（控制理论与控制工程专业论文）复卷机机电系统的分析与研究.pdf

复卷机机电系统的分析与研究 摘要 论文对复卷机的退纸部、纵切部和卷纸部等机械结构进行了讨论，对复 卷过程中卷曲理论基础，实际的卷曲方法以及当前卷曲模型进行了分析，给 出了复卷过程中韵纸卷径向和切向的应力变化的数学模型，从而可以通过控 制影响纸张残余应力的三个主要因素：纸幅张力( t e n s i o n ) 、压区压力( n i p l o a d ) 、扭矩( t o r q u e ) ，简称n 盯，来得到高质量的成品纸卷。为了控制这 三个主要因素，对复卷机机电系统中的传动机构、控制要求、过程曲线以及 控制方案进行了阐述，并对满足这些指标的两种可行的复卷机机电系统控制 方案进行了深入探讨，其一为基于直流传动控制系统的转矩控制方案，另一 个是基于交流传动控制系统的转速控制方案。最后，对复卷机机电系统的发 展趋势进行了展望。 在基于直流传动控制系统的方案中，对于三个传动点的主回路控制，总 体上都采用转速电流双闭环控制。论文中分析了复卷机直流传动控制系统的 总体方案。针对纸幅张力控制子系统，采取了转矩控制，采用了间接张力控 制与直接张力控制相结合的一种复合张力控制法，用间接张力控制补偿主要 扰动量，已近似保持退卷张力恒定，有力地减轻了张力调节环的负担，使直 接张力调节器只起微调作用，这样既使系统易于稳定又得到很高的控制精 度。同时，给出了原纸卷转动惯量的计算公式，以及相应的离散化方程，分 豳墅幽盗磬醋誊省丝 析了原纸卷转动惯量的影响，指出由于原纸卷的转动惯量是渐变的，所以弱 磁调速过程对原纸卷惯性转矩的补偿计算，应该允许电流继续变化，这样才 能保证纸幅张力的稳定。在系统升降车速过程中，纸幅张力的稳定受到诸多 因数的影响，论文中定性地进行了讨论，并提出了一个在此情况下的张力补 偿方法。 在基于交流传动控制系统的方案中，针对应用于复卷机控制的交流传动 装置a c s 6 0 0 ，阐述了直接转矩控制( d t c ) 的原理。根据弹性力学中的虎克 定律，分析了当纸幅的变形处于弹性变形范围内时，纸张的应变与张力成正 比。而纸幅的应交又可以用纸幅运行两端的线速度来表示，所以控制纸幅的 张力，就等效于控制纸幅的应变，也等于控制纸幅两端的线速度。计算出原 纸卷的半径后，则控制其线速度可以通过控制其电机转速来实现，从而提出 了用转速控制来实现恒张力控制。同时，重点分析了卷径计算、张力控制方 式的选择、初始半径的确定方法、速度基准是如何处理的以及再生能量的处 理方法，并确定了处理方案。 通过对两种可行的复卷机机电系统控制方案进行的对比，得出两种方案 都能满足复卷的需要，各有各的特色。 关键词：复卷机，机电系统，直流传动，交流传动，张力控制 ，捌盥幽固豳础翻骝l 一 a n a l y s i s & r e s e a r c ho f w i n d e r e l 电c t m c x t y & m a i c l 咖s y s t e m f o rw i n d i n gp r o c e s s ，t h et h e s i sa n a l y z e dw i n d i n gt h e o r y , p r a c t i c a lw i n d i n g t l sa n dw i n d i n gm o d e l s ，a n d 烈i u dt h ei n t e r n a lr m ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e 鞠d i a ld i r e 溆o rt a n g e n t i a ld i r e c t i o n t h eb a s i cw i n d i n gp a r a m e t e r si nt h e t w o d n 皿w i n d e ra r et h es o - c a l l e d 哪s e t ：t e n s i o n ，n i pl o a d ，a n dt o r q u e 恤u g h c 删l 岖“州，w e l l ，m e p 啊r o l lc o u l d b e 刚q u a l 时t oc 删琴 1 n r ，w e l l t h et h e s i se x p a t i a t e do nd r i v em a c h i n e ，c o n t r o ln e e d s ，p r o c e s sc u r v e - 锄da 眦l 仃o l 瓢曲黜，a n dd i s c u s s e dt w ov i a b l ec o n t r o ls c h e m e so f w i n d e r d r i v e c o i m 0 ls y s t e m o n ew a st o r q u ec o n t r o ls c h e m eo nd c d r i v ec o n t r o ls y s t e m ，a n d t h e0 1 甑e rw a ss p e e dc o n t r 0 1 , s c h e m eo na c d r i v ec o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , t h e d e v e l o p m e n to fw i n d e re l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mw a sb r e j 晦i n t r o d u c e di nt h e f u t u r e i nt h es c h 咖eb a s e do nd cd r i v ec o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o lo f t h r e em a i n 嘶v el o o p sa d o p t e dd o u b l ec l o s e dl o o po fs p e e d & c u r r e n tc o n t r o ls y s t e m t h e t h e s i sa n a l y z e dt h ew h o l es c h e m eo fd cd r i v ec o n t r o ls y s t e mf o rw i n d e r t h e s u bs y s t e mo f t e n s i o nc o n t r o la d o p t e dt o r q u ec o n t r o l ，a n dw a s ac o m p l e xt e n s i o n c 0 】m l 双曲c m et h a td i r e c tt e n s i o nc o n t r o lc o m b i n e dt o g e t h e r w i t hi n d i r e c t t e n s i o nc o n t r 0 1 i n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o le q u a l i z e dm a i nd i s t u r b a n c e s ，a n dd i r e c t t e n s i o nc o n t r o la d j u s t e ds l i g h t l yt h ew h o l es y s t e m f o ri n e r t i ao ft h eo r i g i n a l p a p e rr o l l ，t h et h e s i sg a v eac a l c u l a t i o n ，a n da n a l y z e di t si n f l u e n c e t ot e n s i o n s t a b i l i t y , i n e r t i at o r q u eo ft h eo r i g i n a lp a p e rr o l ls h o u l db ee q u a l i z e di nt h e 删 p r o c e s so fw e a k e n i n gm a g n e t i cc o n t r 0 1 i nt h ea c c e l e r a t ep r o c e s s0 1 d e c e l e r a t e p r o c e s s ，t h em e t h o d o f t e n s i o ne q u a l i z a t i o nw a sd i s c u s s e dt ot e n s i o ns t a b i l i t y 1 nt h es c h e m eb a s e do na cd r i v ec o n t r o ls y s t e m , t h et h e s i se x p a t i a t e do n t h et h e o r yo fd t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) a c c o r d i n gt oh o o k e sl a w , t h e r e l a t i o no ft e n s i o na n ds t r a i ni np a p e rw a sa n a l y z e d w ec o u l du s et h es p e e d d i f f e r a n c eb e t w e e nr e a rr o l la n du n w i n dr o l lt oe x p r e s st h ep i l p o rt e n s i o n t o t e n s i o ns t a b i l i t y , i tw a sv i a b l et oc o n t r o lt h er e vo fu n w i n dr o l lm o t o r t h et h e s i s a n a l y z e dt h ec a l c u l a t i o no ft h ep a p e rr o l ld i a m e t e r , t h ec h o i c eo ft h et e n s i o n c o n t r o ls c h e m e ，t h es o l u t i o no f t h e 耐g i l l a lp a p e rr o l lr a d i u s ，t h es o l u t i o no ft h e b a s i cs p e e d , a n dt h em e t h o da n ds c h e m eo fe n e r g yr e g e n e r a t i o nt r e a l m e n t i na d d i t i o n ，t h et h e s i sp r o c e e d e dt h ec o n t r a s tt ot w ov i a b l ec o n t r o ls c h e m e s o fw i n d e rd r i v ec o n t r o ls y s t e m t w os c h e m e sc o u l ds a t i s f yw i n d i n gd e m a n d s w i t hc o n t r o lt h e o r y , c o n t r o lm o d e ，a n dc o n t r o le f f e c t k e y w o r d s ：w i n d e r , e l e c t r i c i t y & m a c h i n es y s t e m ，d cd r i v e ，a cd r i v e ， 1 结论 i i 复卷机概述 在造纸生产过程中，由卷纸机卷得的纸卷比较松软，内部破损和断头较多，两侧边 缘不整齐，纸幅宽度多不能直接使用于纸加工或印刷等机械。为了适应印刷和纸加工中 对卷筒纸的要求，都要在复卷机上进行复卷来生产出合格的纸卷。复卷机的主要结构参 数是能处理的纸幅宽度和最高车速，其次是退纸和卷纸的最大直径、切纸方法和传动型 式。其通常安装在紧接着造纸机的后面，可以用吊车直接将卷纸机上的纸卷吊装到复卷 机的退纸架上，在复卷机上除去质量不好的纸张，粘接断头，切成所需的宽度，并在纸 卷芯上卷成具有一定纸幅长度的、一定直径的纸卷。纸卷应具有所要求的紧度和平整的 分切段面，这样才可以形成符合一定规格、一定紧度要求的成品纸卷出厂。 复卷机按照其不同的应用可为预复卷机、精复卷机、专用复卷机。 ( 1 ) 预复卷机 警 主要应用于较宽幅门和较高车速造纸生产线的完成工段，放置于造纸机卷纸机的后j ； 部或完成设备的前面，为后续工段的高效率、高质量的生产做好准备，如进入高速涂布 设备或超级压光机等。由于后加工设备工作车速较高，为保证其高效率和低损耗，就对 原纸卷要求同样具有较大的直径。考虑到纸卷较重，因此其退纸卷芯和卷纸卷芯与造纸 机上卷纸机的卷纸辊采用相同的结构，即均为钢制结构，其两侧均带有与传动相配的联 轴节。 在预复卷过程中要完成下列工作：对造纸机下机的纸卷断头进行平整的粘接； 按照纸品要求进行切边以适应涂布机和超压机使用要求；预复卷后的纸卷应具有较好 的外形几何尺寸和较为理想的紧度曲线。 ( 2 ) 精复卷机( 成品复卷机) 一般应用于生产成品纸卷，放置在造纸机或超级压光机后，其复卷完成的纸卷进入 完成工段进行打包、封头及贴标等后续工作。由于复卷后的成品纸卷经过包装后将直接 进入印刷机，因此对纸卷具有较高的要求。 复卷机是造纸机械中运行速度最快的设备，由于造纸厂的规模逐年扩大，对复卷机 的能力提出了更高的要求。现代复卷机随着机械加工精度的提高和计算机控制水平与造 纸设备的完美结合，其工作车速和控制水平有了较大的发展，国内设备其最高工作车速 盥剜誊甾鎏盏龇 达到1 8 0 0 m m i n ，最大工作幅宽5 5 0 0 r a m 。而国外先进水平的复卷机最高工作车速达到 2 8 0 0 m m i n ，最大工作幅宽达到1 0 0 0 0 m m 以上。 一般复卷后的纸卷用纸芯，其规格主要有c b 7 6 m m 和中1 5 2 m m 两种。 成品复卷机有下列几种类型。 上引纸复卷机 上引纸复卷机中纸幅通过纵切机构，绕过压纸辊而卷在纸芯上。纸卷由两只卷纸底 辊支撑着，纸卷中心随着纸卷直径的增加而升高，压纸辊和纵切机构也随之上移。这种 型式的复卷机的优点是引纸方便，结构简单，操作方便，维修简单。但也有不足之处； 由于压纸辊和纵切机构压在纸卷上方，结果造成纸卷与支撑底辊的压区的压力增大，如 元压纸辊和纵切机构的平衡装置时则卷曲出的纸卷较硬( 压区压力越大则纸卷越硬) ；其 次纸幅在压纸辊后直接就卷到纸卷上，靠两个支撑底辊的传动扭矩差来控制纸卷硬度的 可能性很小，因此纸卷硬度无法控制。此类型复卷机多用于低车速的复卷生产。 下引纸复卷机 下引纸复卷机如图1 - l ，本论文中针对的就是该种复卷机。纸幅从机器下部绕过底 辊进行卷曲，纸卷从退纸架经过导辊后进入纵切装置，绕过支撑辊然后卷在纸芯上。在 复卷过程中，纸幅张力把纸卷拉向卷纸底辊使逐渐增大的纸卷得以稳定，并在高速与运 行时保证卷纸质量。该类型复卷机还可运用变化两个支承辊的传动转矩差，结合压纸辊 与纸卷间压区的压力调节，对纸卷质量作很好的控制。这类复卷机的纵切机构安装在固 定位置上，避免了轴向窜动，使切纸精度得到保证，易于分卷；并且大部分转动部件靠 近地面，重心低，在高速运行中仍然保持稳定，因此它使用得较广泛，能处理从低定量 纸直到纸板等品种。 压幽l 图1 - 1 下引纸复卷机示意图 v 培 - im a po f t w o - d r u mw i n d e r ( 3 ) 专用复卷机 复卷特殊纸种如低定量印刷纸、压感纸、聚乙烯涂布纸、硅酮涂布纸、双面超压的 美术纸和玻璃纸等时，要求较高。在双辊复卷机上，纸卷与支承辊间的压力随纸卷直径 嗣鼬蕊隧幽龋童啦一一一一一一 增大而增加，造蛾过大的纸卷硬度和其他纸瘸。虽然这些闻题可能借助于压辊压力平衡 机构将纸卷减重而在一定程度上有所克服，但还不能完全令人满意。因此，其中一些纸 种仅能在双底辊复卷机上复卷较小直径的纸卷，而另一些纸种甚至不能在双底辊复卷机 上复卷。 - 为了适应这些对硬度控制非常敏感的纸种，发展了各种类型的专用复卷机，如双辊 双面复卷机、单辊双面复卷机，其共同的特点是纸卷的重力不支承或部分支承在支承辊 上。 这类复卷机优点是：由于每个复卷纸卷是单独控制的，任何横向波动( 如厚度变化或 松边) 都能较容易地被补偿。但缺点是要求复杂的多重控制，引纸和变换规格所需时间长， 而且投资较高。 盘纸分切机也是一种专用复卷机。设计有各种不同的纸幅运行线路，专供纵切和卷 取1 5 2 0 0 r a m 窄幅盘纸如电容器纸、卷烟纸和电缆纸等，设计车速可达到6 0 0 r e r a i n 。 薄纸复卷机用于复卷薄皱纹纸，最多可同时卷取四层薄纸。近来，实现了在复卷部 分中进行纸幅压光，所以复卷机演变成为包括退卷、压光和复卷的联合机组。这种复卷 机靠调节速差来复卷具有既定的起皱比率的皱纹纸，并且在复卷周期中保持恒定。因此， 它比普通的复卷机所需的传动精度要求更高。 擎 由于纸机的抄造过程是连续性的，纸卷的更换并不需要停车，所以相配套的复卷树 生产能力就显得很重要了。分析复卷机的生产能力时，要考虑到复卷机生产中的两个特耄 点： ( 1 ) 复卷机的生产能力应与造纸机的生产能力相适应，否则将影响造纸车间生产 的连续性： ( 2 ) 复卷机是一种间歇性生产机器，影响复卷机生产能力的主要因素是复卷机的 纸宽、车速、辅助工序所需的时间和卷取纸卷的直径。 复卷机的幅宽是和造纸机相适应的，没有选择的余地。 复卷机的车速和辅助工序所需的时间( 决定于复卷机的机械化程度) 对其生产能力 的影响，在不同的条件下是不同的。对低速的复卷机提高车速能明显的增加其生产能力。 但对于高速复卷机，仅仅进一步提高其车速时，对其生产能力的提高没有明显的影响。 卷取纸卷的大小能够影响到复卷机中辅助工序所需时间的比例，因而也能影响到复卷机 的生产能力。 现代化的复卷机车速已经很高，但真正在最高车速下运转的时间是很短的。相反， 用在辅助工序上的时间所占的比重越来越大。所以便辅助工序机械化，减小辅助工序所 需的时间，对提高复卷机的生产能力是很有意义的。由于电子技术的飞跃发展，高度自 动化、智能化的复卷机已在国外筒世，除接头需要人工处理外，整个卷取过程能自动完 盥蟹遨盔塑譬篁鋈丛 成的复卷机，甚至改变分切规格都可自动完成，用在辅助工序上的时伺非常短而且操作 工人非常轻松，显示出复卷机电气传动今后的发展方向。m 1 2 目前造纸行业中先进复卷机的发展状况 2 0 世纪9 0 年代造纸机的发展突飞猛进，新装备不断涌现。复卷机也取得了向步发 展，展现出了大量高新技术成果。现代复卷机发展的主要技术成就如下： ( 1 ) 复卷机的车速提高了，设计车速已达3 0 0 0 m m i n ，工作车速已达2 5 0 0 m m i n ， 复卷机幅宽展达1 0 m 之多，与纸机同步发展； ( 2 ) 出现了适用不同纸种，纸板复卷的各种形式的现代复卷机； ( 3 )满足了市场对大直径卷筒纸的需求，由原来只能复卷直径为8 0 0 一- 9 8 0 m m 的 卷筒纸，逐步发展到能卷直径为1 1 0 0 1 5 0 0 m m ： ( 4 ) 现代复卷机的控制水平，自动化程度大幅度提高。复卷中的许多人工操作实 现了自动化，手工操作大量减少。现在，已研制开发出连续复卷的现代复卷 机，并已创下了连续3 4 0 小时不停机进行非正式复卷的记录。 当今世界，在现代复卷机制造技术方向，居于领先地位的有两家公司，一是v o i t h s u l z e r 公司，另一个是m e t s o ( 美卓) 公司( 原v a l m e t 公司) 。其中典型的复卷机有以下 几种： ( 1 ) w m d n 埘一双鼓复卷机 w m d m m 主要技术特点如下：纸幅运行平稳。传送纸幅顺畅平和，因为采用了 纸惯量分段导辊。具有高效、可调和易于操作的纸幅分离机构。复卷控制与电气传 动控制集成在一起，从而获得极佳的纸幅张力控制。复卷中可旋加最大的加速度，方便 操作。退纸、纵切和卷纸互相分离，取得了最佳的避振效果，各部振动的相互影响， 可减小到最低限度。压纸辊卸荷系统，不会因振动而减小其减荷作用，从而保证复卷 纸辊具有均匀一致的紧密度。整机结构坚固，稳定性好。 w m d r u m 对于复卷小直径卷筒纸、复卷紧度小的未涂布高级文化纸和纸板以及要求 复卷质量不高的纸种，还算是理想的复卷机。 然而w m d r u m 存在着双底辊复卷机的共同缺点，就是不适合要求复卷质量高、特 别是不适合复卷大直径的卷筒纸。 ( 2 ) w m b e l t 一辊带式复卷机 该复卷机适用于复卷新闻纸、s c 、m f c 、f c o 、l w c 、涂布w f 和特种涂布纸板， 适合复卷大直径卷筒纸。 w m b e l t 复卷机是将典型的双鼓复卷机保留一只底辊，而另一只底辊取消，用在两 一，一一一嗣鞠戤晒鳓嗡萄翟瞄一一一 只小辊上包绕的特殊橡胶皮带所形成的皮带床来代替，采用皮带床承托或支撑复卷纸辊 进行复卷的复卷机。 w m b e l t 复卷机是建立在如下复卷理论基础上的，即复卷压区压力越大，纸卷紧密 度越大：复卷扭矩越大纸卷紧度也越大。采用皮带床就是可以通过控制皮带的张紧程度 来调节复卷压区压力和扭矩，以保持复卷自始至终紧密度一致，防止由于紧密度不一致 和纸卷外层紧密度过大丽出现上述诸多复卷纸病。从而，既可复卷大直径卷筒纸，又可 提高复卷质量。 w m b e l t 复卷机特点如下：皮带床复卷机是根据纸卷直径的变化，调节皮带张力 和压纸辊压力，通过三个变量进行综合控制的。应用皮带床可有效地利用皮带与纸卷 之阆产生的高摩擦作用。来控制施加在纸卷外层的复卷扭矩，从而，达到控制纸卷紧密 度并使其均匀一致的目的。控制了复卷扭矩，纸幅在复卷中被拉紧的程度就得到了优 化，因纸张厚度变化而产生的直径差和压区压力的波动也就大幅度减小了。 ( 3 ) w i n a i r 一气垫减压式复卷机 该复卷机适用于新闻纸和高透气度的纸种的复卷。 w m a i r 复卷机是将两底辊之间的空间密封起来，通入压缩空气，形成一个气垫，应 用气垫支撑纸卷，降低复卷压区压力进行复卷的复卷机。 撩 应用气垫减压的原理是，通过向气垫通人压缩空气，使气垫压力不断增加，从而，嚣 支撑纸卷的力也逐渐加大，这样就可以抵消在复卷过程中因纸卷直径增大、质量增大而i 导致的复卷压区压力的增加，以维持恒定的压区压力。确保纸卷的紧密度均匀一致，实 现既能复卷大直径的纸卷又有利于消除复卷纸病提高复卷质量的目的。 由于气垫卸荷系统比较容易实现，投资少、见效快，是改造老式双鼓复卷机的最佳 技术选择，从而，能尽快的使双鼓复卷机能复卷大直径纸卷和改善复卷质量。 ( 4 ) j 砒0 0 0 e 复卷机 该复卷机适用于复卷新闻纸、m f c ( 机械整饰涂布纸) 、f c o ( 薄膜涂布胶印纸) 、 l w c ( 低定量涂布纸) 和涂布w f ( 涂布不含磨木浆纸) 。 j r l 0 0 0 e 是多站复卷机的一种，其主要特点如下：复卷的原理是基于均匀的压区 压力分布。可正确的分配卷纸臂、压纸辊和纸卷质量三者的负荷，以获得紧密度均匀 一致的纸卷。采用双中心驱动和膨胀式纸芯顶针，从复卷一开始就能使纸卷的紧密度 达到要求，不会出现纸卷里松外紧和出现星形等复卷缺陷。j p a o o o e 配置了三个转鼓， 采用了对称排列结构，对纸卷只傲圆周支撑，因此，纸芯和纸芯顶针不承受高负荷。 转鼓直径为 8 5 0 m m ，压区宽度窄，负荷较低，可改善纸卷结构，并减少了空气卷入。 该复卷机具有两个卷纸站，都能进行准确的压区压力控制和平稳无振动的运行。压 纸辊采用两小辊包绕挠性皮带，由皮带环路侧压向纸卷。由于有了这种挠性皮带加压的 盥蛋边达警酣兰监 全新结构，不但可使压区压力分布最佳化，而且还可以施加更高的压力负荷。 ( 5 ) w m r o l l 复卷机 该复卷机适用于复卷新闻纸、f c o ( 薄膜涂布胶印纸) 、l w c ( 低定量涂布纸) 、不 含木浆涂布纸和适合复卷超大型卷筒纸。 w m r o l l 复卷机是多站的另一种型式，其主要特点如下：( d v a l m e t 公司设计的这种 新型多站复卷机，主要是为s c 、l w c 、不含磨木浆涂布纸等纸种，复卷大型和超大型 纸卷而使用的。高车速，纸张通过复卷全程时间短。全自动功能，只需一人操作。 ，纸卷的紧密度主要是由复卷扭矩控制的。皮带压纸辊的结构是由两根小辊包绕挠性 皮带而构成的。由皮带环路的一侧压向纸卷，同时，这种压纸辊可沿纸卷的圆周向下移 动。复卷开始时，压纸辊支撑纸芯，施加需要的压区压力：当纸卷直径增大，自身重量 增加时，压纸辊可以逐渐沿着逐步纸卷的圆周向下移动，逐步担负起减压的功能，以确 保纸卷里外层紧密度均匀一致。皮带压纸辊到后来可从下面支撑纸卷，减压幅度大， 同时，压纸辊的托力可使纸芯受的机械应力大幅度减小，纸芯不易变形，正因为这样， 可以复卷出重量达l o 吨之多的大型和超大型纸卷。m 2黼蛹瓣糖 2 , 1 背景分析 在第一章中，已经简单介绍了当前复卷机的种类和生产能力的分析，以及目前先进 复卷机的发展状况。基于当前国内造纸行业飞速发展的要求和国内、国际用纸市场的需 求，如何通过研究复卷机的性能和姜求，分折和提高复卷机机电系统性能，使我国的复 卷机整个控制系统能达到国外先进水平。克服限制我国造纸行业进一步发展的瓶颈，已 愈发显得必要和紧迫。 其实，复卷机机电系统就是为了提高复卷机生产能力和改善纸卷质量加在其上的设 备和控制装置。 首先，是要增加复卷机生产能力用来满足速度越来越高的现代化纸机生产线。在第 一章中已经提到，目前复卷机车速已经很高了，但真正在最高车速下运转的时间是很短 的。相反，用在辅助工序上的时间所占的比重越来越大。所以使辅助工序机械化，减，j 辅助工序所需的时间，对提高复卷机的生产能力是很有意义的。辅助工序大致可以分成： 这些：( 1 ) 吊装原纸卷；( 2 ) 在底辊处按放纸筒芯；( 3 ) 将纸头接引到底辊处；( 4 ) 将 纸头粘贴在纸筒芯上：( 5 ) 压纸辊压下；( 6 ) 开机：( 7 ) 复卷结束，压纸辊抬起；( 8 ) 自动切纸；( 9 ) 成品纸卷卸辊：( 1 0 ) 分切装置的自动精确定位；( 1 1 ) 断纸的自动判断 与处理。目前，国产复卷机在辅助工序实现全自动化这一块整体做的都不是很好，在生 产实际中，花费了许多时间，其中有技术的原因，也有劳动力成本的因素。而在进口的 高档复卷机中，这些过程已经全部是自动完成的。 第二个目标，是要通过复卷机得到一致的、好的纸卷质量。对于成品纸卷卷取质量 的评价，主要包括两个方面，( 1 ) 外观要求，即分切端面是否平整光滑，没有台阶形状。 ( 2 ) 内在质量的要求，是不允许在复卷过程中纸张出现打摺现象；是紧度在纸卷径 向上的分布要求，考虑到纸卷的储存、运输以及用户设备的需要，要求成品纸卷的紧度 在径向上分布均匀，并呈递减性态，俗称内紧外松。用纸张的残余应力可以评价纸卷紧 度的分布情况，即纸张的残余应力要小而均匀。m 影响纸张残余应力的因数主要包括三 个方面；纸幅张力( t e n s i o n ) 、压区压力( n i pl o a d ) 、扭矩( t o r q u e ) ，简称n 盯，也 是本论文讨论的复卷机机电系统所涉及的主要方面。为了达到纸卷对紧度的要求，需要 对这三个方面进行严格控制。图2 - i 是一个典型的双底辊下引纸复卷机舶简单工作示意 盥蟹蕾盈逝篁龇 图，对这三个方面进行了说明。 从图中可以看到，纸幅张力是纸张从原纸卷至后底辊这一段运行期间的张力，要求 纸张在这一段期间内张力平稳。否则纸幅会出现横向偏移，造成纸卷端面不齐，形成台 阶形状，严重时会出现打摺，同时如上所述会影响蛩i 纸张的残余应变。 扭矩。l i c l 。 图2 - t 复卷机工作示意田 n 昏2 1s k e t c h 咖po f t w o d r u mw i n d e r 压区压力如图中所示，指压纸辊对成品纸卷形成的压力，通常为液压驱动，可通过 控制液压比例阀门控制压纸辊压力，一般需要设置由程序控制的压力曲线，随着成品纸 卷直径的增大使得压力逐渐减小。 扭矩为前后底辊电磁输出转矩之差，在复卷初期，要求纸卷硬度大一些，随着成品 纸卷直径的增大，两个转矩的差别逐渐减小，趋于相等，甚至有时要求出现负值，即使 得前底辊转矩略小于后底辊转矩。 2 2 课题提出 在上一节中已经阐述，对纸幅的张力控制、压区压力控制、前后底辊扭矩控制是设 计复卷机机电系统必须考虑的三个核心问题。通过前后底辊电机来驱动整个系统，控制 退纸辊电机( 驱动原纸卷) 的电磁制动转矩来控制纸幅的张力，再辅以压纸辊压区压力 控制和前后底辊的扭矩控制以达到成品纸卷的控制要求。相对而言，压区压力控制以及 扭矩控制，由于其控制对象相对较为单一，控制手段较为明确，控制过程易于实现，所 以对这两个控制环节的研究，不在于怎样去实现控制，而在于如何评价控制效果的优劣， 从而能够得到针对不同纸种的最佳控制曲线，进而提出对设备结构的改进意见。因此对 这两个环节的研究，其意义重大，然而却需要多方面的配合才能完成。 相比之下，纸幅张力控制效果的好坏，则在很大程度上依赖于复卷机机电系统本身 的设计是否科学合理。其中牵扯到驱动电机的选择、驱动装置的选择、控制方案的制定 等等因数。而控制方案的制定无疑是问题的关键，目前国产复卷机的机电系统中的张力 控制，大致可以分为两类：直接张力控制方案、间接张力控制方案。而在电机的选择上， 目前在对国内复卷机机电系统进行设计时，大多仍采用直流电机驱动的模式，即所称的 直流复卷机。基于直流电机驱动的控制系统，在对电磁转矩的控制上是很容易实现的。 一般的数字式直流电机驱动装置，都是典型的转速电流双闭环控制系统，并配有丰富的 参数界面，可直接对电流环参数进行设定，在有些装置中允许对输出转矩进行直接操作。 然而目前国内引进的进口高档复卷机，几乎都是交流复卷机。m m m 说明国外厂家对复卷 机的研究不仅在设备制造方面走在了前面，而且在控制策略的制定方面也有独到之处。 陕西科达电气公司曾经独立为两台交流复卷机研发设计了一套张力开环的转速控制方 案，所采用的方法是通过转速控制来控制纸幅的张力，并且使用了张力传感器。具体方 案是以转速控制为主要控制量，张力传感器信号作为辅助控制，以抵消张力波动的影响。 由于目前复卷机的速度越来越高，针对高速复卷机设计的传动控制系统通常将所有 的控制策略以及控制算法都集中在一个控制器中( 如p i ) ，这样便于对整个系统的参 数进行优化，还便于和上位控制系统通讯，由于整个系统高速运行，而且不停地在交换 数据，这就对系统的通讯速率提出了较高的要求。 瀑 基于上述的分析，本论文将在分析复卷机机械结构和卷曲模型的基础上，来探讨漫 卷机机电系统中直流和交流两种传动控制方式。 ? 2 , 3 课曩内容与分布 本论文将在第三章中讨论复卷机的退纸部、纵切部和卷纸部等机械结构。第四章中 讨论复卷机的卷曲理论，并分析了实际的卷曲方法，给出了卷曲模型。在第五章中，将 分别讨论主传动为直流和交流复卷机传动控制系统。分析复卷机的控制要求、过程的曲 线，讨论并分别设计了控制方案。分析了直流传动控制系统如何进行张力控制的，以及 弱磁调速过程的分析，并且还对原纸卷转动惯量对系统的影响进行了分析。分析了交流 传动控制系统中交流调速控制的方法，控制系统中卷径的计算，速度基准的处理，张力 控制的方案设计，以及再生能量的处理。最后，进行了两种控制系统的对比。 3 复卷机的机械结构 3 1 退纸部 纸卷安置在退纸架上，为了从纸幅两侧切下的纸边宽度一致，退纸卷应能沿轴向移 动调位。而在新式的结构中纸卷连同退纸架整体移动，以保证退纸架有较大的剐度。除 了用手动装置移动纸卷外，还可采用气动、电动或光电装置自动调节其轴向移动，这就 可使复卷机上的切边较窄，仅为5 l o m m ，而在手动调节的情况下切边约为2 0 2 5 m m 。 退纸机构备有空卷纸轴的卸出装置。它由一对绞接装设的液压操纵的杠杆和放置空 卷纸轴的附属托架组成。借液压缸之助将空卷纸轴从退纸架的轴承座中抬起，然后沿着 一对与绞接的杠杆搭接的水平导轨滚出，让出了空轴承座使下一个准备放到架上去的退 纸卷可直接吊入，因而加快了退纸卷的调换。近来也有采用无轴退纸架的。它用无轴的 原纸卷，简化了操作。它可以适应多种纸卷芯直径和纸卷幅宽，比传统的带卷纸轴的纸 卷在退纸时稳定性好，尤其是在小直径纸卷芯和窄幅纸卷上吏是如此。 无轴退纸架上装备了压缩空气操纵的纸卷芯卡紧锥头。当纸卷借升降台送上退纸架 时，两边的机架即向中间推移以适应纸卷宽度。然后借压缩空气操纵的纸卷芯卡紧锥头 从两端插入纸卷芯孔中以支承纸卷。纸卷芯卡紧锥头同时，使纸卷与机架上的轴承及制 动器连接。 退纸卷的卷纸轴上装设有联轴节，在工作位置时通过气动装置使之与制动器和传动 电机相连接。现代化高速复卷机在启动时，从零升速到2 0 0 0 m m i n 的加速时间是在5 0 - 6 0 s 内完成，而制动时减速时间为4 0 s 甚至更短。复卷机上退纸制动器要考虑纸卷在最大直 径和最高车速时的制动要求，以减少断纸时的纸损耗。制动器常用的有气动刹车器、磁 粉制动器及机械刹车装置等。在通常情况下，制动发电机与其他刹车装置结合使用，在 引纸时电机启动纸卷，进入加速和工作状态后由电机进行张力控制，在紧急制动时，电 机与其他刹车装置同时动作将纸卷尽快停住。 3 2 纵切部 纵切机构是复卷机最重要的部件之一。平直而光滑的切边能保证分卷容易，并保证 印刷时减少起毛。纵切机构应尽可能靠近纸卷安装，使切开的纸幅在卷纸前的行程中减 一一一，一篙辫躺曝黼j l j s 警骧。一一一一；。一一 少或不产生横向的位移。 纵切机构按切纸原理分为两大类：压切机构与剪切机构。而前者又可分为装在纸卷 上方的顶切机构及压切机梅两种。壤切机构是在纸幅正绕上纸卷时进行划切的一种机构。 顶切机构通常是若干刀片串装于一裉轴上，刀片压在纸卷上并可随纸卷直径的增大而上 升。刀轴具有传动机构。这种纵切机构的优点是易于将纸卷分开，但其纸尘较多，纸边 易发毛，而且还需要另外配用一套剪切机构专作两端切边之用。由于顶切机构对狭窄纸 边不太实用，所以它的用途仅限于某些低级纸种。 压切机构是利用刀片把纲幅鲥开的一种切纸方法。纸幅包绕在一个外套有硬度很高 的淬火钢环的刀辊上，旋转口咽刀在一定韵压力下把纸幅划开刀辊具有传动，其线速 及圆刀的线速均与纸逮相同。圆刀靠弹簧或气压与刀辊压紧，借摩擦力被带动。圆刀刀 刃断面呈v 彤，尖部略为侧嚼： 压切机构与剪切机构相比其优点是结构简单且易于调节纵切宽度。此外，对于薄 皱纹纸，压切对多层纸幅有协边封口作用，切边光滑。但压切的主要困难是不容易选定 刀辊上的钢环以及圆刀的硬度。钢环比圆刀的硬度大时，刀片很快变钝；相反时钢环上 会形成刀痕。随着复卷机变得更宽和更高速，压切机构已变得不那么普遍，因为所需用 的刀辊太大，不太现实，丽且圊刀维修量也太大。 剪切机构具有一对剪切圆刀，分别装在两报轴上，成对地互相咬合，把纸幅用剪开蒜 的方式分切开。由于它能保证纸的切边光而平滑，刀片的耐磨性高，故用得非常普遍。i 甚至在最高速度下，对于以低定量的纸到高定量的纸扳剪切都能获得很高的纵切质量。 剪切机构又有如下的几种类型： 较老式的剪切机构中，上下两组圆刀都是盘形刀。上刀和下刀各自串装在一根轴上， 上下刀的直径相同，要仔细地调节咬合度( 咬合度是上下刀交叠处沿中心联线上的交叠 尺寸) 及轴向压力才能获得良好的剪切效果。咬合度一般约为1 5 - 2 r a m 左右。如果咬合 度太小，则易断纸或产生切边发毛：咬合度过大，则纸幅易切坏，纸边易拉破。这种机 构在旧式机器上仍有采用。 在典型的剪切机构中，上刀为圆盘形，借下刀通过摩擦传动。下刀为碗状刀，刀轴 有传动机构。上、下刀可沿刀轴横向调整，以调定切纸宽度。装刀的准确度要求为 0 5 r a m ，刀的副数按所切的纸幅裁数来确定。在该结构上，每个上圆盘刀各自装在一根 偏心轴上，偏心轴装在刀架上，若干个刀架共同固定于一根上刀架轴上。上圆刀装有弹 簧，以便给下刀以必要的轴向压力由于上因刀韵刀架是分开的，可借各自单独配置的 偏心轴调节咬合度，咬合度豹调节就与刀的直径大小无关，并且在个别刀片磨钝后可以 单独地拆卸更换。简化了维修工作。还有些装置在每个上刀架上装了一个小气缸，这样 可在引纸时借各气压缸的同时作用使上下刀迅速脱开( 两个切边的刀组除外) ，然后再借 一个回转的上刀架轴的主气缸把上刀抬起。纵切时，上刀则按上述相反的程序先同时落 下，再轴向移动与下刀咬合。 在宽幅的复卷机上，为了减小下刀轴的弯曲变形，在轴的中部还装有中间轴承。旧 式的下刀轴是由主电动机通过皮带、链条或齿轮来传动盼。而在宽幅、高速复卷机上， 高速运转的下刀轴容易引起振动 常常为增加刚度丽加太刀轴直径这在结梅上也是难 处理的。现代复卷机多采用下刀单独电动机传动。传动甲刀轴的单独电动机可拟用交流 变速或直流变速的，但都必须由复卷机的主传动电动机来控制，保证在任何速度下有正 确的切纸速比，使刀速扰纸速高1 0 y r 2 0 ，以便获得比较光而平滑的切边。 在第三种剪切机构中，它具有一根多刀槽下刀辊。其上圆刃仍为盘形刀，而下圜刀 改成为套在轴上的带刀槽的环，上圆刀与刀槽的刃口接触。带刀环的下刀辊与盘形刀的 轴都有传动，盘形刀的线速较快。具有刀槽的刀环可为整体的或剖分的。它们与表面光 滑的钢环互相以圆锥面配合，套在刀辊上形成整个辊面，在刀辊韵两端用螺母将其固定。 剖分的刀环在装卸或调整时均较整体韵刀环方便，但在制造和磨削对比较困难。总的说 来，这种配备多刀槽下刀辊的剪切机构，既具有剪切法的优点，又可利用下刀辊作为压 纸辊。使用上还是较为满意，但维修和调整纵切宽度较为麻烦。为了提高耐磨性。剪切 机构的上、下刀可用镍铬钢制造。通常下刀比上刀的硬度高些，上、下刀均须经常研磨 至合适的角度。磨利刀片的使用期限，在纸无填料时为4 - - - 8 个月，纸中有填料时，其使 用期限就要减少。 为了提高工作效率和提高复卷质量，现代复卷机在纵切刀的横向调整上国外部分厂 家采用了步进电机的同步调刀系统，这样可以准确快速的调整纵切宽度，节省辅助工作 时间。同时在复卷某些高填料的纸种或涂布纸时，纵切部带有吸尘系统，使纵切后的微 小颗粒不被带入纸卷中。 高速复卷机的纸边输送系统也非常关键，老式复卷机的纸边基本靠人工进行处理， 当复卷机工作车速超过1 0 0 0 m m i n 时，人工处理纸边已无法操作。高速复卷机的纸边输 送系统通常采用两种方式：风机直抽式和文丘里吸送式。 风机直抽式输送使用离心风机，风机放置于楼面下( 高速复卷机一般放置在二层) ， 风机进口与放置在纵切边刀附近的风管相连，风机叶片上带有刀片，纸边吸人风机被带 有刀片的叶片打碎后送向水力碎浆机。由于纸边经过风机内部，刀的磨损非常严重r 需 要经常更换刀片。 文丘里吸送式输送纸也采用高压离心风机，纸边不经过风机，纵切边刀附近的风管 接至文丘里管，风机在文丘里处产生负压，将纸边吸过文丘里管后送至水力碎浆机，输 送出的纸边为连续的，此种输送方式的缺点是当复卷机车速较高时，选用的风机功率较 大，增加运行成本。 ，： 一一一一捌搬瞄凰黼糊罐霉墨一 3 j i 萼壤赫 ( 1 ) 舒展装置 舒展装置通常是为了使纸幅在纵切后保持切缝分开而设的。在某些纸种中在纵切刀 前也使用舒展器，以消除纸幅的皱纹和松弛窿段，保证纵切良好。常用的舒展器有三种 型式：d 形舒展杆、弧形辊以及z 型双杆舒展器等。 d 形舒展杆是配有间隔约2 5 0 r a m 的一些所谓螺杆的可挠钢杆。螺杆的支架装在位 于纵切机构和支承辊之间的支承架上。这是一种最通用的舒展器，用于除涂布纸和薄皱 纹纸外的大多数纸种。 舒展杆先调整到与纸幅平行，然后朝纸幅内顶入弯成弯拱。弯拱的曲线应是平滑的， 顶入纸幅的深度和弯曲的程度取决于纸种。d 形舒展杆对纸幅有良好的操纵特性，防止 纸幅在纵切后飘移错乱。此外，d 形舒展秆的弯弧形状可以调节以适应纸幅的局部缺陷。 弧形辊舒展器有一根固定的弯轴，在轴上装有挠性的合成材料套管，构成一个弯曲 的转辊。该种辊分为带传动的和不带传动的。传动的弯辊比静止的弯辊产生更好的舒展 作用。在更完善的设计中，用液压操纵远距离控制使得辊的弯度可以调整。该型式舒展 器对于高级纸和涂布纸甚为理想。： z 型双杆舒展器是一种新型结构。对分开数目众多的窄幅纸卷，上述两种舒展器分 卷不理想，而z 型双杆舒展器却能有效地分卷该装置有两个装在杆臂两端的成1 8 0 。 相对的弧形管杆，压缩空气由管内沿全杆上的孔吹出，纸幅先后绕过两杆形成z 形行程， 在包绕弧杆时被压缩空气托住。每个杆的吹气方向和弧度均可回转调节。它对于数目较 多的窄纸卷也能很好的分卷。 ( 2 ) 支承辊 支承辊用以支承纸卷。它是空心铸铁辊或普通管辊，辊体是铸铁管或钢管，其直径 按复卷机幅宽通常在4 0 0 - 7 0 0 r a m 或以上。为了使辊筒达到平衡，辊筒内壁应进行机械 加工。铸铁闷头用红套压入辊筒内，钢轴颈则压入闷头中。支承辊工作部分的相对挠度 不应超过1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 2 0 0 0 。为了补偿挠度，有些支承辊带有中高，两辊之间的中心距比 辊径应大于l o - 一1 5 m m ，在这样近的距离下，放在支承辊上的纸卷芯在开始卷取时才不致 被卡紧在辊间。 支承辊的表面一般是有螺旋线槽或沟纹，借以使辊面与纸卷问的摩擦系数增大和排 出空气以减少噪音。在很多情况下，底辊除开有沟纹外还要进行表面处理以增加耐磨性。 支承辊必须设计成在支承纸卷时挠度最小，且在高速运行时无振动。辊径是复卷机 车速和幅宽