема разработанных измерителей натяжения представляет собой последовательное соединение ряда звеньев: механического звена, преобразующего натяжение материала S в передаваемое упругому элементу усилие Р; упругого элемен­та, преобразующего усилие Р в деформацию ε и соответствую­щее перемещение сердечника магнитопровода; дифференциаль­но-трансформаторного датчика с входным ε и выходным U элек­трическим сигналом; устройства регистрации измеряемого натяжения. Каждое из них представляет собой сложное динамическое устройство, при­чем два последних звена можно рассматривать как линей­ные в достаточно широком интервале изменения переменных. При допущении о малости изменения основных координат и факторов первичный механический преобразователь с вращаю­щимися роликами можно также рассматривать как линейную систему. Погрешность преобразователя наиболее сильно зависит от вариаций коэффициента трения в подшипниках и частоты вращения.

В процессе эксплуатации преобразователей изменяются в основном частота вращения ω и коэффициенты трения в под­шипниках μ и материала о поверхность измерительного роли­ка ƒ. Вариации этих факторов являются причиной появления погрешностей измерения.

По аналитическим зависимостям деформаций упру­гих элементов и погрешностей измерения от различных факто­ров разрабатывают методику расчета и оптимизации первичных преобразователей измерителей натяжения [14]. Такой подход к проектированию первичных преобразователей позволяет более полно учесть условия, в которых эксплуатиру­ют устройства контроля натяжения, а также снизить статиче­скую и динамическую погрешности измерения.

В измерителях натяжения широкое применение нашли диффе­ренциально-трансформаторные преобразователи. Их характе­ристики хорошо согласуются с характеристиками упругих эле­ментов; они просты по конструкции и надежны в работе [14]. Для повышения чувствительности и быстродействия ДТП питание их осуществляют от источника повышенной частоты со стабилизированными амплитудой и частотой.

Измерители натяжения ленточных материалов разработаны на номинальные усилия от 500 до 5000 кН и имеют основную погрешность, не превышающую 2%. Приборы типа ДЛ-2К, ИНЛ-2, ИНЛ-3, ИНЛ-4 предназначены для использования при «сухой» технологии намотки. При «мокрой» намотке изделий из композиционных ленточных материалов применяют измери­тели типа ИНПЛ-006, ИНПЛ-009, ИНПЛ-019, ИНПЛ-021.