Исследование характеристик электропривода приёмно-намоточных механизмов

Филера опущена в ванну 7.Рисунок 1.33– Схема прядильной машины для полиакрилнитрилового штапельного волокнаЖгуты, которые состоят из расположенных параллельно бесконечных волокон, поступают на 3 первых вытяжных вальца 8, после которых направляются вниз, огибают направляющие ролики 9, которые проходят паровую камеру 10 и идут на вторые вытяжные вальцы 11.Последовательно устанавливают 4-5 прядильных машин, и жгуты, которые выходят с каждой машины, перемещаются по направляющим 12 и далее соединяются в один или два общих жгута, которые поступают на последующие машины агрегата.Таким образом, на всех прядильных штапельных машинах (в которых применяют мокрый способ формования волокна), которые входят в систему поточных линий и агрегатов, нет приемных механизмов. Машины состоят из элементов подачи и дозировки прядильного раствора и элементов формования и вытяжки волокна.Приемные механизмы.Приемные механизмы для формования химических волокон предназначены для того, чтобы принимать вырабатываемые на этих машинах нити и их намотки в паковки определенной формы и веса.Также они применяются для приема, намотки или укладки жгутов штапельного волокна в тех случаях, когда штапельное волокно данного вида не может быть получено на работающей непрерывно единой поточной линии или агрегате.Как приемные механизмы при выработке текстильных и технических нитей используют:а) бобины,б) электроцентрифуги,в) кольцевые веретена,г) колпачные веретена,д) мотовила.На механизмах б, в и г кроме приемки и намотки, выполняют еще и кручение нити.При производстве штапельного волокна по раздельным процессам как приемные механизмы для жгутов используют бобины, навои, тазы.На агрегатах, машинах или поточных линиях непрерывного производства для получения нитей и штапельного волокна отсутствуют приемные механизмы на машинах формования волокна, а прием нитей или волокна в паковки происходит на последнейстадии непрерывного процесса.Тип приемных механизмов агрегатов для формования химических волокон выбираются по условиям формования волокна, его физико-механических свойств и дальнейших технологических процессов обработки нити.Дальнейшие технологические процессы обработки химических волокон, в особенности промывка и отделка, сильно влияют на выбор структуры и формы паковки, следовательно, и на тип приемного механизма.Прядильные электроцентрифуги.Прядильная кружка используется как приемный и одновременно крутильный механизм центрифугальных машин для формования химических волокон.Прядильные кружки приводятся в движение от специальных двигателей, которые называются электроверетенами.Прядильная кружка с электроверетеном и системой управления составляет устройство, которое называется электроцентрифугой.Электроверетено является трехфазным асинхронным двухполюсным двигателем с короткозамкнутым ротором и вертикальным валом.Прядильная кружка электроцентрифуги включает в себя корпус с днищем, пятку и крышку.Корпус крышки выполняется с немного конической формой, поэтому можно легко вынимать наработанный кулич.Кольцевое крутильное веретено выполняет роль приемного и в то же время крутильного механизма на некоторых видах прядильных машин для формования текстильных тканей и почти на всехагрегатах и машинах для непрерывного процесса – формования, отделки, сушки и крутки, получения текстильных и кордных нитей химических волокон.Кольцевое крутильное веретено является системой, которая состоит из собственно веретена 1 (рисунок1.34), которое вращается с высокой скоростью от механического или электрического привода и установленного на веретенном брусе 2. Веретено 1 находится внутри кольца 3, на которое надет бегунок 4, который свободно перемещается по окружности кольца. Точно над центром веретена и, соответственно, кольца находится нитепроводник 5 (клапан).Рисунок 1.34– Кольцевое крутильное веретеноНа веретено 1 надета шпуля, катушка или патрон 6, которые предназначены для того, чтобы принимать и наматывать на них поступающую сформованную нить химического волокна [2].1.3 Приемно-намоточные механизмыГлавное назначение намоточного механизма состоит в наматываниинепрерывно движущейся бесконечной нити на патрон. В намоточном механизме (рисунок 1.35) бобина 3, которая укреплена на вращающемся роторе-бобинодержателе 2, наматывает принудительно подаваемую нить 5на себя и формирует ее в тело намотки 4. Раскладка нити на поверхности наматывания по винтовой линии выполняется с помощью нитеводителя 6 нитераскладчика 7, а укатывание – с помощью контактного цилиндра 9. Передвижение одного из роторов 2 выполняетсяпри росте тела намотки специальным механизмом – подвеской 10, а требуемая сила контактного взаимодействия роторов поддерживается механизмом прижима 1; механизм приводится в движение приводом 8.Рисунок1.35 – Схема контактного намоточного механизмаКогда тело намотки достигает заданной массы, нить 5 принудительно перебрасывается с готовой паковки на уже разогнанный бобинодержатель с пустым патроном парного намоточного механизма, а готовая паковка останавливается и заменяется на бобинодержателе пустым патроном, который готов к новой намотке. При наматывании свойства нити не должны становиться хуже, т.е. истирание нити о гарнитуру и транспортирующие цилиндры, а также натяжение при наматывании должны оставаться минимальными. В то же время слишком слабое натяжение может приводить к недостаточной плотности тела намотки, и возможно сползание нити под действием собственноговеса или при транспортировке.Главные элементы конструкции бобинодержателя: вал с опорами вращения, а также корпус ротора с механизмом зажима. Корпус ротора с механизмом зажима может являться одним узлом.Рисунок1.36 – Конструктивная схема нитераскладчикаНаиболее распространен в намоточных машинах кулачковый тип нитераскладчика(рисунок 1.36), обеспечивающий раскладку при скорости приема до 1200 м/мин. Цилиндрический кулачок 1 с замкнутым винтовым пазом 5, находится в корпусе 2. В пазу на направляющей3расположен нитеводитель 4. Как кулачок применяются валы разных диаметров 2560 мм, имеющие одинарный или двойной винтовой паз. В двухкомпонентном нитераскладчике (рисунок1.37) с подвижным нитеводителем нить после нитеводителя идет в паз рифленого ролика и, охватывая его, наматывается на паковку. Из-за скольжения между пазом рифленого роликас керамическим покрытием и нитью система работаетлишь в динамическом режиме трения.Рисунок1.37 – Схема работы нитераскладчика с рифленым роликомРифленый ролик выполняет прецизионную раскладку нити, выполняя три главные функции:- производит раскладку нити на крайних участках паковки (длина раскладки на ролике немного больше, чем на раскладчике, и нить на крайних участках раскладывается только при помощи паза рифленого ролика, т.е. выполняется точная раскладка нити в точках возврата);- ввиду разной глубины пазов на ролике нивелируется разница длины нити в треугольнике раскладки (глубина паза меняется так, чтобы длина нити на участке от нитеводителя до точки входа на паковку оставалась постоянной);- поддерживает избыточную подачу нити для ослабления натяжения между зонами формования и намотки при отсутствии на машине вытяжных цилиндров за счет разныхскоростей вращения ролика и фрикционного цилиндра, что становится важным фактором для высокоскоростного формования.Подобные нитераскладчики могутпроизводить раскладку нити при скоростях наматывания до 5000−6000 м/мин.В устройстве нитераскладки с кулачкаминитеводитель плавнои быстро возвращается в конце хода нитераскладки по ширине. В реверсивной точке нитеводитель реверсирует направление движения в течение очень короткого промежутка времени. Скорость, при которой нитеводитель передвигается вперед-назад через определенную длину хода, обусловлена вращением кулачкового вала. Частое изменение напраления вращения нитеводителя и последовательное замедлениеи ускорениеведут к быстрому износу нитеводителя; его необходимо регулярно заменять (через 6−8 недель) в течение всего срока службы намоточной машины.С возрастанием скорости формования и требований к качеству намотки, возросла и необходимая частота хода нитераскладчика. Механизм подачи с кулачками не может работать со скоростью намотки более 4000 м/мин, которая необходима при высокоскоростном формовании РОY-нити и формовании РОY/НОY-нити. Для намотки ВСF-жгутовой нити тоже необходима высокая частоты хода ввиду необходимости поддержания более высокого винтового угла раскладки нити. Сильное натяжение при намотке технических нитей также не позволяетиспользовать традиционные системы нитераскладки с кулачками.Для скорости намотки до 8000 м/мин и более фирма Oerlikon Ваrmag разработала новую двухроторную систему нитераскладки CRAFT® WINDER (непрерывно вращающаяся автоматическая филаментная револьверная головка). В такой системенет реверсивных инертных масс.Главной частью новой системы является пара трехлопастных роторов с постоянной скоростью двойного хода нитераскладчика. Роторы вращаются в разных направлениях и расположены эксцентрично друг относительно друга. Это ведет к мягкой передаче нити из одной лопасти в другую в смежной паре. Система дополняется оформленной специально направляющей планкой, определяющей положение нити относительно лопастям. Конструкция такой планки (называемой wave guide – волновая направляющая) позволяет достичь необходимых параметров натяжения нити по ходу нитераскладчика; неизменного натяжения при раскладке нити; равномерного распределения нити по паковке; ровной цилиндрической формы паковки.Двухроторная нитераскладка уникальна тем, что в ней мало движущихся частей и работает при низких скоростях, поддерживая бережное обращение с нитью, низкуюшумность и практически отсутствие износа во время эксплуатации.Частымдефектом намоткиявляется ленточная намотка, когда при ходе нитеводителя в одну сторону нить ложится на виток, который положен за предыдущий ход в эту же сторону. Возникновение такого дефекта наиболее заметно при крестовой намотке, т.е. при больших углах раскладки нити. Дефект устраняется периодическим изменением числа двойных ходов нитеводителя, для этого в систему привода нитераскладчика вводится так называемый узел дезорганизации раскладки.Таким образом, главным технологическим требованием к нитераскладчикам становится обеспечение раскладки нити при формировании паковок заданнойформы и структуры при различных режимах работы. Кроме технологических требований к нитераскладчикам предъявляются эксплуатационные: они должны быть удобнымидля обслуживания, наладки, ремонта, а также иметь хорошую надежность. Конструкции нитераскладчиков все впремя совершенствуются исходя из повышения скорости раскладки, автоматизации наматывания и перезаправки нити, совершенствования структуры намотки и улучшения надежности работы намоточного механизма в целом.При разработке намоточных механизмов принимаются в расчет производительность машины; скорость наматывания; число нитей, которые принимаются на бобинодержатель; размеры и масса паковки; требования к качеству продукции. Вид намотки и форма паковки обычно выбираются исходя из свойств и предназначения химических нитей. Выбранныйвид намотки и форма паковки должны обеспечивать устойчивую намотку при хранении и транспортировании, хорошие условия для сматывания при последующей переработке и стабильные свойства нити.Выбор кинематической схемы намоточного механизма нужно согласовывать со схемой разводки нити в приемно-намоточной машине. Она обуславливаетсядействия с нитью до наматывания (транспортирование нити, замасливание, гофрирование,вытягивание и т.д.), количеством нитей, которые принимаются намоточным механизмом, и шагом его размещения по машине. Схема разводки должна способствовать удобной ручной первоначальной заправке машины переносным эжектором.Тенденция к автоматизацированном управлению процессами предъявляет к главным функциональным узлам намоточных машин такие дополнительные требования:- возможность регистрации главных параметров наматывания и раскладки нити с целью их использования в автоматизированной системе управления технологическим процессом (АСУТП) и производством (АСУП);- автоматизация съема готовых паковок с помощью специальных устройств – дофферов.1.4 Электропривод приемно-намоточных механизмовСамый распространенный тип привода неподвижного бобинодержателя - фрикционный. Тело намотки, которое прижато к фрикционному цилиндру, вращается под действием сил трения и поддерживаетнеизменную скорость поверхности наматывания. Иногда используются специальные дополнительныеэлектродвигатели, которые вращают бобинодержатель. Они предназначены либо для быстрого разгона бобинодержателя вовремя пуска, либо для сообщения бобинодержателю во время наматывания вращающего момента, который компенсирует сопротивление вращению при высокой скорости.Наматываниеявляется сложным процессом, который характеризуется большим количествомфизических явлений, которые его составляют, и их взаимосвязью. Главным параметром, который влияет на качество паковки и нити, является натяжение при наматывании, остальные параметры связаны с ним функционально.Чаще всего в качестве приводного двигателя приемно-намоточных механизмов применяется синхронно-реактивный двигатель (СРД) или синхронно-реактивный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ).При движении работа приводного двигателя и работа приводного механизма взаимно влияют друг на друга[3].1.5 Математическая модель синхронного реактивного двигателя (СРД)Особенности конструкции синхронно-реактивных двигателей определяют сложный характер возможных динамических процессов и, соответственно, уравнений, их описывающих. Изменение электромагнитных свойств статорных обмоток при изменении положения ротора характеризуется зависимостью индуктивностей ,,от угла (рисунок 1.38). Система уравнений динамики СРД является системой высокого порядка, нелинейной, с периодическими гармоническими коэффициентами, получающимися после представления рядами Фурье магнитных потоков взаимодействия обмоток статора с приведенными обмотками ротора. После ряда преобразований эта система уравнений может быть представлена системой с постоянными коэффициентами, в координатах d, q [4].Рисунок1.38 – Положение ротора относительно трехфазной обмотки статораПервый этап моделирования. Рассмотрим математическую модель синхронно-реактивного двигателя с постоянными коэффициентами, записанную относительно потокосцеплений.где , , , –полные потокосцепления в системе координат d, q; – амплитудное значение напряжения питания; – частота вращения ротора двигателя; – частота питания сети; – начальная фаза, т.е. угол между вектором напряжения и осью ротора двигателя по фазе aпри ; – угол поворота ротора;, , , , , , , –коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров двигателя; – число пар полюсов;– момент инерции вращающихся масс (момент инерции ротора и момент инерции нагрузки); – активное сопротивление обмотки статора; – момент сопротивления на валу. Следует отметить, что коэффициенты системы уравнений (1.1) зависят от конструкции двигателя. Первый этап моделирования предусматривает в том числе и численный расчет этих коэффициентов.Линеаризация подобной системы подробно рассмотрена в статье [5]. Тогда система (1.1) в отклонениях будет иметь вид:1.6 Математическая модель приёмно-намоточного механизма рычажного типа (ПНМ)Второй этап моделирования. Рассмотрим динамическую модель приемно-намоточного механизма, представленную рычажным (маятниковым) подвесом (рисунок 1.39) [6].Рисунок1.39 – Динамическая модель приемно-намоточного механизма с рычажным (маятниковым) подвесомВначале представим математическую модель движения рычажного подвеса (рычага ОО1 с паковкой) в упрощенном виде:где – момент, действующий на рычаг с паковкой, – приведенный момент инерции рычага с паковкой, – отклонение рычага ОО1 от установочного положения, – момент реакции фрикционного цилиндра, – момент, создаваемый реакцией оси бобинодержателя (фрикционного цилиндра), - момент, создаваемый противовесом, – момент аэродинамического сопротивления паковки.Илигде – вес паковки, – длина плеча силы , – сила контактного взаимодействия паковки с фрикционным цилиндром, - длина плеча силы , – вес уравновешивающего груза, – длина плеча силы .Приведем выражение для силы контактного взаимодействия паковки с фрикционным цилиндром и деформации паковки по линии О1О2[7]:где , – приведенные радиальные жесткость и коэффициент демпфирования паковки; – геометрическая величина, соответствующая О1О2 (рисунок 1.43) в положении статического равновесия, – некоторая геометрическая величина, которая может быть определена из [6].Разрабатываемый алгоритм расчета в дальнейшем позволяет исследовать и полную модель ПНМ.Найдем решения уравнения (1.3) для статического (синхронного) режима работы. Оно потребуется на третьем этапе моделирования. Для статического режима работы справедливы следующие выражения:тогда с учетом (1.4)и решением для статического режима работы будетПроведем линеаризацию уравнения (1.3).Рассмотрим выражение (1.3) в отклонениях. Для этого введем переменную .Тогда выражение (1.3) примет следующий вид:с учетом (1.4), получимДля определения момента аэродинамического предлагается следующее выражение [8]:где – коэффициент трения воздуха о поверхность тела намотки, - число Рейнольдса, – плотность воздуха, - максимальный диаметр паковки, – общая высота наматываемой паковки; – угловая скорость паковки [8].Теперь рассмотрим выражение (1.6) с учетом (1.7) в отклонениях:где – решение для статического режима работы.Раскроем выражение в скоках и пренебрежем малыми высшего порядка:1.7 Особенности и проблемы в работе приемно-намоточных механизмов совместно с электроприводомТретий этап моделирования. Теперь можно записать математическую модель синхронно-реактивного двигателя совместно с математической моделью ПНМ с рычажным подвесом. С учетом проделанных преобразований данная модель в отклонениях будет выглядеть следующим образом:Систему уравнений (1.8) перепишем следующим образом:Запишем определитель системы уравнений (1.9) и приравняем его к нулю:где – оператор дифференцирования.Уравнение (1.10) является характеристическим уравнением системы (1.9) и представляет собой алгебраическое уравнение 8-й степени относительно . Этого можно достичь, используя методы, описанные в [9]После свертывания этого определителя получим уравнение следующего вида:Следует отметить, что коэффициенты характеристического уравнения зависят в том числе и от конструктивных параметров приводного двигателя. Таких параметров, например, для синхронно-реактивного двигателя типа ДРС-450М насчитывается более 80 [5].1.8 Задачи дипломного проектированияЦельювыпускной квалификационной работы является моделирование динамики работы приемно-намоточного механизма. Исходя из этой цели поставлены следующие задачи исследования:- разработать математические модели приемно-намоточного механизма машины по исходным данным по выпускной квалификационной работе, указанным в задании;- выполнить исследование динамических характеристик электропривода приемно-намоточного механизма.2 Моделирование совместной работы синхронно реактивного двигателя с приемно-намоточным механизмом рычажного типаОсновные коэффициенты математической модели двигателя совместно с приемно-намоточным механизмом, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,Все начальные условия переменных для интегрирования нулевые.Моделирование выполняется с помощью программного обеспечения MatlabSimulink.2.1 Математическая модель синхронно реактивного двигателяАмплитудное значение напряжения питанияЧастота питания сети (при частоте 50 Гц)Подставим известные значения в систему уравнений (1.1):Соберем в MatlabSimulinkмодель синхронно реактивного электродвигателя согласно данной системе уравнений.Рисунок 2.1 – Модель синхронно-реактивного двигателя в MatlabSimulink2.2 Математическая модель приемно-намоточного механизма рычажного типаУравнение модели приемно-намоточного механизма рычажного типаПодставим известные значения в эту систему уравненийСоберем в MatlabSimulinkмодель приемно-намоточного механизма согласно данной системе уравнений.Рисунок 2.2 – Модель приемно-намоточного механизма в MatlabSimulink2.3 Математическая модель синхронно реактивного двигателя совместно с математической моделью ПНМ рычажного типаСоберем в MatlabSimulinkсовместную модель приемно-намоточного механизма согласно системе уравнений 1.8.Рисунок 2.3 – Модель синхронно реактивного двигателя совместно с математической моделью ПНМ рычажного типа в MatlabSimulink2.4 Решение совместной модели (Интегрирование)Рисунок 2.4 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 50 Гц3 Исследование динамических характеристик электропривода ПНМИсследуем устойчивость системы при разных частотах питания двигателя.Система устойчива в пределах частот от 0 до 110 Гц. Однако при 110 Гц пуск занимает 70 секунд.Рисунок 3.1 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 10 ГцРисунок 3.2 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 110 ГцВремя пуска моно уменьшить если линейно увеличивать частоту напряжения при пуске.Рисунок 3.3 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 110 Гц при линейно нарастающей частоте (T = 10 секунд)Исследуем динамические характеристики при разных составляющих напряжения Uq.Видно, что при увеличении Uqпуск происходит быстрее, но увеличивается амплитуда колебаний скорости.При уменьшении Uqпуск происходит медленнее, амплитуда колебаний скорости уменьшается.Рисунок 3.4 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 50 Гц и Uq = 117ВРисунок 3.5 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 50 Гц и Uq = 200ВРисунок 3.6 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 50 Гц и Uq = 80В3.1. Исследование различных конструктивных параметров ПНМ на динамические характеристикиРисунок 3.4 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 50 Гц и при моменте инерции ПНМ 0,12 кг·м2Рисунок 3.5 – Переходный процесс скорости при пуске двигателя с частотой 50 Гц и при моменте инерции ПНМ 0,003 кг·м2Как видно из рисунков 3.4 и 3.5, при увеличении момента инерции пуск двигателя более затяжной.По результатам исследования остальные параметры приемно-намоточного устройства имеют незначительное влияние на характер переходного процесса.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной выпускной квалификационной работе были исследованы характеристики электропривода приемно-намоточных механизмов. Была описана технология производства химических волокон и оборудование, которое применяется в производстве.На основе математических уравнений из статьи [3] и исходных данных из задания в программном обеспечении MatlabSimulinkбыли построены модели синхронно-реактивного электродвигателя и приемно-намоточного механизма рычажного типа. Затем эти модели были объединены в общую модель приемно-намоточного механизма рычажного типа, приводимого в движение синхронно-реактивным электродвигателем. Были проанализированы переходные процессы.данного электропривода, которые показали, что система устойчива в широком диапазоне чатоты питания электродвигателя. Также был выяснено, что момент инерции механизма сильно влияет на продолжительность разгона механизма до рабочей скорости, поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы момент инерции был как можно меньшим.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ1. Циркина О.Г. Производство химических волокон. Иваново, 2010, 63 с.2. Оборудование и механизация производства химических волокон. Браверман П.В., Чачхиани А.Б. М., «Машиностроение», 1967, 324 с.3. A.Л. Шапошников, А.В. Смирнов. Влияние приводного двигателя на устойчивую работу приемно-намоточного механизма. УДК 621.313.3 // Вестник СПГУТД. Серия 1. 4’2020;c. 112-118.4. Климов В.А., Лаврентьев С.М., Шапошников А.Л. Математическое моделирование динамики электрических машин переменного тока. СПб. Изд-во Санкт-Петербургского университета, 1995.5. Шапошников А.Л, Смирнов А.В. Начальный этап системного анализа свойств и характеристик синхронно-реактивных электродвигателей // Вестник молодых ученых. 2003. №6.6. Техническая диагностика машин текстильной и легкой промышленности. / В.А. Климов, К.А. Лавров, А.С. Мазин и др. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.7. Высокоскоростные приемно-намоточные механизмы для химических нитей. М.: Легпромиздат, 1991.8.Прошков А.Ф. Машины для производства химических волокон. М.: Машиностроение, 1974.9. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1996.