（控制理论与控制工程专业论文）钢带缠绕张力控制系统的研究.pdf

b y z h a os h o u h u a u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f h ef a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 叁善聋 e t期： 丝乏 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作砉签名： 叁叠华导师签名：么筝努 日期：冽亟，： 钢带缠绕张力拧制系统的研究 济南大学硕士学位论文 目录 1 1 课题背景及研究目的和意义1 1 2 课题研究的发展状况2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 课题研究的主要内容8 第二章钢带缠绕张力控制系统1 l 2 1 缠绕张力控制系统结构与原理1l 2 2 钢带缠绕张力控制系统的选型1 2 2 2 1 卷绕侧变频电机选型1 2 2 2 2 放卷侧伺服电机选型1 4 2 2 3 控制器、驱动器和传感器的选择1 4 2 3 张力控制系统模型分析与构建1 5 2 3 1 矢量控制分析与逆变器模型构建1 5 2 3 2 张力模型的分析与构建1 8 2 4 本章小结2 0 第三章钢带缠绕张力控制策略2 l 3 1 张力控制系统控制方式2 1 3 1 1 开环张力控制方式2 1 3 1 2 间接张力控制方式2 1 3 1 3 直接张力控制方式2 1 3 2 常用张力控制算法2 3 3 2 1 常规控制算法2 3 3 2 2 智能控制算法2 3 3 3 钢带缠绕张力控制策略2 4 3 4 本章小结2 6 第四章f u z z y - p l 双模控制在缠绕张力控制中的研究2 7 4 1 f u z z y p i 控制2 7 4 1 1 f u z z y 控制的原理2 7 4 1 2 f u z z y p i 双模控制系统的特点3 1 4 2 f u z z l 一p i 双模控制在缠绕张力控制中研究3 1 4 2 1 f u z z y p i 双模控制在收卷张力控制中的研究3 1 4 2 2 f u z z y p i 双模控制在放卷速度控制中的研究4 3 4 2 3 系统的综合仿真分析及存在的问题5 3 i 一 一 沦 t 绪 要 一 要 m 章 啦 一 摘肪第 钢带缠绕张力拧制系统的研究 4 3 本章小结5 4 第五章张力控制的解耦控制研究5 5 5 1 传统张力控制系统的解耦分析5 5 5 2 采用前馈解耦在张力控制系统中的研究5 7 5 3 解耦合系统的仿真分析5 9 5 4 本章小结6 0 第六章结论6 1 参考文献6 3 致谢6 7 附录a ( 硕士期间发表论文目录) 6 9 摘要 缠绕张力控制在造纸、纺织、航天航空等行业有着广泛的应用的范围。在缠绕 预应力模具的制造过程中，钢带层的预应力分布直接影响着模具的使用寿命和强 度，提高预应力模具钢带层缠绕张力的控制精度对于提高预应力模具性能有重要的 意义。与钢带缠绕预应力模具相比，目前存在的钢丝缠绕预应力容器的制造代价比 较高，生产周期长，预应力的数量级较低，不能应用于超高内压的环境，因此，研 究和分析钢带缠绕张力控制系统有着重要的实用价值和创新性。对于一个稳定运行 的钢带缠绕张力控制系统，首先要求钢带缠绕张力能够按期望张力进行缠绕，其次 要求缠绕过程具有稳定的传动速度。被控对象是一个多变量、强耦合及非线性的系 统。因此，如何获得期望的缠绕张力和稳定的传动缠绕速度是一个亟待解决的问题。 本课题依托国家自然科学基金项目：钢带缠绕预应力模具变张力设计理论与实 验研究( n o 5 0 8 7 5 11 1 ) 。通过对国内外相关领域大量文献进行的分析研究，在整体 分析了各种缠绕张力控制系统特点的基础上，建立了基于双电机控制模型的缠绕张 力控制系统。缠绕张力控制系统集成了伺服控制的精确性和矢量变频控制技术的快 速性，在放卷控制侧采用伺服控制技术提高控制系统本身速度控制的精确性，在缠 绕控制侧采用矢量变频控制技术使张力控制更为快速有效。 在确立了缠绕张力控制系统结构的基础上，提出了采用稳定放卷速度、控制缠 绕侧张力的控制策略。在放卷侧采用伺服速度控制模式提高放卷线速度的稳定性； 在缠绕侧采用转速一张力双闭环控制提高张力控制的快速性。在控制方法方面确立 了采用f u z z y p i 双模控制来改善常规p i 控制在瞬态控制过程中的缺点。 针对缠绕张力控制中f u z z y p i 双模切换控制切换点的选择问题，在对不同切换 方式进行分析的基础上，提出了在自然切换点处切换的切换策略。论证了自然切换 点处实现平滑切换的可行性，针对缠绕张力控制设计了f u z z y p i 控制器。仿真研究 结果表明f u z z y p i 自然切换点处的切换双模控制避免了在期望切换点处直接切换 带来的电磁转矩尖端脉冲问题。仿真结果还表明f u z z y p i 控制比p i 控制下张力的 瞬态性能上有很大的改善。 为了解决p i 控制下放卷速度稳态过程中速度波动的问题，在设计了自然切换点 处切换控制的基础上，提出了将f u z z y 控制引入到改善系统稳态性能的过程中思想。 i i i 钢带缠绕张力控制系统的研究 改进了传统f u z z y p i 双模控制中稳态性能只依赖p i 控制参数的模式，即通过将自 然切换点设置到到稳态误差带内在稳态过程中实现f u z z y 和p i 之间不断的切换，从 而达到缩小稳态误差带目的。并仿真验证了这种方法的可行性，仿真结果表明采用 f u z z y p i 双模控制时的放卷速度在稳态误差上比p i 控制下的稳态误差带缩小了一 个数量级。 在缠绕侧对缠绕张力进行了f u z z y p i 自然切换点处切换双模控制仿真；在放卷 侧对放卷速度进行了f u z z y p i 改善稳态性能的控制仿真。在此基础上，对整个张力 控制系统进行了综合仿真分析。仿真结果表明建立的仿真模型能够有效地研究张力 控制系统的控制特性。 为了进一步提高缠绕张力的控制性能，提出了张力和速度解耦的控制思想。因 为综合仿真表明了张力和速度之间存在着很强的耦合关系；f u z z y p i 控制只能在一 定程度上缩小放卷速度的稳态误差波动范围，但是并不能消除。首先在简化的张力 控制系统模型中推出张力和速度传递函数。然后，分别对张力和速度进行了解耦分 析。最后进行了解耦控制仿真，仿真结果表明采用前馈解耦控制可以降低张力控制 系统中张力和速度的耦合强度，从而进一步提高张力控制和速度控制的精度。 关键词：钢带缠绕；张力控制：f u z z y p i ：自然切换点；解耦控制 i v l a y e r so fd i e si nt h ep r o c e s so ft e n s i o nc o n t r 0 1 c o m p a r e d 、析t 1 1s t e e ls t r i pw i n d i n g p r e s t r e s s e dd i e s ，t h ep r e s e n ts t e e lw i r ew i n d i n gp r e s t r e s s e dc o n t a i n e r sh a v ec h a r a c t e ro f h i g hc o s t ，l o n gp r o d u c i n gc y c l ea n dc o m p a r a t i v el o wo r d e r ，f o rw h i c h i tc a n tb ea p p l i e d t os u p e ri n n e r - s t r e s se n v i r o n m e n t ，i nw h i c hi tm a yb ed e s t r o y e da n df a i l e dd u et om i n o r p r e s t r e s sp r o v i d e db yi t s oi th a si m p o r t a n t l yp r a c t i c a la n dc r e a t i v ev a l u e st os t u d y w i n d i n gt e n s i o nc o n t r o la p p l i e di n t h ef i e l do fm a n u f a c t u r eo fs t e e ls t r i pw i n d i n g p r e s t r e s s e dd i e s ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h es u p e ri n n e r - s t r e s sw o r k i n ge n v i r o n m e n t s f o ras t a b l er u n n i n gc o n t r o ls y s t e mf o rs t e e ls t r i pw i n d i n gt e n s i o nc o n t r o l ，t h ep r i m a r y c o n t r o lt a r g e tr e q u i r e st h a tt h ea c t u a lw i n d i n gt e n s i o nf o l l o w st h ee x p e c t e dw i n d i n g t e n s i o ni no r d e rt og e ta ne x p e c t e dp r e s t r e s si nt h es t e e ls t r i pw i n d i n ga r o u n dt h ec o r e t h en e x tt a r g e ti st om a k et h es t e a d yc o n v e y i n gv e l o c i t yt r a c eo u re x p e c t e dv e l o c i t y t h e c o n t r o l l e dp l a n to fs t e e lw i n d i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi so fc o m p l e xo fm u l t i - v a r i a b l e s ， i n t e n s i v ec o u p l i n ga n dn o n l i n e a r i t y , w h i c hi sd i f f i c u l tt od e a lw i t hi nc o n v e n t i o n a lw a y u s i n gi nl i n e a rs y s t e m s s oh o wt oo b t a i nas a t i s f y i n gs t e e ls t r i pw i n d i n gt e n s i o na n da s t e a d ys t e e ls t r i pc o n v e y i n gv e l o c i t yi sap r o b l e mt ob es o l v e d f u z z yc o n t r o l ，a sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y , w h i c hh a sb e e n d e v e l o p i n gm a t u r e l yi nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y , h a sb e e na p p l i e dw i d e l yt ot h es o l u t i o nt o t h ec o n t r o lp r o b l e m so fn o n l i n e a r t i t y , s t r o n gc o u p l i n ga n dl a r g ed e l a ys y s t e m s o ，o nt h e b a s eo fa n a l y s i so fs t e e ls t r i pw i n d i n gt e n s i o nc o n t r o l ，t h i ss u b j e c ti ss u p p o r t e db yt h e n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n - - s t u d yo fd e s i g no fv a r y i n gt e n s i o no fs t e e ls t r i pp r e s t r e s s e d d i e si nt h e o r ya n de x p e r i m e n t ( n o 5 0 8 7 5111 ) ，h a sp r o p o s e dac o n t r o ls c h e m eo f a d o p t i o no f d o u b l em o t o r sm o d e s o nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fm a t l a b s i m u l i n k ， t h e mm a i np a r t so fd r i v e r so fu n s y c h r o n i o u sm o t o ra n ds e r v om o t o r - - v e c t o rv a r i a b l e f r e q u e n c ya n dc u r r e n tl a g g i n g - l o o pp w mi n v e r t e rh a sb e e na n a l y s e da n dd e s i g ni n v 钢带缠绕张力控制系统的研究 ! i 一i i i 詈i 暑鼍! ! 詈詈! 詈詈詈詈! 暑! 詈詈詈詈曼詈皇詈鼍詈詈! 詈! 皇詈詈皇皇 d e t a i l t h ec o n t r o ls y s t e mm o d e so f w i n d i n gt e n s i o no nt h eb a s i so fd o u b l em o t o r sh a v e b e e nb u i l tt h r o u g hm e c h a n i c sa n a l y s i s d i f f e r e n tw a y sf o rw i n d i n gt e n s i o nc o n t r o lh a s b e e na n a l y s e da n dc o m p a r e da n dd i f f e r e n t a l g o r i t h m sh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i lt o d e c i d eap r o p e rs c h e m ef o rs t e e ls t a p ew i n d i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m a n df e e d b a c k w a yo fv e l o c i t yr e g u l a t i o nt e n s i o nc o n t r o lh a sb e e ns e l e c t e dt or e a l i z et e n s i o nc o n t r o la n d t h em o d e so fd o u b l ef e e d b a c kl o o p so f c u r r e n c ya n dv e l o c i t yf o rs e v om o t o rc o n t r o lh a s b e e nf i x e dt o g a i no u re x p e c t e dc o n v e y i n gv e l o c i t y i no r d e rt oi m p r o v et h ew h o l e p e r f o r m a n c eo fc o n t r o l ，t h ei d e ao ff u z z y - p id o u b l em o d e sc o n t r o lh a sb e e np r o p o s e dt o i m p r o v et h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c ea n ds t e a d yp e r f o r m a n c eo ft h ep r o c e s so ft e n s i o n c o n t r o la n dv e l o c i t yc o n t r 0 1 v a r i o u sm e t h o d so fm u l t i m o d ec o n t r o la r ea d o p t e dm o r e a n dm o r ew i d e l yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l s y s t e m s t h ep r o b l e mo fs m o o t h s w i t c h i n go fd i f f e r e n tc o n t r o l l e r si st h ek e yi na p p l i c a t i o no fm u l t i m o d ec o n t r 0 1 a i m i n g a tt h ep r o b l e md u r i n gs w i t c h i n gb e t w e e nf u z z yc o n t r o la n dp ic o n r o l ，a f t e ra n a l y s i sa n d d i s c u s s i o no fd i f f e r e n ts w i t c h i n gm e t h o d s ，t h ei d e ao f s w i t c h i n ga tn a t u r a ls w i t c hp o i n t h a sb e e np r o p o s e d t h ef e a s i b i l i t yo fi d e ao fs w i t c h i n ga tn a t u r a ls w i t c h i n gp o i n ti s d i s c u s s e d a n dt h e nf u z z y - p id o u b l em o d e ss m o o t hs w i t c ha tn a t u r a lp o i n th a sb e e n d e s i g n e di nd e t a i lt od e c r e a s ei n f l u e n c eb r o u g h tb yt h ed i f f e r e n c eb e t w e e no u t p u t so f d i f f e r e n tc o n t r o l l e r sa tt h em o m e n to fs w i t c h i nt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mf o rw i n d i n g m a c h i n e ，m o t o rs o m e t i m e w o r k su n d e rm i n u sl o a dc i r c u m s t a n c e i nw h i c h e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea c t sa sd r i v e ，b u ti t sd i r e c t i o ni so p p o s i t ew i t ht h er o t a r yd i r e c t i o n o fm o t o rb e c a u s eo fl o a dt o r q u e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f v e l o c i t yo s c i l l a t i o n d u r i n gs t e a d yp r o c e s su n d e rt h em i n u sl o a dc i r c u m s t a n c e t h em i n u sl o a dc i r c 啪s t a i l c e o fm o t o rr u n n i n gi sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dam i n u sl o a dm o d e lo fs t e e lw i n d i n gt e n s i o n c o n t r o ls y s t e mf o rr e w i n d i n gs y s t e mi sb u i l tt om o d et h er e a lr e w i n d i n g p r o c e s s an o v e l t h o u g h to fi n t r o d u c i n gf u z z yc o n t r o li n t os t e a d yp r o c e s st oi m p r o v es t e a d yp e r f o r m a n c e h a sb e e np r o p o s e da n dd e s i g n e di nd e t a i lt or e d u c et h eb a n do f e r r o r f i n a l l yt h ei d e ao f d e c o u p l i n gc o n t r o lb e t w e e nt e n s i o na n dv e l o c i t yh a sb e e np r o p o s e d ，a n a l y s e da n d d e s i g n e dt of u r t h e ri m p r o v et r a n s i e n ta n ds t e a d yp e r f o r m a n c e so ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i nt h er e s p e c to f p r a c t i c e ，t h ee q u i p m e n t so fw i n d i n gc o n t r o la n dr e w i n d i n gc o n t r o lh a v e b e e nd e b u g g e dr e s p e c t i v e l y a n dt h ep r e c i s i o no ft h ew h o l ew i n d i n gt e n s i o nc o n t r o l v l 济南大学硕十学位论文 s y s t e mh a sb e e ne v a l u e d t op r o v i d eaf e a s i b i l i t yp r o o f o nt h eb a s eo fa n a l y s i sa n dd e s i g n ，s i m u l a t i o nb u i l to nt h ep l a t f o r mo fm a t l a bh a s b e e nd o n et op r o v et h e s en o v e li d e a sa n dt h o u g h t s ，w h i c hh a sb e e np r o p o s e dp r e v i o u s l y t h es i m u l m i o nr e s u l t ss h o wt h a tf u z z y p id o u b l em o d e ss w i t c h i n gc o n t r o lc a nb r i n g b e t t e re f f e c to nd e v e l o p m e n to ft e n s i o np e r f o r m a n c ea n dv e l o c i t yp e r f o r m a n c e - - n o t o n l yt r a n s i e n td e v e l o p e db yf u z z yc o n t r o lb u ta l s os t e a d yp e r f o r m a n c ei m p r o v e d b yp i c o n t r o l ，r e a l i z i n gs m o o t hs w i t c h ，w h i c hm e a n st h a tt h eb i gi m p u l s eo fe l e c t r o m a g n e t i c t o r q u eh a sb e e na v o i d e d a n dt h er e s u l tc a no f f e re f f e c t i v er e f e r e n c ef o ro t h e rm u l t i m o d e c o n t r o ld e s i g n t h er a n g eo fo s c i l l a t i o ni ns t e a d yp e r f o r m a n c eh a sb e e nr e d u c e db yo n e o r d e ra f t e rf u z z yc o n t r o lh a sb e e ni n t r o d u c e di n t os t e a d yp r o c e s s ，w h i c hi sd e s i g n e do n t h eb a s eo ff u z z y - p id o u b l em o d e ss o o m t hs w i t c h i n gc o n t r o l ，t h o u g hs o m ed r a w b a c k s h a sb e e nb r o u g h td u et ot h ev e r yh i g hs w i t c hf r e q u e n c y f e e d f o r w a r dd e c o u p l i n gc o n t r o l c a l ll o w e rt h ei n t e n s i t yo fc o u p l eb e t w e e nw i n d i n gt e n s i o na n dc o n v e y i n gv e l o c i t yd u et o t h ew i n d i n gt e n s i o nc a u s e db yd i f f e r e n c eo fv e l o c i t i e sb e t w e e nr e w i n d i n gv e l o c i t ya n d w i n d i n gv e l o c i t y , a sc a nf u r t h e ri m p r o v et h ep r e c i s eo ft e n s i o na n dv e l o c i t yc o n t r 0 1 s t u d yo f t h i ss u b j e c ta n dr e l a t e dr e s u l to ft h i ss t d u d yh a sg o o dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d r e f e r e n c ev a l u e ，w h i c hc a np r o v i d ear e f e r e n c et op r a c t i c e ，a l t h o u g hf u r t h e rs t u d yi s r e q u i r e dt os o l v ep r o b l e m si mp r a c t i c e k e y w o r d s ：s t r i pw i n d i n g ；t e n s i o n f o r c ec o n t r o l ；f u z z y p i ；n a t u r a ls w i t c h i n gp o i n t ； d e c o u p l i n gc o n t r o l v l l 钢带缠绕张力控制系统的研究 济南大学硕十学位论文 暑m m m lm 一, mmm m t _ _ _ _ 一im 一一一 m 鼍曼! 葛詈! 皇! 詈詈曼 第一章绪论 i i 课题背景及研究目的和意义 模具在现代制造业中有着举足轻重的地位，其技术水平的高低是衡量制造业水平 的一个标志。冷挤压、冷锻等工艺凭借在精密金属塑性成形方面可实现少、无切削加 工、优质、高效、低成本等优点，已在汽车、机械等工业制造领域得到广泛的应用。 在冷挤压、冷锻、超硬材料的合成过程中，模具型腔内表面承受着巨大的内压，而且 温度较高，例如：冷挤压黑色金属时，凹模的内压力高达1 5 2 5 g p a ；合成金刚石 时，合成腔的内压力高达6 1 0 g p a 、温度达到1 5 0 0 , - - - - 2 0 0 0 。( 2 ，模具内部应力已经超 过了常规模具材料的强度极限。因此，模具往往难以承受巨大的切向拉应力作用，出 现裂纹导致失效，或者型腔过度变形致使产品尺寸精度降低，模具的使用寿命短1 1 , 2 】。 目前，延长模具使用寿命的措施有两种：一是采用高强度模具材料，如硬质合金 等：二是改变模具结构，如预应力结构等。预应力结构可以为内腔受压的模具提供径 向预紧力，使其产生切向压应力，能够部分或者全部抵消内压产生的切向拉应力，从 而延长模具的使用寿命，降低成本。因此，设计合理的预应力结构的模具，对于延长 模具寿命，降低成本具有重要意义。 模具的预应力结构可分为两类：一是组合式的多层预应力环结构；二是缠绕预应 力结构。组合式的多层预应力环结构是多层预应力环与模具以过盈装配的方式产生径 向预紧力，改变预应力环的数目、尺寸和过盈量等参数达到调节预紧力的大小作用。 预应力环结构技术已较为成熟，应用也较为普遍。但是其加工精度要求高、加工工序 繁多、制造周期冗长、模具制造成本高，且当模具预应力环的数目和直径达到一定数 值时，预紧力改善程度不大，提供的预紧力比较有限，难以达到超高压工作条件下使 用模具的需要。缠绕预应力结构作为一种新型预应力模具结构，包括钢带缠绕预应力 结构和钢丝缠绕预应力结构两种。采用高强度薄钢带或钢丝缠绕在模芯上，能够为模 芯提供直径方向上的预紧力【3 巧】。钢带缠绕预应力模具能够通过变张力缠绕实现层与 层之间具有不同预紧力，钢丝缠绕预应力模具在能够实现层间变预紧力的同时还能根 据模具的具体要求实现同层不同预紧力的要求。由于缠绕时钢带或钢丝的缠绕张力可 以调，缠绕预应力模具有更好的预应力分布。在模具尺寸相同条件下，缠绕预应力模 具具有承载能力高，外形尺寸小，尺寸精确度高，使用寿命长等优点。缠绕预应力模 具的寿命是预应力环模具寿命的6 1 0 倍，其制造方法简单，成本低。对比三种模具 钢带缠绕张力控制系统的研究 外内径比随许用应力的变化趋势，也说明缠绕预应力模具具有承载能力高，外形尺寸 小的特点。 理论分析表明，缠绕在模芯上的钢带层能达到成百上千层，钢带的拉伸屈服要求 和硬度要求也很高。钢带的张力分布随层数的逐渐增加从内向外逐层递减，这样模具 工作时产生的压力能均匀的分布在每一层钢带上，从而使模具达到一个最佳状态。在 整个生命周期中保持完全的弹性，而不会发生塑性变形。 由于钢带或钢带缠绕预应力模具有的显著优点，因此，对于缠绕式预应力模具的 制作尤其是制造过程中钢带的张力控制及控制精度是影响绕带式模具包括使用寿命 等各方面性能的决定性因素。 课题针对目前的钢带缠绕预应力结构模具钢带缠绕控制问题做了相关的缠绕张 力控制研究仿真。旨在为缠绕预应力模具钢带缠绕张力的实践提供理论基础和参考依 据。 在制作钢带缠绕预应力模具过程中，钢带的缠绕张力数量级达到1 0 5 p a ，并且钢 带层张力随缠绕半径的增加呈现出逐层减小的趋势，钢带层的张力控制精度直接影响 模具是否处于最佳工作状态和使用寿命。因此，研究和设计高精度的钢带缠绕张力控 制系统对于提高钢带预应力模具的整体性能有着重要的意义。 该课题研究得到国家自然基金项目：钢带缠绕预应力模具变张力设计理论与实验 研究( n o 5 0 8 7 5 111 ) 的支撑。目前国内钢带缠绕预应力模具的研究还处于起步阶段， 因此该项目的研究对于提高我国机械加工行业的生产效率具有重要的意义。同时也推 动自动化理论在机械加工和其他产业中的应用。缠绕预应力模具设计理论的研究涉及 超高压理论、弹塑性力学、金属材料、控制等多个学科领域，具有较高的理论研究价 值和重要的科学意义，以及广阔的应用前景。 1 2 课题研究的发展状况 预应力缠绕模具的核心技术是缠绕张力的研究，国内对缠绕技术的研究主要针对 纤缠绕，机架缠绕以及高压容器的缠绕。针对模具缠绕的深入研究未见报道。 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪4 0 年代，n e w i t l 和c o m s t o c k 分别给出了筒体等张力和变张力缠绕( 等切 应力缠绕) 的理论分析。在2 0 世纪6 0 年代末期，曾有人探讨采用高强度薄钢带缠绕 在模具上作为重载冷锻模具预紧方式的问题。2 0 世纪7 0 年代出现了自增强与多层压 2 疥雨大掌坝十字位论文 皇! 詈! ! 詈! 苎! 皇! 詈暑! 詈詈詈詈詈曼詈! 詈詈詈i 。_ 一一一一一一m i 鼍皇曼 配结合的预紧技术。7 0 年代中期，瑞典首次对钢带缠绕预应力模具在冷锻工业生产 上的应用进行了试验研究，但是由于实验结果不理想而中断了该项研究。与此同时， 丹麦也对钢带缠绕预应力模具在冷锻工业中的应用进行了大量的试验研究，并在2 0 世纪8 0 年代成功将钢带缠绕预应力模具应用到冷锻件的工业生产。图1 1 是钢带缠 绕预应力模具的结构简图。从图1 1 中可以看到外部的钢带层由o 1 m m 厚的钢带缠绕 而成。 毪鼠皿刀嚣嘲扭；r 图1 1 钢带缠绕预应力模具简图 t e c h n o l o g yu n i v e r s i t yo f d e n m a r k ，d a n f o s sa s ，s t r e c o na s 等单位，对钢带 缠绕模具在冷锻工业中的应用进行了大量的理论分析和试验研究，发表了一系列研究 文章。他们的研究工作集中于缠绕模具在工作状态下的应力分析，研究过程中采用了 理论解析分析和有限元分析方法。d a n f o s sa s 成功研制了一种新型钢带缠绕预应力 组合模具，它由可重复利用的钢带缠绕预应力模体和模具经过冷压配而成。2 0 0 1 年， 丹麦s t r e c o na s 从d a n f o s sa s 脱离出来，专门从事钢带缠绕预应力模具技术的 研究，其产品已经在立方氮化硼( c b n ) 及金刚石合成、金属成形等超硬物质制造中 取得了很大成功 6 , 7 1 。 1 2 2 国内研究现状 国内许多学者也对钢带缠绕模具进行了理论分析和实验研究。2 0 世纪9 0 年代， 纤维缠绕技术扩展到救生设备、汽车、运动器材等制造领域。丁保庚、杨福江等人对 纤维缠绕张力公式进行了研究，研究过程中充分考虑了在缠绕的一圈玻璃纤维对已缠 各层的放松效应，推导出了缠绕张力公式。由于纤维缠绕时的张力数值仅为数牛顿， 远低于钢带缠绕模具的张力水平，因此，有关纤维缠绕的研究成果很难直接应用到大 张力状态下预应力缠绕模具的制造过程。 朱国辉、郑津洋等人在文献【8 】和文献【9 】中对钢带缠绕预应力容器的缠绕过程及 3 钢带缠绕张力控制系统的研究 工作状态下的应力状态进行了理论分析，重点介绍了钢带缠绕预应力的两种设计方 法：等强度设计和低应力内筒设计。朱国辉等人在低应力内筒设计过程中对工作状态 和缠绕状态下的缠绕容器进行了详细分析，在理论分析中对内筒和钢带均采用了 m i s e s 屈服准则。运用等强度设计原理给出了钢带缠绕最佳的缠绕初应力公式【l o l 。 颜永年、俞新陆等人在文献1 11 】中对预应力结构在高压容器、机架中的应用进行 了比较详细的研究，阐述了缠绕过程中应用到的三种缠绕原理：等张、等切、等剪。 在推导缠绕张力的过程中，分为芯筒和缠绕层的弹性模量相等、芯筒和缠绕层的弹性 模量不等两种情况，并就三种缠绕原理分别进行了缠绕张力公式的理论推导1 1 2 - 1 5 】。王 强、来小丽等人在文献【1 6 】中对钢带缠绕预应力模具外层钢带上的张力分布进行了理 论的分析和推导。 缠绕张力控制在各行业中有着广泛的应用，造纸缠绕、纤维缠绕、布带缠绕和变 济南大学硕十学位论文 该值传送到卷取分部来参与控制。印刷过程的纸张张力控制虽然在系统结构上与造纸 张力控制有些差别，但是在张力控制方面具有相同的控制方式。 在热轧带钢生产中，缠绕系统的任务是把精轧轧好的带钢卷成钢卷。缠绕系统控 制的关键技术是缠绕张力控制。 在钢带没有离开最后机架之前，缠绕张力由最后一架轧机与缠绕卷筒形成，此时， 缠绕速度比离开最后一个机架的带钢速度大1 0 。当钢带脱离最后一个机架后，缠绕 张力由夹送辊与滚筒形成。此时，缠绕速度比夹送辊的线速度大5 。 通常，当钢带在卷筒上缠绕2 3 圈以后，卷筒开始增速，速度大概比轧制带钢速 度大1 0 左右，实际上轧机机架的功率大于缠绕，速度无法增加起来，转变成了张力。 由于实际控制条件的限制，轧钢缠绕张力闭环的实现比较困难，因此没有张力检 测部分，只能采用间接张力控制。控制的精度受到一定的限制。 预应力钢丝缠绕设备由回转装置、推线装置、重锤装置、张力轮和放线架五部分 组成。 回转装置支撑被缠绕件的重量，克服钢丝张力所产生的扭矩。转速可以在一定范 围内调节。卧式回转机构的回转半径小，承载能力小，转速高。适用于小型机架和高 压容器的缠绕。主电机经皮带传动和减速装置后带动主轴旋转。 用来产生钢丝张力的装置称为张力装置，有下列几种形式：张力轮装置、力矩电 机、电磁制动器等。 钢丝的张力有很多测量方法。如直接在钢丝上贴电阻片，用应变仪测出不同砝码 下的应变值。将此值与载荷一应变曲线相比较得出重锤一张力曲线。还可以用半导体 钢丝测定仪测定钢丝的应力。钢丝测定仪由频率计数器与钢丝振动传感器组