（电力系统及其自动化专业论文）接触网恒张力放线车张力控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 ll a b s t r a c t 、i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sh i g h s p e e de l e c t r i f i e dr a i l w a y , t h e c o n t a c tl i n eo fh i g h s p e e dr a i l w a y s0 c ss h o u l dn o th a v ec o n n e c tp o i n t sa n dh a r d b e n d i n g ，w h i c hc a l ls a t i s f yt h en e wt y p ec a t e n a r y - p a n t o g r a p hr e l a t i o n s h i pa n dt h e w e l lc o n t a c ta n dr e l i a b l ec u r r e n tc o l l e c t i n go fh i g h s p e e d r a i l w a yp a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e t h e r e f o r e ，t h e r e q u i r e m e n to ft e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t sa n d c o n s t r u c t i o nc r a f l w o r kl e v e lo fc a t e n a r yc o n s t r u c t i o nf o rh i g h s p e e dr a i l w a yi s 一一 ， i n c r e a s i n g l ys t r i c t 。t h ec o n v e n t i o n a ls t r i n g i n gm e t h o dw h i c hi sw i t h o u tt e n s i o nc a nn o ta p p l yt ot h e m o d e mr e q u i r e m e n to fo c sc o n s t r u c t i o nb e c a u s eo fi t sl o we 伍c i e n c ya n d q u a l i t y o r d i n a r ys t r i n g i n ge q u i p m e n t sf o rs m a l lt e n s i o n c a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t o fm o d e mc a t e n a r yc o n s t r u c t i o ni nt h a tt h es e c t i o n a la r e ao fc o n t a c t l i n ei s ( m o r et h a n15 0r a m 2 ) l a r g e rt h a nc o m m o nc o n t a c tl i n e ，b yr e a s o nt h a tt h e c o n t a c tl i n ei sm a d eu po fc o p p e ra l l o yw h i c hh a sh i g hh a r d n e s s ，s t r e n g t h ，s t i f f n e s s a n d b a d t o u g h n e s s f o r e i g n c o n s t a n tt e n s i o ns t r i n g i n gc a r sc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fh i g hs p e e dc a t e n a r yl i n e b u tt h e c o s to ft h ec a r sa r er e l a t i v e l y e x p e n s i v e m o r e o v e r , s i n c et h e c a r sa r e d e s i g n e df o rt h e i ro p e r a t i o na n d m a n a g e m e n ts y s t e m , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dt h es u p p o r t i n gf a c i l i t i e sc a t l n o tc o n f o h n 。t ot h e s i t u a t i o no fo u rc o u n t r y i nr e c e n t y e a r s ，s e v e r a lk i n d so f c o n s t a n tt e n s i o ns t r i n g i n gc a r sh a v eb e e na u t o n o m o u sr e s e a r c h e di n l a n da n dc a n m e e tt h er e q u i r e m e n to fc a t e n a r yc o n s t r u c t i o nb ya n dl a r g e h o w e v e r , t h e i rt e n s i o n c o n t r o lp r e c i s i o na n ds e n s i t i v i t ya r es t i l lp o o r ， b a s e do nt h es t u d yo fe x i s t i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m so f0 c sc o n s t a n tt e n s i o n s t r i n g i n gc a r , t h es t r u c t u r ec o m p o s i t i o n a n dc o n t r o lp r i n c i p l e so ft h ec a ra r e a n a l y z e d f o rt h ep u r p o s eo fu s i n ge l e c t r oh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v et o k e e pc o n s t a n t t e n s i o ns t r i n g i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h e e f f e c to fs p e e d ( a c c e l e r a t i o n ) o nt h e t e n s i o n c o n t t o li sa n a l y z e d ，c l o s e d 1 0 0 p c o n t t o li s a d o p t e d i nv i e wt h a ts m a l ld a m p m go fe l e c t r o h y d r a u l i ct e n s i o n c o n t r o ls y s t e mt e n d st oc a u s et h ep r o b l e m ss u c ha si n s t a b i l i t y , t h r o u g hc o n t r o l l e r p r o g r a m se x p e r tp i dc o r r e c t i o h u n i t ，t h es t a b i l i t yo fs y s t e ma n dc o n t r o l a c c u r a c yo ft e n s i o nc o n t r o la r ee n h a n c e d i nt h ee n d t h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e m i ss i m u l a t e da n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e0 c sc o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o l s y s t e m sm a t h e m a t i c a lm o d e lc a nr e f l e c tt h ed y n a m i cp r o c e s so ft e n s i o n c o n t r 0 1 o nt h ew h o l ea n dt h et e n s i o nc o n t r o lo ft h es y s t e mi ss t a b l e 。a n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：o c s ；c o n s t a n tt e n s i o n ；c o n t r o ls y s t e m ；e x p e r tp i d ；s i m u l i n k 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，胜年解密后适用本授权书； 2 不保密囵，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 蓄霸产虿孑雠铲葛缈 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 椭务磐 硼6 、影 研b 心 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 接触网是沿铁路线上空架设的一条特殊形式的输电线路，它由接触悬挂、 支持装置、定位装置、支柱与基础等几部分组成 1 1 ，功能是通过接触线与受电 弓的直接接触为电力机车提供可靠不问断的电能。 要保证受电弓与接触线的良好接触及可靠受流，高速铁路接触网的接触 线要求不得有接头和硬弯，随着高速电气化铁路的发展，为适应高速铁路客运 专线新型弓网关系，对承力索架设和接触线架设的机具及工艺水平提出了更高 的要求。传统的不带张力的架线方式，已经不适应现代化接触网施工要求； 而普通的小张力放线设备，又难以满足现代化接触网施工需求；虽然国外设 计生产恒张力放线车能够满足高速接触网线路的要求，但造价太高，设计不 太符合我国国情：国内虽然已经自主研发不同规格的恒张力放线车，但控制 精度和灵敏度仍然不高。 为适应客运专线新型弓网关系，开发恒张力放线车张力控制系统，提高 张力控制精度，保证接触网架线和收线施工时恒定张力，能在机车启动、刹 车等正常运行过程中线索的张力保持恒定，使线索不会出现硬弯和损伤。 1 2 接触网恒张力放线车国内外发展现状 1 2 1 国内外接触网恒张力放线车发展现状 恒张力放线车作为接触网上部结构架线安装的主要设备，能提供持续恒 定的较大张力、保护功能完善、自动化程度高，是我国既有线提速及客运专 线接触线的施工不可或缺的关键设备。从作业方式或牵引动力的不同，恒张 力放线车可分为“单机作业型”和“车组作业型 两种，也可叫“自走型 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 和“牵引型 ；按同时架设的线索数量不同，恒张力放线车又可分为“单线” 放线车和“双线”放线车两种；根据放线的前进方向，恒张力放线车可分为 “单向”放线车和“双向”放线车两种。无论哪种车型，其结构都是由张力 机构、线盘架、导向装置、拨线机构、电控系统、应急系统、起落锚装置、 尾线补偿装置和其他辅助装置等组成【2 】。 目前，国外设计生产恒张力放线车的厂家主要有奥地利的普拉塞、意大 利的吉斯玛、欧玛克( o m a c ) 、太斯米克、德国的z e c k 。国外生产的接触网恒 张力放线车的结构形式主要有两种【3 】。一是恒张力放线车不配备走行动力，放 线时需由其他车辆牵引，可同时进行承力索和接触线的恒张力放线作业，承力 索、接触线的恒张力值可分别控制，放线装置可预先输入放线的恒张力值、导 高、拉出值等参数，自动调整放线张力、高度和拉出值，但不能把承力索和接 触线引至起、落锚点，起落锚作业复杂，控制放线质量的装置较少，结构简单。 二是恒张力放线车配备有走行动力，放线时可自力走行不需配备牵引车，除具 备上述放线车各种性能外，可将承力索和接触线引至起、落锚点，起落锚作业 相对较简便，控制和提高放线质量的装置完备。 恒张力放线车的工作原理即在放线时根据接触线的设计额定张力，放线 前预设好线索的控制张力，控制张力用张力盘来实现，架线前将接触线在张 力盘上缠绕6 圈，在线盘上缠绕后穿过抬拨线柱进行展放，张力盘采用微机 控制，架线过程中，对线索的控制张力进行全程检测，吉斯玛通过在抬拨线 柱的导向滑轮上安装传感器进行检测而太斯米克则是在张力盘控制系统中 设计1 个c m o s 系统，每隔1 5s 自动对线索的张力检测一次，根据检测结果， 微机及时进行自动调节，使线索控制张力始终保持恒定的预设值：控制张力 基本不受车组的启动、行走和停止等影响，与车组的正常运行速度关系不大。 接触线架设完毕后不需要紧线即可直接落锚，恒张力架线能有效地避免硬弯、 扭面等缺陷。另外，恒张力放线车还可以利用其线盘架的驱动装置进行收线 作业【4 】。恒张力放线能有效地避免接触线架设时产生的硬弯和扭面等缺陷，还 可以利用其收线功能，退回到需要处理的地方重新进行作业。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 但是，目前国内使用的国外进口恒张力放线车造价较高。而且，据了解 进口的恒张力放线车都是根据其本国的铁路运营要求和建设管理模式设计 的，因此在机械性能和配套设施等方面并不完全适合我国国情。例如，国外 既有线电气化施工都是在凌晨停止运输后进行的，时间相对宽松，基本上可 达6h ；而相比我国全天候运营，工期要求相对紧张，且只能利用“天窗”点 时间进行施工，有效作业时间大大降低。基于以上两种不同的铁路运营和建 设管理模式，目前我国进口的恒张力放线车的放线平板设计较短，一般只能 放2 盘线，即在一个“天窗点时间内只能放2 根线，无法满足在长“天窗” 点施工或上、下线连续封锁线路施工时的需要。 在消化吸收国外先进技术的基础上，我国襄樊金鹰轨道车辆有限公司、 北车集团太原机车车辆厂、西安铁路局科学技术研究所等于近年先后自主研 发了不同规格的小张力和恒张力放线车。中铁宝鸡工程车辆有限公司和中铁 昆明车辆有限公司也正在研究开发或计划引进高质量的恒张力放线设备，以 迎接客运专线建设的挑战。 国产恒张力放线车对进口恒张力放线车设备做了进一步的改进、提高和 推广，提高了我国接触网架线施工国产化的技术装备水平，加快了铁道行业 的技术进步和产品结构升级，使电气化铁路的施工、大修、抢修工程更具明 显的经济和社会效益。 ， 而小张力放线则根据线索的自重、跨距以及线盘的半径，放线时先预设 一个较小的控制张力，让线索离开轨面一定高度。其控制张力通过手油泵产 生压力油，以制动线盘轴产生摩擦阻力，在牵引车的带动下使导线或承力索 产生放线张力的，牵引车停车时放线张力消失。控制张力过大会导致线盘转 动不均匀，并使线索和腕臂来回晃动，待车组过锚段关节后，人工匀速增加 控制张力使线索架设后的弛度达到设计值。架设过程要控制好车速，车速过 大则直接影响放线的平稳性和放线质量，架线完毕需紧线后方可落锚。因此， 此种车辆由于没有主动张力施加机构、放线张力测量机构、闭环张力控制系 统等，存在放线张力小( 3 - 1 0k n ) ，张力不稳定，放线质量差等不足。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 国内外接触网恒张力放线车特点 德国、法国、瑞典、奥地利等国均采用性能先进的放线车组，实现恒张 力架线，放线车组的行驶速度约为2k m h ，控制张力达到设计额定张力。恒 张力放线装置用电脑控制，张力偏差仅- - + 1 。这样，承力索架设时，一是避 免了架设接触线时，接触线出现硬弯、扭面等缺陷；二是承力索可立即放入 承力索线夹内。接触线架设时，用定位器钩挂住接触线。承力索架设和接触 线架设完毕后均不必紧线即可下锚，且新线初伸长后，坠砣高度可一次到位【5 】。 国内普通铁路、日本北陆新干线、法国北方线和德国r e 3 3 0 对接触线的 张力要求分别为1 5k n ，1 9 6k n ，2 0k n 和2 4 2 7k n 。其中，日本采用的是 线索超拉工艺，对恒张力没有具体要求。我国客运专线引用欧洲标准，要求 放线车能满足不同线索截面积( 8 0 , - - - 1 8 0 删苷圆形或扁型) 要求；张力放线范围 为1 5k n - - , 3 0k n ；无论车辆在前进、停止或倒退的作业过程中，其预先设定 的张力误差范围在启动及停车时8 ，匀速运行时3 。 采用恒张力放线车组的施工工艺主要具有以下几个特点： ( 1 ) 可预置架线时的放线车组的行驶速度和线索张力； ( 2 ) 作业人员在作业平台上可控制车组以1 0k m h 的低速行走和停车， 此时，车组行走的动力是由安装作业车的液力马达提供的； ( 3 ) 能够避免接触线架设时产生硬弯和扭转等严重缺陷，有利于高速行 车； ( 4 ) 放线车组想退回某处进行处理时，可收卷刚放的新线，退回到某处 。重新进行作业。 由德国w i n d h o f f 公司生产并提供给韩国高速铁路建设的一组放线车组还 有如下特点：线盘由微机控制自动地横向移动，使线索在线盘处不形成折线， 接触线不产生硬弯，从而对弓网关系有利【5 1 。 具有我国自主知识产权的恒张力放线车具有以下几个特点【6 】： ( 1 ) 两对张力轮均能放线收线；抬拔线装置可灵活地调整导线“之字 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 值和高度；液压起重机装卸线盘方便。 ( 2 ) 张力稳定，行驶或停车均能保持预定的张力值，张力机各部分操作 方便，张力易于调整控制。 ( 3 ) 施工中用网套接头穿线方便，架线装置安全可靠，能有效防止出现 夹线和断线情况，保证放线、收线的正常操作。 ( 4 ) 国产恒张力放线车适用于我国电气化铁路新线施工和既有线接触网 大修改造、事故抢修。在既有线施工，每个“天窗点 可以装两个线盘，架 设两个锚段接触线，按每个锚段1 8l ( m 左右考虑，带额定张力放线时间为2 0 - - - 2 5m i n ，导线调整基本可以做到二次到位，起锚落锚用1 0m i n ，只要张力放 线车后面作业车配合得当，装吊弦和装定位人员作业规范，完整架好一个锚 段接触线约需4 0m i n ，比不带张力的架线方式，能提高工效一倍左右。这样 可以节省一半“天窗点”，大大减少施工对运输的影响，在繁忙干线经济效益 非常显著。 ( 5 ) 张力架线能够提高施工质量，对电气化铁路的正常运行和保障安全 起到了促进作用。使用该设备进行额定张力架线，导线平直度好，硬点少， 机车通过时，很少出现传统架线方式导致的受电弓打出“火花”的现象；明 显改善了弓网关系和受流状况，延长了导线和受电弓寿命，对提速和高速线 路作用更明显。 ( 6 ) 该设备如果配备给新线施工单位，接触线与承力索双线同时架设， 能提高工效，缩短工期，经济效益将更为显著。 无论是进口恒张力放线车还是国内生产的恒张力放线车，都能为线索提 供持续稳定的较大张力；接触线或承力索线索张力可连续调整，自动化程度 高；操作方便，作业效率高，自我保护功能完善。但国内生产的恒张力放线 车控制精度和灵敏度仍需提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 论文研究的内容和意义及章节安排 1 3 1 论文研究的内容和意义 电气化接触网恒张力放线车组是高速铁路、客运专线电气化施工中必须 的设备之一。在高速铁路、客运专线电气化工程施工中，接触网恒张力放线车 起着非常重要的作用。接触网恒张力架放线车组能同时或分别连续调整接触 线和承力索所需张力并保持恒定；能在停车、刹车和起步时保持线索张力恒 定且不会产生硬点和损伤；能实现架线、调整和检测流水线作业，不仅能保证 工程质量，而且还能提高作业效率川。 论文在研究国内现有的接触网恒张力放线车张力控制系统的基础上，对 接触网恒张力放线车张力控制系统的结构、组成及控制原理进行了阐述，建 立了系统较为完整的数学模型并通过数学模型分析了速度( 加速度) 对张力 控制的影响。针对电液张力控制系统中因系统的阻尼较小容易引起系统的不 稳定等问题，通过控制器程序中的专家p i d 校正环节进行补偿方法加以解决， 提高系统的稳定性和张力控制精度。最后，论文应用了m a r l a b s i m u l i n k 工 具对张力控制系统进行了仿真，确定系统结构参数，反映张力控制的动态过 程。 目前，张力控制技术已经在众多领域得到了广泛应用，例如卷染机、海 洋绞车、电力张力架线机等，并对我国的纺织、造纸、轧钢、印染等传统产 业具有非常重要的意义。在我国电气化高速铁路事业飞速发展的今天，高速 铁路客运专线新型弓网关系，对接触网施工的技术装备水平和施工工艺水平 的要求越来越高。因此，如何提高接触网恒张力放线车张力控制系统的动态 性能及抗干扰性，保证张力控制的稳定性、准确性和快速性，成为一个至关 重要的问题。本文通过将接触网恒张力放线车的张力控制系统与计算机控制 技术结合应用，提高了张力控制系统的控制精度与响应速度，具有一定的应 用价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 2 章节安排 本论文由5 个部分组成，有关各章内容分述如下： 第l 章为绪论，阐述了本课题的研究内容、背景及意义。详细地介绍了 国内外接触网恒张力放线车发展现状及其特点。 第2 章阐述了张力控制系统的分类及应用，并详细介绍了接触网恒张力 放线车的工作原理，针对整车及放线盘受力情况进行了分析，通过对单线放 线模型的建立和推导，讨论了机车缓解后启动车辆后退问题及解决方案。并 初步分析了速度( 加速度) 对张力控制的影响。最后以国产f x - 5 型恒张力放 线车为例，介绍张力控制系统结构与张力检测装置。 第3 章介绍了接触网恒张力放线车张力控制系统结构，通过建立数学模 型对系统的受力情况进行静、动态分析，并推导出系统各个环节之间的关系。 第4 章建立了接触网恒张力放线车张力控制系统仿真模型，介绍了仿真 的各个环节，运用专家p i d 控制算法通过m a t l a b s i 叫1 i n k 仿真对系统动态 特性作进一步分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章接触网恒张力放线车工作原理和受力分析 2 1 张力控制系统概述 目前，张力控制系统广泛应用于各类工业生产。在纺织、塑料、印染、 造纸、轧钢、电线电缆等有关卷取加工行业中，张力控制系统起着重要的作 用。随着现代工业技术的不断发展以及工业自动化程度的不断提高一，是否能 适时对产品内部的张力进行控制和调节将直接影响产品的质量和生产【8 t9 1 。 2 1 1 张力控制系统的分类 由于张力控制系统应用领域较广，即使在同一领域其工作环境、实现目 的等也有差异，因此其种类及数量繁多。故着重从自动控制原理及动力元件 两方面对张力控制系统进行分类。 根据自动控制原理，张力控制系统的可以分为闭环张力控制系统、开环 张力控制系统和张力复合控制系统三种类型【1 0 13 1 。 ( 1 ) 闭环张力控制系统又称直接式张力控制系统，其特点是对张力的偏 差进行调节，即张力的反馈控制。根据自动控制原理可知，在张力闭环所包 围的范围内，不管是什么原因引起的张力扰动，系统都能通过张力闭环的作 用得到补偿，因此这种控制方式广泛应用于对张力控制要求比较高的场合。 但闭环张力控制系统使用的元件多，线路复杂，系统的性能分析和设计也比 较麻烦，控制成本较高。 ( 2 ) 开环张力控制系统通常又分成直接式开环张力控制系统及间接式张 力控制系统。、 直接式开环张力控制系统的控制作用直接由系统的输入量产生，即给定 一个输入张力目标值，就有一个输出实际张力与之对应，张力的控制精度完 全取决于所用的动力元件及其校准的精度。虽然张力的开环控制没有自动修 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 正偏差的能力，抗扰动性能较差，但由于其结构简单、调整方便、成本低， 在对张力精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式具有一定的 实用价值。 间接式张力控制系统又称扰动补偿型张力控制系统，是利用可测量的扰 动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对张力输出量的影响。实际上， 影响张力的因素是很复杂的，但为了使系统不过于复杂，且容易实现，往往 只能补偿其中l 、2 个主要扰动量，所以这种张力控制方式是近似的。但是， 相对于直接式开环张力控制系统来说，其抗干扰性及控制精度都有了较大的 提高，目前得到一定程度上的应用。 ( 3 ) 张力复合控制系统把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要 扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按 偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这样，系统的主要扰动己被补偿， 反馈控制系统就比较容易设计。控制效果也会更好。主要应用于一些较为特 殊的工况。 按动力元件分，张力控制系统可分为电机张力控制系统、磁粉离合器张 力控制系统和液压传动张力控制系统这三种重要控制形式。 ( 1 ) 电机张力控制系统。随着电动机控制理论的成熟及其制造业的不断 发展，电机张力控制系统迅速普及，成为当今应用最为广泛的张力控制系统。 直流电动机进行张力控制，具有调速性能好、能够载重启动等优点。但 启动时若电流过大，会减小电机的使用寿命，并且对电网和用户造成不利影 响。另外，由于换向器的存在，直流电机存在一定不足。例如，换向器与电 刷之间存在摩擦，会产生较大的死区，并易于产生火花等。 近年来，交流调速系统快速发展，并且在张力控制系统中得到了迅速推 广。变频调速不仅精度高、响应快、调速范围大，而且有着节能这一巨大优 点，因此成为今后张力控制系统主要发展方向之一【1 4 1 5 】。但在间接式的张力 控制系统中，往往需要对电动机的各个物理量进行调节，例如，电源电压、 电枢电流及励磁电流等，从这方面讲，采用交流调速系统就不具有了优越性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 ( 2 ) 磁粉离合器张力控制系统。磁粉离合器用作卷绕机构的传动控制， 是一种较新的控制方式【1 6 】。磁粉离合器是电磁离合器的一种，是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种动力元件，它的主要工作原理是磁粉在激励线圈通电时， 使间隙内的磁粉在从动件与主动件间成链状连接，从而将转矩由输入端传给 从动件，从动件即可驱动机器运转。磁粉离合器所能传递转矩的大小，随激 励电流增大而增大。 磁粉离合器的主要特点有 1 7 】： 磁粉离合器传递的转矩与励磁电流一般在额定转矩的1 0 l1 0 之间 的范围内成正比，因而可作为线性调节元件使用。 磁粉离合器具有恒转矩特性。当励磁电流恒定时，即使滑差转速改变 较大，其传递的转矩基本保持不变。 一 可实现无级调速。磁粉离合器与其他控制装置配合，可实现输出轴的 无级调速，而且变速范围宽、转速稳定、变速过程平滑且可实现输入与输出 轴的同步运转。 因此，磁粉离合器在张力控制系统中得到了广泛应用。但是，由于磁粉 离合器的制动力矩与线圈电流线性关系的不足，因磁粉离合器的滞后因素响 应速度慢以及耗能量大等主要缺点【擂】制约了控制精度的提高。另外，磁粉离 合器还存在散热不好、在滑差情况下效率低、寿命较短等缺点，因而主要应 用在中、小功率的张力控制场合 1 9 ，2 0 1 。 ( 3 ) 液压传动张力控制系统。随着液压控制理论的不断完善，液压元器 件可靠性的不断提高，液压传动张力控制系统得了迅速发展，并广泛地应用 于工程实际中。目前，国内外均将液压控制技术应用于各类卷绕机构上：尤 其是在轧钢等大功率生产线中占有重要地位，取得了良好的传动控制效果。 特别是与现代电子技术相结合，使卷绕机构的控制性能和自动化程度均得到 大幅度提高。 与其他传动控制方式相比，液压传动张力控制有着以下明显的优点f 2 。 力传递方便，在同等体积下，液压装置比电气装置产生出更多的动力， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 能满足张力控制的动力需求。并且液压系统容易对张力进行控制，通过构成 一定的压力控制回路，可以对系统进行压力控制： 良好的调速特性。电机与液压技术的结合，能够在大范围内实现无级 调速( 调速范围可达1 ：20 0 0 ) ，并且可以在运行的过程中进行调速。若与交流 变频技术结合，不仅具有较好的调速特性，还能显著地节能降耗【1 6 1 。 与其他动力元件相比，液压马达使用寿命长、转矩转动惯性比大、频 响快，易于实现张力控制的快速启动、制动及频繁的换向。 易于实现自动化。由于液压传动与电子检测技术和计算机技术结合越 来越来紧密，易对液体的压力、流量和流动方向进行控制和调节，从而实现 自动化控制。 易于实现过载保护。当负载过大时，系统压力升得过高，系统安全溢 流阀打开，系统泄油。因此可以通过调节系统安全溢流阀调定系统最高工作 压力，来限定额定工作负载。 2 1 2 张力控制系统的应用 在输电线路的架设、通信光缆的敷设等架线施工中，对张力要进行严格 的控制。比如在海底电缆的敷设中，其敷设质量直接影响通信性能。而敷设 缆的状态形状、张力等直接影响了电缆的敷设质量：若电缆过松，电缆将会 缠绕，并与海底接触，增加了电缆的磨损，这样不但影响敷设电缆的进程， 还会造成电缆的浪费；若电缆过紧，当超过所能承受的极限张力时，将会造 成电缆的损坏乃至拉断，进而造成更大的损失 2 2 1 5 】。 钢铁工业是我国国民经济的支柱产业。在钢铁轧制过程中，无论采用冷 轧还是采用热轧，张力控制都占有重要的地位 2 6 】。以冷轧带钢为例，若进行 无张力轧制，则无法保证带钢平稳轧制，且带钢卷不可能卷紧，使带钢在装 卸及运输的过程中容易造成带钢层间错动从而划伤其表面，容易在卷取过程 中卷成塔形等。而进行有张力轧制，则可有效地避免以上问题，同时进行较 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 为精确的恒张力控制，还可大大提高带钢的品质1 2 7 j 。 在纱线、织物和化学纤维的加工过程中，张力也是一个重要的影响因素。 例如，在化纤纺丝工艺上所需求的不同拉伸比，就需要相应的张力来实现。 为了使织物的质量稳定，张力在整个过程中应保持稳定，波动过大就会影响 产品的质量。若张力过大，可能造成化纤网格增大或因张力过大使织物受了 过大的应力而降低寿命；若张力过小，可能使织物过松而起皱或跑偏，大大 降低产品的质量【2 8 1 。 采用纤维缠绕成型工艺获得的复合材料制品，具有强度高拉伸强度密度、 可整体成型以及能更好地发挥纤维高强度特性等特点，因而在化工、船舶、 汽车、机械、建材等诸多领域迅速地得到了广泛应用。在纤维缠绕过程中， 张力同样是一个极为重要的控制参数，纤维张力不仅关联到树脂含量的控制， 更重要的是缠绕张力的大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层间纤维 张力的量级变化对制品强度的影响极大。大量研究证明，张力选择不当或张 力控制不稳定，可使纤维缠绕制品的强度损失2 0 3 0 2 9 _ o 】。 在造纸行业中，张力是一个主要的影响因素。进行张力控制的装置也是 造纸过程、纸张再加工( 浸渍、涂布、复合、轧花、套色印刷等) 和纸张的 整饰过程( 复卷、分切、超轧等) 中必不可少的设备。以造纸过程的干燥工 段为例，在这个阶段原纸和涂料的水分不断地蒸发，并开始收缩，此时若不 及时调整纸张上的张力，原纸的张力会逐渐增大并导致“牛筋矽的产生，从 而影响纸品的质量甚至拉断原纸造成损失。用于这期间的张力控制系统就是 人们所熟悉的“恒张力控制系统【3 1 3 2 1 。 在通信与信息行业中张力控制也有非常重要的应用。例如，光纤陀螺仪 在航海、航空、航天导航、导弹制导等各种要求定向、平衡等的相关领域得 到了广泛应用。在众多影响光纤陀螺仪性能的因素中，光纤环品质的高低是 最重要的因素之一，在绕制时如何获得期望的张力值是提升光纤环品质的关 键【3 3 i3 卯。 在军事领域中，张力控制也有其应用。作战水面舰艇通常采用拖曳声纳， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 这种声纳需要拖体和拖缆的设计以及张力的控制【3 6 】。 2 2 接触网恒张力放线车工作原理 22 1 接触网恒张力放线车工作原理 吉斯马接触网恒张力放线车实物图如图2 1 及图22 所示。 图21 吉斯马接触网恒张力放线车实物图1 图22 吉斯马接触网恒张力放线车实物图2 接触网恒张力放线车主要由轨道平车、操纵室、张力机构、线盘架、拨 线机构、动力系统、液压系统及电气系统等组成。用于电气化铁路接触网线 索的架设、更新与回收【5 】。 在放线作业过程中，线索的张力在操纵室内的微机显示器上设定及显示， 并由张力传感器测出线索的实际张力，在工业控制微机的控制下使接触导线 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 或承力索保持恒定的张力。能同时施放双线，放线过程中接触导线或承力索 高度可控；导线或承力索高度、导线拉出值既可在放线车后端的接触网作业 车平台上通过无线遥控器进行距离控制，也可在室内操纵台上通过转换开关 手动控制，还可在室外拨线机构旁用液压操纵手柄控制，以方便作业人员进 行起落锚、挂导线或承力索及安装接触网零件等。 在收放线作业时，需要放出的线索从线盘架上引出后在张力盘机构摩擦 盘上多圈缠绕，以产生足够的摩擦力，在放线过程中，使线索和摩擦盘之间 不产生滑动。张力盘齿轮上安装有液压马达，提供与线盘转动方向相反的力 矩，张力大小在作业前通过计算机设定。作业时，通过控制位于液压马达出 口的电比例阀的开度( 电流) 控制力矩的大小。线索中的实际张力由张力传 感器测量出来后送入计算机系统，并与设定值进行比较，若实际值比设定值 大，则计算机输出信号减少比例溢流阀电流，减少液压马达的转动力矩。，从 而使线索中的张力总是趋向设定值；当线索实际张力小于设定值时，计算机 对信号的调节方向相反 3 7 川】。 2 2 2 接触网恒张力放线车受力分析 接触网恒张力放线车结构图如图2 3 所示。 。- - - e = = 】1 _ i h _ 一7 t - _ i 曰i i i 。 l mi i i 星 曼j 舔一鼹耍 章! 一量j j 。一_ 一工- 寸卫丑 跨k 、 图2 3 接触网恒张力放线车结构 因为单线放线和双线放线两套放线机构受力方式对整车受力的影响规律 一致，因此，该模型通过对单线放线模型的建立和推导，分析放线启动及放 焉鋈。接触 假设线路有角度为a 印坡度耋兰张刀取绒h ”。 网恒张力放线车受力分析如图2 4 所不。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 件是在不断变化的，加速度a 不可避免产生，并且加速度口也可能是在不断 变化的，因此，在放线过程中必须首先通过控制牵引力f 来实现放线张力局 的恒定。 恒张力放线车启动时，有 f g s i n a 一互c o s 8 - 厶= 0 ( 2 2 ) 其中，静表示整车启动时最大静摩擦力( 含风阻力) ，假设l 厂静l = r m ，则 有一c o sa 睁c o s 口。 假设缓解后启动，则牵引力r 从0 开始变化直到启动位置。但是缓解瞬 间f = o 的时候，无法保证一g s i n a - f lc o s 0 一厶= 0 一定成立。在缓解瞬间， 有厶= g s i n a + ec o s 8 。假设坡道为1 2 o ，单线放线车自重4 8t ( 4 80 0 0 k g ) ，则一57 6 0n 4 g s i na 4 57 6 0n ；68 1 0n 4 f 1 c o s 0 4 2 96 4 0n ，则放线 车不后退首先要求10 5 0n 4 f 静4 3 54 0 0n 成立。而放线张力f l 在钢轨垂向 方向对车辆的作用力最小值为12 3 0n ，最大值为1 57 3 0n ，钢轨与车轮之间 静摩擦系数为0 0 5 ，则不施加牵引力启动时，有2 32 1 0n 4 f 睁4 2 39 3 0n ， 无法完全满足10 5 0n 4 f a 4 3 54 0 0n ，因此，不能完全保证在放线张力，l 设定后缓解启动车辆不后退。因而，要保证车辆缓解后启动时不后退，必须 在缓解启动前给车辆施加相应的牵引力。 下面，估算缓解启动前( 启动瞬间) 给车辆施加的牵引力，大小。 当a 取正值时表明g s i l l 反与牵引力f 方向相反与放线张力f i 方向一致， 此时整车位于上坡状态启动；当及取负值时表明g s i n 口与牵引力，方向相同 与放线张力，l 方向相反，此时整车位于下坡状态启动。厂静正值表示摩擦力 厂静与放线张力蜀方向一致；厂静负值表示摩擦力静方向与牵引力，方向一致， 表明车辆有后退的趋势。当厂静达到负值的最大值( 假设约2 40 0 0 c o san ) 时 车辆将会发生后退，厂静最大值可通过在平直道上试验进行测定。假设平直道 上最大值为e 嗽，则由公式f - g s i n a - f lc o s 8 一名= o 得 厶= f g s i n 口一互c o s 8 ( 2 3 ) 代入c o s 口呵静只懈c o s 口得 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 一瓦缸c o s + g s i n a + 互c o s 8 f r 缸c o s o ! + g s i n a + e c o s 0( 2 4 ) 其中，与导向柱之间的夹角目可以通过导向柱伸缩油缸的行程计算得到；放 线张力蜀则在启动前通过张力传感器可以预先得到；平直道上缓解状态的最 大静摩擦力e 眦可以通过试验较准确的测量出来。 当一， m a ；【c o s a + g s i n t z + ec o s 8 0 时， 懈c o s o ! g s i n a + 鼻c o s l 9 0 ， 则 0 f ，oc o s o t + g s i n a + ec o s 0 2 ， 眦c o s ( 2 5 ) 为保证车辆缓解启动时不后退，可以取 a x c o s 口 ( 2 6 ) 当一c q s a + g s i n a + f 1c o s 0 o 时，o kc o s o g s i n a + 鼻c o s 0 ， 则 0 t 0 9 1 为尾线马达的机械效率， 1 0 9 3 1 ，为尾线盘出线位置所在圆周半 径，m ：f 为减速比，i = 1 2 9 1 9 6 7 8 9 。 由公式( 3 - 7 ) 可得接触网恒张力放线车线索控制张力与扭矩之间的关系 丁一，宴一塑+ 只r 互= j 迕止 ( 3 1 1 ) 把公式( 3 - 8 ) ( 3 - 1 0 ) 代入公式( 3 1 1 ) 可得到接触网恒张力放线车 线索控制张力与溢流阀i = 1 压力的关系 亟丛厶一，塑一国+ 亟