книги из ГПНТБ / Любутин О.С. Автоматизация производства стеклянного волокна
.pdfпредел измерения которого равен 30 мв. Динамометр гра дуируют, подвешивая грузы определенной величины к нити, закрепленной на одном конце.
На рис. 33 показана схема переносного динамометра, разработанного в Новочеркасском политехническом ин ституте. Динамометр предназначен для проверочных из-
Рис. 33. Схема переносного динамо- |
Рис. 34. Натяжное устрои- |
метра |
ство с тормозным диском |
мереннй натяжения движущихся нитей из стеклянного волокна в производственных условиях. Основой динамо метра являются направляющие ролики / и подвижный ролик 2, укрепленный на упругом элементе — балке 3. При изменении натяжения балка деформируется и полу чает прогиб, пропорциональный приращению усилия в нити, равный:
^8F cos a l 3
~£ e ö 3
Прогиб измеряют |
|
микрометрическим |
винтом 4, |
на |
|||
котором |
укреплен |
измерительный круг 5, разбитый |
на |
||||
100 делений; |
прогиб |
можно |
измерить |
с точностью |
до |
||
0,0025 мм, если считать, что |
отсчет по |
измерительному |
|||||
кругу берется |
с точностью до 0,5 деления. |
|
|||||
Для |
облегчения |
измерения |
служит сигнальная лам |
||||
почка 6, |
фиксирующая |
момент контакта |
микрометричес |
кого винта с упругим элементом. Деления измерительно го круга градуируются в граммах. Размеры балки выб-
90
раны такими, чтобы при измерении максимального натяжения отсчет по измерительному кругу не превышал 100 делений. Динамометр монтируют в корпусе и для предохранения от повреждений закрывают крышкой.
На рис. 34 дан общий вид натяжного устройства с тормозным диском, предназначенного для создания на тяжения стеклянных нитей с номерами 10, 20 и 75, дви жущихся со скоростью до 30 м/мин. Натяжение созда ется поворотом диска /, вызывающего перемещение пол зунка 2 и изменение усилия в пружине 3. Настраивают устройство поворотом винта 4. Для предотвращения весьма нежелательного трения нити о нить предусмотре на проволочная скоба 5. Пружина 3 и подшипник 6 по мещены в корпусе 7.
Поскольку при массовом изготовлении устройств для натяжения разброс значений их параметров неизбежен, представляет интерес
оценка различия создаваемого ими натяжения. |
|
|
|
|
|
||||||||||||
Введем следующие обозначения: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
D, d — соответственно |
внешний |
и |
внутренний |
диаметры |
тормозной |
||||||||||||
текстолитовой |
шайбы; |
/ — коэффициент |
трения; k — жесткость |
пру |
|||||||||||||
жины |
(т. е. сила, |
вызывающая |
осадку |
пружины |
в |
1 мм); |
h — шаг |
||||||||||
нарезки |
винтовой |
линии; |
|
ср — угол |
поворота |
регулирующей |
гайки; |
||||||||||
R — радиус барабана |
с учетом |
толщины резинового |
покрытия. |
||||||||||||||
Сила давления пружины на тормозной диск при произвольном |
|||||||||||||||||
положении гайки равна: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
р |
= Ра д. |
kh |
|
. |
|
|
|
|
|
|||
Здесь |
Р 0 |
— начальное |
усилие |
пружины. Давление |
и |
сила |
трения на |
||||||||||
единицу площади соответственно |
равны: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
Рі |
= |
4 (Р„ |
+ |
/г/кр/2я) |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
я (D- |
— |
d-) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
4 (Р„ + ШЩ/2К) |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
Jt(D2 — d2 ) |
|
|
|
|
|
||||
Тормозной |
момент |
составляет: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
M = -^- |
nFx |
(ü3 |
— d3). |
|
|
|
|
|
|||||
Натяжение |
нити |
определяется |
по |
уравнению |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
F |
= |
ѵ(Л> + |
Айф/2л)/ . |
|
|
|
|
|
||||
Здесь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
І7 |
|
|
|
|
D3 — d3 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
= |
3R |
|
D~ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
91 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ч |
|
|
|
|
|
В конструкции с тормозным диском D = 2 9 мм, d=\7 |
мм, k= |
||||||
= 209 гс/мм |
(диаметр |
проволоки |
0,8 мм, средний |
диаметр |
пружины |
||
11,2 мм, число рабочих |
витков 1,5, длина пружины |
в ненапряженном |
|||||
состоянии 5 мм), Л = 1 мм (резьба M 10), R = |
12 мм, /=0, 2 (сталь — |
||||||
текстолит) |
Ро=0. |
|
|
|
|
|
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
(2,93 — 1,73) |
|
|
|
|
|
3-1,2 |
(2,92 |
1,72) = |
0,99. |
|
|
Поворот регулирующей гайки па одно деление соответствует натя жению
F = 0,99-209-1 -0,1-0,2 = 4,14 гс.
Величина рассеяния значения F, создаваемого натяжными уст ройствами, определяется из уравнения
ÖF = у \dP0 + h (Ыір + WQ] f + Y (po + * A * ) df,
где
2л (при y = const).
Относительное рассеяние, выраженное в процентах, составляет:
|
|
ÔF |
|
100% = |
i L |
+ |
&P0 |
+ |
h(kdty+ydk) |
|
100 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
Po + /г/np |
|
|
|
|
|||
или |
|
ÔF |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
èk |
|
|
|
|
|
|
100% |
= |
— |
+ f |
|
OP., |
|
Ôl|) |
|
100. |
|
|
||||
|
|
F |
|
é/np |
|
|
|
|
|
|
|||||||
Здесь |
о/, ôk, ôip, ô P 0 — соответственно вариации |
величин |
коэф |
||||||||||||||
фициентов трения, жесткости пружины, неточности |
нанесения |
деле |
|||||||||||||||
ний на регулирующую |
гайку и отклонения начального |
натяжения от |
|||||||||||||||
расчетного, равного |
нулю. |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
||||||
Если |
принять, |
что |
начальная |
длина |
пружины составляет |
||||||||||||
5±0,2 |
мм, жесткость пружины |
209 г/ . іш±5%, начальное |
давление |
||||||||||||||
Р о = 0 ± 3 |
гс, коэффициент |
|
трения пары |
сталь — текстолит |
0,2±5%> |
||||||||||||
точность |
разбивки |
делений |
|
на регулирующей |
гайке |
± 5 % , то |
|
||||||||||
6F |
100% = |
0,05+ |
209-0,1 |
+ |
0,05 + 0,05 0,2 |
|
100%=9,8%. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Начальное |
|
натяжение |
нити, |
|
отвечающее |
ôPo<^3 гс, будет |
равно |
||||||||||
Fo< YPO/«0,6 гс. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Важной характеристикой устройства является малая степень зависимости натяжения от скорости протягива ния нити.
Значительное влияние на качество стабилизации на тяжения нити оказывает трение в подшипнике 6 (см. рис. 34), которое в самых лучших случаях при тщатель ном отборе, промывке и смазке подшипников составля ло от 0,5 до 2 гс. Применение специальных «чувствитель-
92
ных» подшипников позволило уменьшить эту величину до 0,8 гс.
Электромагнитное натяжное устройство (рис. 35) также предназначено для создания натяжения стеклян ных нитей 13,2, 50 и 100 текс (N 75, 20 и 10), движущих
ся
Рис. 35. Натяжное |
устройство |
с электромагнитным |
тормозом |
ся со скоростью до 30 Л І / Л Ш Н . Нить натягивается силами трения, возникающими между внутренней поверхностью барабана 1 и прокладкой 2 и зависящими от силы тока в катушке электромагнита постоянного тока (на рисун ке не обозначены).
|
Натяжение |
нити |
(без учета |
магнитного |
|
сопротивления |
стали |
|||||||
и потоков рассеяния) |
равно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
4,0610"gF* ( — |
+ |
— |
) |
+ Р] f |
{é |
|
|
|
||||
|
F |
= |
|
|
1.5D |
{4 |
—dl) |
|
|
|
+ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
+ (Ma+klR1) |
|
— + f 6 e a \ |
|
|
|
|
|||||
где |
4,06-lOu gFl(l/ql -\-l/q2 )+P=NT > |
(yV0—усилие, развиваемое элек |
||||||||||||
тромагнитом); g]—проводимость |
|
воздушных |
зазоров; |
Ci=ÎX/4 |
(d^— |
|||||||||
^ І ) ; |
<72=Jt/4 |
(df — d\) \ |
M0— |
момент |
трения |
при |
радиальной Ri |
|||||||
и осевой нагрузках, равных нулю; Fi—число |
ампер-витков катушки; |
|||||||||||||
Р — масса |
барабанчика; |
/ — коэффициент трения; |
F& |
— натяжение |
||||||||||
сматывания нити со шпули; а — угол |
|
охвата; D, du |
d2, |
d3, dt — раз |
меры устройства; k{ — коэффициент, учитывающий тип нагрузки. Натяжение в значительной степени зависит от величин зазоров
б| и б2 , величина которых может быть различной для разных уст ройств вследствие неточности их изготовления. Поэтому в конст рукции имеется винт 3 для регулировки зазоров.
Электромагнитные натяжные устройства обладают рядом достоинств: возможностью дистанционного управ ления любой группой устройств и регулировки для обес-
93
печения идентичности приборов эталонному образцу, простотой и надежностью конструкции, благодаря чему отклонение натяжения от нормы сравнительно невелико (среднеквадратичное отклонение натяжения от среднего значения составляет 0,7—0,97 гс, в зависимости от ско рости протягивания нити, равной 6—20 м/мин).
Устройства с электромагнитом, как и все типы уст ройств, испытывают на специальном стенде. Натяжение нити измеряют динамометрами с проволочными теизометрическими или синдуктивными датчиками; показания ре гистрируются осциллографом Н-102, а при частоте коле баний натяжения не более 1 гц — вторичным прибором ЭПП-09.
При сравнительных испытаниях устройств с тормоз ным диском, электромагнитного и индукционного каж дый из них в течение 10 мин обкатывают при скорости протягивания нити 60 м/мин, затем настраивают на за данное натяжение по вторичному прибору динамометра и в течение 20 ч испытывают на заданной скорости. В процессе испытаний значения минимального и макси мального натяжений фиксируют через каждые 2 ч. По добные испытания проводили при нескольких скоростях протягивания нити и разных положениях регулировоч ного тормозного диска (для устройств с пружинным тормозом) или при разных значениях величины тока (для электромагнитного и индукционного устройства). По полученным данным для каждого режима определя ли средние значения натяжений и среднеквадратичные отклонения от среднего значения. Как показали резуль таты испытаний, зависимость натяжения от скорости движения для электромагнитного устройства так же не значительна, как и для устройств с тормозным диском.
Следует отметить возможность дистанционного уп равления устройством, что нужно при создании системы автоматического управления.
Натяжение нити в индукционном устройстве (рис. 36) создается за счет тормозящего электромагнитного мо мента, возникающего при вращении ротора / в поле полюсов. В устройстве применена двухполюсная магнит ная система 2 с двумя катушками 3 постоянного тока, создающими магнитный поток. Величину тормозного мо мента и, следовательно, натяжение F нити, проходящей по втулке 4, можно регулировать изменением тока в ка тушках;
94
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 36. Индукционное |
натяж |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ное устройство с электромагни |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
том |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. |
37. Индукционное |
натяж |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ное |
устройство |
с |
постоянным |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
магнитом |
|
||
Выбрать |
параметры |
устройства можно |
по |
формуле |
|
|
||||||||||
|
|
32,6 |
|
£ ш / а г 2 3 2 Д |
|
1 |
|
, |
knbt |
knbl |
|
|||||
F |
= |
|
|
|
~2f |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
sh |
•— • e |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i=l |
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
cos |
|
knc |
( - l r + ' |
+ cos—— |
+ |
— |
2 ( M 0 |
+ |
M i |
||||||
|
|
|
I |
|
|
|
|
/ |
J |
|
«1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
ks |
A) + Fô e^1 |
|
- y - |
|
|
|
|
(23) |
||
где f — натяжение |
нити |
в гс; d\ — диаметр |
барабана |
в см; |
Д — тол |
|||||||||||
щина ротора |
в см; |
/, г — ширина |
и радиус |
ротора в см; |
Ьі — теоре |
|||||||||||
тическая длина полюсной дуги в см; |
В — индукция |
под одним по |
||||||||||||||
люсом |
(тесла); |
g — удельная |
проводимость |
материала |
ротора |
|||||||||||
в м-ом~х• |
мм~2; |
to — угловая скорость |
|
вращения ротора |
в |
с е к - 1 . |
95
Т а б л и ц а 7
|
Диапа |
|
Макси |
|
|
|
|
мальная |
|
|
|
|
зон из |
|
|
|
|
|
П ог |
с к о |
|
|
|
|
меряе |
Габаритные |
|
||
|
реш |
рость |
|
||
Тип прибора |
мых на |
ность |
д в и ж е |
размеры |
Примечание |
|
т я ж е |
в % |
ния |
в мм |
|
|
нии |
|
|
||
|
|
нитей |
|
|
|
|
в ас* |
|
|
|
|
|
|
в м/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
Динамометр: |
|
|
|
|
с индуктив |
|
|
|
|
ным |
датчи |
5—50 |
± 3 |
|
ком |
. . |
66 |
||
перенос |
5—50 |
+ 3 |
|
|
ной |
. . . |
60 |
Натяжное
устройство: |
|
|
|
|
с |
тормоз |
|
|
|
ным дис |
|
— |
— |
|
ком . . . |
5—25 |
|||
с |
электро |
|
|
|
магнитным |
|
|
|
|
тормозом . |
5—25 |
|
|
|
индукци |
|
— |
— |
|
онное . |
5—25 |
90Х100Х
Х25
I06X105X |
Число |
деле |
|
Х80 |
ний |
измери |
|
|
тельного- |
кру |
|
|
га—100; шаг на |
||
|
резки микромет |
||
|
рического |
впи |
|
|
та 0,5 |
мм |
|
46Х42Х |
|
— |
Х27,5 |
|
|
50X40X40 |
Номиналь |
|
|
ный ток в об |
|
|
мотке |
электро |
|
магнита 300 ма |
|
50X24 |
Номинальный |
|
|
ток в |
обмотке |
|
полюсов 120 ма |
* Д л я натяжных устройств пределы натяжения .
При составлении уравнения (23) использована формула Гельбуха [55] для определения величины тормозного момента индукци онной барабанной системы. Ввиду быстрой сходимости ряда в фор муле (23) при практических расчетах достаточно ограничиться од- ним-двумя членами ряда.
Преимуществом индукционных натяжных устройств является почти полное исключение сил трения (если не
96
считать трения в подшипниках). Нестабильность коэф фициента трения является одной из главных причин не
удовлетворительной работы |
устройств многих систем. |
|||
В |
конструкции индукционного |
устройства |
для натя |
|
жения |
нити, показанного на |
рис. |
36, имеются |
и сущест |
венные недостатки: зависимость величины натяжения от угловой скорости вращения ротора, т.е. скорости протя
гивания |
нити; необходимость |
изготовления всех |
деталей |
с весьма |
высокой степенью |
точности, обеспечивающей |
|
расчетную величину зазора |
между ротором и |
полюса |
ми; значительная механическая инерционность ротора и невозможность регулирования зазора. Последние три недостатка могут быть устранены в конструкции индук ционного устройства, в котором электромагнит заменен постоянным магнитом / (рис. 37) и предусмотрена воз можность регулирования зазора путем продольного сме щения конического магнита / по отношению к статору 2. Однако подобная система не допускает дистанционно го управления величиной натяжения.
"Технические характеристики динамометров и уст ройств для натяжения дамы в табл. 7.
7—55
Г л а в а 3
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕ Г У Л И Р О В А Н И Я
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТЕКЛОПЛАВИЛЬНОГО СОСУДА
В производстве стеклянного волокна основным эле ментом технологического оборудования является стекло плавильный сосуд, поэтому рассмотрение его как объек та автоматического регулирования представляет наи больший интерес. При решении задачи автоматизации процесса выработки стеклянного волокна следует учи тывать некоторые его специфические особенности.
1. Сложность и малонзученность физико-химических процессов, тепло- и массообмена, происходящих в сосу де. Это обстоятельство заставляет искать математичес кое описание объекта экспериментальными методами.
2.Нестационарность статических и динамических ха рактеристик стеклоплавильного сосуда, обусловленная изменением свойств теплоизоляции, старением материа ла сосуда, изменением окружающих условий и т. п. Не стационарность затрудняет задачу автоматизации, вынуждает часто исследовать динамические свойства объекта и переналаживать системы автоматического ре гулирования.
3.Наличие многочисленных источников шума и не контролируемых возмущений: нестабильность химичес кого состава стекла, неравномерность загрузки, наличие воздушных потоков в подфильерной зоне и т. п. Наличие шумов и помех заставляет применять статистические ме тоды при составлении математического описания и расче те систем регулирования.
4.Наличие внутренних прямых и обратных связей между регулируемыми величинами.
5.Трудность проведения длительных экспериментов по наладке систем автоматического регулирования в производственных условиях, так как это может привести-
кснижению качества или появлению брака продукции.
98
Отсюда следует, что перед монтажом и наладкой регу ляторов необходимо рассчитывать настроечные парамет ры с последующим моделированием замкнутой системы автоматического регулирования на аналоговых или циф ровых вычислительных машинах.
Эти особенности затрудняют задачу создания систем автоматического регулирования таким сложным процес сом, как выработка стеклянного волокна. Однако разра ботанные к настоящему времени способы расчета и моделирования позволяют в некоторых случаях найти приемлемое решение проблемы. Установившаяся методи ка расчета систем регулирования состоит из ряда этапов [56]:
составление математического описания объекта ре гулирования;
выбор типа регулятора и расчет его настроечных па раметров из условия получения оптимальных в том или ином смысле переходных процессов;
моделирование систем автоматического регулирова ния на аналоговых и цифровых вычислительных маши нах.
В данной методике сознательно опущен вопрос ус тойчивости замкнутых систем регулирования. Примене ние критериев устойчивости Михайлова, Найквиста или Гурвица к линейным или линеаризованным динамичес ким системам обычно не вызывает затруднений [7], за дача же исследования устойчивости нелинейных систем регулирования достаточно сложна и требует специаль ного рассмотрения (см., например, [57]).
Составление математического описания технологиче ского объекта является достаточно трудной задачей, од нако без знания уравнений статики и динамики невоз можно построение качественно работающей системы ав томатического регулирования. Существует три способа получения математического описания: аналитический, экспериментально-аналитический и экспериментальный.
При использовании аналитического метода уравне ния, описывающие поведение технологического объекта, получают путем теоретического анализа процессов теп ло- и массообмена, физико-химических и других процес сов, наблюдающихся в изучаемом объекте, и установле ния закономерностей изменения входных и выходных координат. Для упрощения анализа объект условно раз бивают на ряд простейших звеньев (емкостей) и для