基于AMEsim的纏繞機張力調節(jié)裝置系統(tǒng)設計與仿真

劉志衛(wèi) 丁 峰 劉正宇

（安徽理工大學機械工程學院 安徽淮南 232001）

由于纏繞機具有結構穩(wěn)定、承載能力強、工作原理簡單等特點，廣泛應用于纖維纏繞、塑膠化工、重型升降機、卷揚機等諸多領域。目前大多數工作領域要求纏繞機工作時，張力大小可調節(jié)。國內外不少學者對纏繞機張力調節(jié)也做了大量研究，Adesuwa Annabelle Ebuehi 等[1]根據電線圈纏繞特征設計了一種自動線圈纏繞機。毛玉祥等[2]設計了鋼卷穿心纏繞機并研究張力控制策略。賀星宇[3]等設計了布帶纏繞張力調節(jié)系統(tǒng)，通過仿真分析和實際實驗得到驗證。本文對于工業(yè)中3t液壓張力調節(jié)系統(tǒng)回路進行設計，利用AMEsim軟件繪制草圖、選擇合適的子模型與參數設置，并通過優(yōu)化調整，達到更理想的效果。

一、張力調節(jié)裝置回路構建

目前張力調節(jié)裝置驅動主要是機械驅動。機械驅動通常需要工人親自更換重力塊，操作危險工作強度高，且在更換重力塊時會出現(xiàn)張力丟失現(xiàn)象?？紤]到實用與安全性，本文對液壓驅動方式的壓力調節(jié)裝置系統(tǒng)進行設計。

纏繞機張力調節(jié)裝置中提供壓力的升降油缸在工作時壓緊鋼絲或鋼帶，通過纏繞筒的旋轉帶動鋼絲或鋼帶移動，拉緊鋼絲或鋼帶，產生張力進行纏繞。張力調節(jié)裝置油缸在工作時可對鋼絲提供不同的壓力來實現(xiàn)鋼絲張力的調節(jié)?？紤]到油缸推出壓力的準確與穩(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，進而控制液壓油缸腔體內壓力。纏繞鋼絲或者鋼帶時，鋼絲或鋼帶在纏繞方向同時受到因液壓缸壓力而產生的摩擦力和纏繞筒牽引力，液壓缸內油壓變化，施加在鋼絲或鋼帶上的壓力也會變化，鋼絲受到的摩擦力也發(fā)生變化，鋼絲張力也會隨之產生變化。無桿腔壓力油提供其工作壓力，考慮到實際工作中節(jié)能需求，設計增加兩個單向閥用來保壓，這樣還能避免油泵長期處于工作狀態(tài)，在節(jié)能的同時還能提高其使用壽命。結合實際需求設計的液壓原理圖，如圖1所示：

圖1 張力調節(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

如圖1中所示，液壓油經過換向閥、單向閥，實現(xiàn)液壓缸的壓進與縮回；右側可編程控制器控制油缸壓力大小：油缸下壓油泵打開后，三通四位換向閥處于左側，單向閥導通狀態(tài)，油缸右側充滿液壓油，油桿推動，控制器給大小不同的信號，控制比例溢流閥閥門開度大小，改變液壓油泄露速率，進而調整系統(tǒng)壓力。結束工作時，油缸上抬工作：三通四位換向閥處于右側，單向閥導通狀態(tài)，油液進入油缸左側，油桿回到工作原點。

二、纏繞裝置力學分析

（一）主要元件數學模型?？紤]到一般的直動式溢流閥都裝有彈簧，當閥進口壓力作用在閥芯上的力大于或等于彈簧力Ft時，閥芯才會移動，通常情況下彈簧剛度強會影響調節(jié)性能和精度。[4]為了更理想化分析研究，本系統(tǒng)簡略搭建一個等價于直動式溢流閥效果的比例溢流閥，如圖2、3所示：

圖2 比例溢流閥結構

圖3 比例溢流閥AMEsim模型

液壓油從1 處進油，2 處出油，液壓油進入閥體內，通過施加外部載荷控制溢流閥閥芯移動位置，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、溢流閥質量，可以得到閥口開啟溢流時閥芯受力平衡方程：

式中：A1為進油口閥芯面積；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）鋼絲纏繞力學分析。圖4為鋼絲受力簡化，為了準確模擬纏繞機實際工作狀態(tài)，設計鋼絲直徑為2mm，纏繞機纏繞鋼絲的效果與鋼絲材料相關。基于《金屬材料力學性能手冊》，選用本裝置的纏繞鋼絲材料為1960MPa 鋅-鋁合金鍍層鋼絲。因為鋼絲層設計應力不超過鋼絲流動極限的1/1.1[5]，即鋼絲許用應力為：

圖4 鋼絲受力示意圖

由于鋼絲張力是由液壓機上方液壓油桿對鋼絲擠壓的同時通過纏繞筒轉動帶動鋼絲滑動，假如鋼絲在纏繞時其線速度不變，則滑動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。根據鋼絲纏繞機力學分析，壓缸推力關系式為：

式中:[σ]為鋼絲許用應力;D為鋼絲直徑。

設計最大鋼絲應力為1960MPa，由式（3）對應的最大摩擦力為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，即應選擇大于2.7t 的液壓系統(tǒng)。如圖1進油腔體內為無桿腔，其無桿腔油壓接觸面積為：

當油桿壓到底部時液壓缸腔體最大壓強：

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可以設置在10MPa以上。

三、液壓系統(tǒng)AMEsim仿真

（一）AMEsim 模型構建。根據液壓系統(tǒng)原理圖，采用AMEsim軟件選取各個庫中的元件，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)模型由左側的運行回路系統(tǒng)和右側的壓力控制系統(tǒng)組成，1部分為液壓缸執(zhí)行元件、2部分為液壓缸相關控制閥、3部分為液壓系統(tǒng)動力源及保護系統(tǒng)、4部分為壓力調節(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參數設置。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。設定比例溢流閥基本參數不變情況下，在液壓系統(tǒng)中設計搭建磁路模型，比例溢流閥閥芯受到油壓反向力由磁路中磁力提供。磁力與磁動勢有關：磁力越大，磁動勢越大，反之越小。在磁路中通入電壓信號，電線圈、磁鐵產生磁動勢，開始在草圖中設計搭建磁路，選取電線圈、電磁鐵，調整電磁鐵面積、電線圈匝數和電阻。圖5所示：搭建“兩豎兩橫”四個電磁鐵構成一個合理的磁路，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。在調試好磁路各元件參數后，接著選擇一個線性桿節(jié)點連接比例溢流閥。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控制磁力。最后當油缸工作時，在磁路中給不同大小信號控制比例溢流閥向左推進，即比例溢流閥推進程度直接影響閥口開度大小。0信號時，比例溢流閥屬于全開狀態(tài)，油液可以從管路經過比例溢流閥直接進入油箱內，系統(tǒng)油壓最小。當給最大信號時，推力最大比例溢流閥趨向關閉，液壓油幾乎無泄漏，此時系統(tǒng)油壓最大。壓力控制系統(tǒng)的主要元件及詳細參數見表1：

表1 壓力控制系統(tǒng)主要參數設置

四、仿真結果分析

（一）可調比例溢流閥壓力分析。根據調節(jié)流量所需目的，在AMEsim參數模式下進行設置不同參數，運行仿真分別得到可調節(jié)比例溢流閥壓力對比。設定流量值通過比例溢流閥的流量分別為2L/min、4L/min、6L/min，同時在液壓系統(tǒng)中給定信號，信號在0-2s 和2-4s 內分別為0-10V 和10-0V，運行仿真如圖6、圖7所示：

圖6 不同流量對溢流閥壓力影響

圖7 不同流量下電壓與溢流閥關系

圖6、圖7仿真結果分析知，剛開始運行出現(xiàn)比例溢流閥抖動導致油壓突變，且輸入較小電壓信號時，油壓幾乎不變。油壓突變主要是由于液壓系統(tǒng)中會混有一些空氣，且液壓油屬于彈性物質，在高壓系統(tǒng)中會產生不同程度彈性變形，工作時會對閥芯有一定沖擊。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]因此在溢流閥啟動時油壓會發(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，過小的電信號無法使比例溢流閥閥芯移動到相應位置，這會直接影響在一定范圍內輸入電壓信號下溢流閥閥口壓力值不準確，且系統(tǒng)流量過大可能會導致管道、元件泄漏，影響其他系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障?？紤]實際應用，綜合以上結論分析應優(yōu)先選擇較低流量系統(tǒng)作為設計條件。

（二）液壓缸伸縮仿真分析。液壓缸共進和縮回的位移和缸兩側腔體內油壓如圖8、圖9所示。單向閥全程導通，換向閥0-8S左得電，無桿腔進油液壓桿伸長；因為在理想條件下仿真，理論上液壓缸不受外部載荷影響，所以0-6.4S內各腔內壓力為0；當液壓桿伸到工作位置時，無桿腔壓力為11MPa，液壓桿開始對鋼絲施加壓力；工作完成后，換向閥15-20S右得電，液壓桿向縮回至原點，有桿腔壓力為18MPa。整體液壓桿移動較為穩(wěn)定，兩側腔室壓力變化也符合設計要求。

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

圖10 輸入電壓與溢流閥壓力關系

圖11 輸入電壓與液壓桿推力關系

由圖10與11可以看出：在開啟液壓系統(tǒng)時依次從小到大再從大到小輸入電壓信號，溢流閥壓力和液壓桿推力也隨之呈正相關變化。除了在開始液壓元件再受到沖擊后出現(xiàn)“突起”以外，其它工作下輸入的電壓信號和溢流閥受到的壓力和液壓桿推力大小互相對應，且考慮到液壓桿自重等其它因素下，圖中輸入的往返信號對應的目標值也幾乎重合，符合系統(tǒng)的設計目的。

五、結論

（一）針對目前張力調節(jié)在實際應用中多數采用吊取不同重塊來機械制改變壓力，這會出現(xiàn)使用成本高，操作危險等問題，設計了一種改變壓力大小的來調節(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）根據設計的液壓系統(tǒng)原理圖，分析纏繞機實際工作要求，通過理論計算，選擇合適的元件搭建液壓系統(tǒng)模型，確保液壓系統(tǒng)設計的合理性和實用性?？蔀槠渌麎毫φ{節(jié)相關研究提供理論參考。

（三）通過分析液壓系統(tǒng)仿真，對比不同流量下比例溢流閥進出口壓力實驗結果，得到了液壓缸穩(wěn)定的工作過程，驗證了電信號調節(jié)壓力的可行性。