基于电液比例技术成卷机棉卷渐增压系统的实验研究

传统的成卷机棉卷加压装置有机械式和气动式 2种.棉层成卷加压装置的作用实际上就是在棉卷形成的过程中施加-定压力，使棉卷较为坚实，成形良好，容量增大[1].机械式棉卷加压方式是由重锤和其他的机械传动件构成，机械式加压装置具有加压不均匀的缺点，为了消除机械式加压方式的缺点，国内外-些厂家采用了气动控制棉卷加压系统[2].该系统的核心是使用机械式渐增压阀控制气控调压阀，从而控制进入加压气缸的压力，实现对棉卷压钩的加压.由于机械式渐增压阀可以在棉卷直径增大时将加压气缸中的气压调高，保证棉卷成卷过程中压钩所加压力逐渐增大，改善了棉卷的成型状态.但是，由于气体的压缩性大，工作过程中压力不稳定，这样就使棉卷成卷质量难以保证.另外气压系统的工作压力也低，在棉卷需加较大压力时，气缸必然做得很大，加大了制造成本且安装困难.气动系统需配置空气压缩机，增加了使用成本.电液比例控制技术是-门起步比较晚，但发展及其迅速、应用已相当广泛的机电-体化技术，它还涉及到流体力学、自动控制原理、微电子技术、自动化技术和计算机技术等相关的科学.电液比例控制技术具有工作平稳、控制精度较高、结构简单、使用元件较少、对污染不敏感等特点.本文根据成卷机成卷加压时的压力要求，提出-种基于电液比例控制的成卷机棉卷渐增压系统 ，该渐增压系统能精确控制成卷机输 出压力的大小，使棉卷在成卷过程中受力均匀.它不仅可以提高成卷质量，而且可以简化系统的设计和降低成本 。 。

1 电液比例加压系统的原理电液比例加压系统的原理图如图 1所示.在图 1中，1-滤油器；2-液压泵；3-电液比例溢流阀；4-电磁阀；5-单向节流阀；6-成卷液压缸；7-齿轮；8-齿轮；9-齿条；1O-压钩；11-位移传感器；12-齿条及油管.其工作原理为：当电磁换向阀的电磁铁 1DT通电时，液压泵输出的压力油经电磁阀 4、单向节收稿 日期 ：2012-06-20通讯作者：袁建畅(1954-)，男，陕西省西安市人，西安工程大学教授.E-mail：yuanjianchang###yahoo.com.cn基于电液比倚j技术成卷机棉卷断增压系统的窦验研究 75流阀进入成卷油缸 6的有杆腔，然后通过齿轮齿条机构对棉卷进行加压 ，加压的大小由成卷油缸的工作压力决定，而成卷油缸的工作压力由电液比例溢流阀3根据负载由电流控制.随着棉卷直径的增大，压钩逐渐上移，齿条后面的斜面推动位移传感器 11的触头移动，传感器将此位移信号转换成电信号后经放大器放大并输入比例阀，比例阀在输入信号的控制下将系统压力调高.由于成卷过程中压钩斜面推动位移传感触头连续移动，故可以实现对棉卷加压力的连续控制.棉 图1 基于电液比例控制的渐增压系统原理图卷扦所受压力为FR-F/(2cosa)，其中， 为棉卷所受压力；F为压卷罗拉受到的压力；角度a为棉卷压力与棉卷罗拉间的夹角；需要设计适当的压钩斜面的倾斜度 a，它决定棉卷施加压力的变化，-般经验数据角度a为 45。～6O。.由于压钩斜面的倾斜度跟棉卷的直径成比例变化，所以合理设计斜面的角度或形状，就可使施加压力按要求 的曲线变化 ，从而提高了成卷的质量。

2 实 验根据设计的电液比例控制回路，依托西安工程大学机电学院电液比例控制实验室德国 FESTO公司生产的电液 比例控制系统搭建实验台(见图 2)，在实验 台上进行安装 、连接、调试和运行 ，验证设计 的可行性。

(1)电液比例溢流阀输 出量是随着输入电流信 号的大小 变化 而改变 阀的开 口度，并且改变流量的大小.所以，电液比例溢流阀本质上是-个压力控制阀.在成卷 图2 搭建的电液比例控制实验台机棉卷渐增压系统中，系统压力由输入电流信号的大婿定，电液比例溢流阀是整个控制系统的核心元件，它的电流与压力”特性曲线的线性度直接关系到整个渐增压系统的输出压力的准确性.因此，根据比例液压技术使用手册，确定应施加给比例溢流阀电流的大小，根据棉卷受力理论分析计算的理论压力值来确定应给其施加的电流的大小.查比例液压技术使用手册中比例溢流阀压力与电流的特性曲线，压力 P-1.1125 MPa，电流 J-200mA和压力 P-4.6875 MPa，电流 J-600mA之间压力与电流特性曲线成线性关系(见图 3所示).根据压力与电流的关系方程，可以得出每-个压力所对应的电流值(见表 1所示).从表 1可以看出，在离散取 2O组数据中，随着比例溢流阀压力的逐渐增大，相对应的输入电流信号逐渐递增，说明电液比例溢流阀的输出压力值跟输入电流值成正比，故可以用于实现成卷机棉卷渐增压系统中。

根据压力与电流成线性比例关系，得压力与电流的关系方程(P- 1.112 5)/(I-200)- (4.687 5- 1.112 5)/(600-200)。

表 1 电液比例溢流阀压力 与电流值(2)模拟量扩展拈输出电流与输入电压的关系.根据表 1由压力决定给电液比例溢流阀应给与的76 西 安 工 程 大 学 学 报 第 27卷电流值，该电流值通过模拟量扩展拈输出.现在要确定模拟量扩展拈输出该电流值时需要输入电压值的大小，再把其值转化为比例放大器输入信号的电压值.为了满足控制要求，S7-200PLC配有模拟量输入输出拈 EM235，该拈需要DC 24 V供电，可由CPU拈的传感器电源Dc 24V/400mA供电，用设定开关 DIP设置EM235模拟量拈输入范围和分辨率，该实验系统是选择单极性(SW1：OFF；SW2：ON；Sw3：OFF；SW4：OFF；SW5：OFF；SW6：ON)满量程输入范围0V～1OV.根据比例溢流阀电流与比例放大器电压之间的关系(见 图 4)，比例放大器把额定值 为单极性 OV～10V的电压转化为电液 比例溢流阀200mA450mA的电流，得到实际模拟输出的电压值(见表 2).由表 2可以看出，比例溢流阀电流与比例放大器电压之间呈线性关系，通过不断调节电参数来提高棉卷成卷时的压力，而实际当中随棉卷厚度的不断增加，成卷机棉卷的压力递增，符合成卷机棉卷渐增压系统的要求.根据电流与电压线性比例关系，得到电流与电压的关系方程 (，-O)/(J-200)- (10-0)/(450-2O0).化简 ，整理得 U- (I-200)/25。

商曳图 3 比例溢流阀电流与压力关系 图 4 模拟输出电流与输入电压关系表 2 模拟输出电流与输入电压值电流/mA 389 393 398 402 404 407 409 411 413 416电压/V 7.56 7.72 7.92 8.08 8.16 8.28 8.36 8.44 8.52 8.64(3)根据比例放大器输入电压信号与PLC CPU226内部 A/D数值的对应关系.前面由表 1得到的电流值，再到表 2得到的模拟量扩展拈应输入的电压值，现在根据表2的电压值转化为比例放大器的输入电压信号值，然后通过给予输入电压信号(OV～1OV)转换为 PLC CPU226内部 A/D(o-32 ooo)模拟输出的数字量，得到输入的电压信号值与 PLC主控单元内部 A/D的关系图(见图 5).由输入电压值与模拟输出A/D的线性比例关系方程，得到由实际的模拟量转化为实际输出的数字量(见表 3)，然后把得到的模拟输出数字量值依次分别送入 PLC程序，获 图5 输入电压与模拟输出数字量关系得相对应 的模拟接收数字量值.根据电压与 A/D线性比例关系，得到电压(己，)与 YA/D 的关系方程 ：Y-3 200U。

(4)将由表3得到的模拟输出A/D值依次分别输入PLC模拟接收信号梯形图程序中(见图 6)[5]，然后对程序进行编译、下载运行程序，得到相对应的模拟量接收信号值.压力传感器是把模拟量输入拈(O～ 10V)的电压信号转换为(032 o0o)的模拟接收数字量，实际测得压力值就是模拟量接收信号值除以3200，经过多次数据记录分析和观察实际测得压力值，在采样记录 6组实测压力值数据中，对比实测值的压力与位移曲线和理论值的压力与位移曲线基本-致、相近似的为实测压力值.根据实测压力值数据，画出实际测得压力与位移特性曲线图(见图7)。

第 2期 基于电液比例技术成卷机棉卷渐增压系统的实验研究 77表 3 输入电压与模拟输出AID值输入电压/V 7.s6 7.72 7.92 8.08 8.16 8.28 8.36 8.44 8.52 8.64模拟输出(A/D) 24192 24704 25344 25856 26112 26496 26752 27008 27264 27648图 6 模拟接收数字量梯形图程序 图 7 棉卷半径与成卷压力实际曲线3 结果与讨论(1)根据棉卷承受压力恒定时压卷罗拉所受的压力变化公式 ，得出压力与位移的变化关系式[6]：P[8F /[，r(D -d。)]]Ji-Rj/(R。R)。。

其 中 R。- 115ram，假设棉卷承受恒压为 FR- 2OON，液压缸为单杆双作用活塞缸，D 16ram， -10mm，根据成卷机的技术规格参数，假设取棉卷直径为400mm，取成卷时间为 4min，棉卷直径和成卷时间之间呈线性关系，随着成卷时间的递增，棉卷直径逐渐增大，通过离散采取 2O个点，在成卷时间以 12s为间隔时，棉卷直径以20mm为厚度逐渐递增到棉卷直径值，数据代入压力与位移的变化关系式中，得到随着棉卷半径逐渐变化时棉卷加压的理论曲线(见图 8)。

图 8 位移与压力理论特性曲线 图 9 理论与实际位移压力特性曲线(2)从实验数据可以知道，在离散采样的 2O组数据中，真实值与理论值之间最大绝对误差仅为0.08MPa，最大相对误差仅为4.O7 ，实际测得位移压力特性曲线与理论曲线基本近似(见图 9).在图 9中，系列 1为理论曲线，系列 2为实际测得曲线.由于液压阻尼的作用，实际测得压力值比理论值小.液体在实际流动时，由于液体存在粘性，会产生内摩擦力，消耗能量，同时管道局部形状和尺寸的骤热变化，使液体产生扰动并且消耗能量，流动液体除通过直管产生的沿程压力损失外，还通过阀门、弯头、接头等局部障碍时，液流方向和流速发生变化，在这些地方发生撞击、分离、漩涡等现象，也会造成能量损失，在液压传78 西 安 工 程 大 学 学 报 第 27卷动系统中，压力损失使液压能转变为热能，它将导致系统的温度升高.所以实际测得的压力值较理论值小，总体变化趋势与理论值基本-致。

4 结束语实验系统中，管路沿程压力损失和局部压力损失以及系统中流量损失，导致输出的实际压力值较理论值小，由于实际测量中有-定的干扰存在，总体变化趋势与理论值基本近似.说明整个渐增压控制系统有较好的稳定性，基本达到了预期的目标，体现了电液比例技术成卷机棉卷渐增压系统具有控制精度高、加压稳定的特点.最后，将系统的流量损失对本系统所造成的影响作为后续研究对待。