基于AMEsim的缠绕机张力调节装置系统设计与仿真

刘志卫 丁 峰 刘正宇

（安徽理工大学机械工程学院 安徽淮南 232001）

由于缠绕机具有结构稳定、承载能力强、工作原理简单等特点，广泛应用于纤维缠绕、塑胶化工、重型升降机、卷扬机等诸多领域。目前大多数工作领域要求缠绕机工作时，张力大小可调节。国内外不少学者对缠绕机张力调节也做了大量研究，Adesuwa Annabelle Ebuehi 等[1]根据电线圈缠绕特征设计了一种自动线圈缠绕机。毛玉祥等[2]设计了钢卷穿心缠绕机并研究张力控制策略。贺星宇[3]等设计了布带缠绕张力调节系统，通过仿真分析和实际实验得到验证。本文对于工业中3t液压张力调节系统回路进行设计，利用AMEsim软件绘制草图、选择合适的子模型与参数设置，并通过优化调整，达到更理想的效果。

一、张力调节装置回路构建

目前张力调节装置驱动主要是机械驱动。机械驱动通常需要工人亲自更换重力块，操作危险工作强度高，且在更换重力块时会出现张力丢失现象。考虑到实用与安全性，本文对液压驱动方式的压力调节装置系统进行设计。

缠绕机张力调节装置中提供压力的升降油缸在工作时压紧钢丝或钢带，通过缠绕筒的旋转带动钢丝或钢带移动，拉紧钢丝或钢带，产生张力进行缠绕。张力调节装置油缸在工作时可对钢丝提供不同的压力来实现钢丝张力的调节。考虑到油缸推出压力的准确与稳定性，采用比例溢流阀，通过可编程控制器控制比例溢流阀的液压孔阀门开度，进而控制液压油缸腔体内压力。缠绕钢丝或者钢带时，钢丝或钢带在缠绕方向同时受到因液压缸压力而产生的摩擦力和缠绕筒牵引力，液压缸内油压变化，施加在钢丝或钢带上的压力也会变化，钢丝受到的摩擦力也发生变化，钢丝张力也会随之产生变化。无杆腔压力油提供其工作压力，考虑到实际工作中节能需求，设计增加两个单向阀用来保压，这样还能避免油泵长期处于工作状态，在节能的同时还能提高其使用寿命。结合实际需求设计的液压原理图，如图1所示：

图1 张力调节装置液压工作原理图

1.液压缸；2.缠绕筒；3.单向阀；4.比例溢流阀；5.三位四通换向阀；6.油压传感器；7.溢流阀；8.油泵；9.电机

如图1中所示，液压油经过换向阀、单向阀，实现液压缸的压进与缩回；右侧可编程控制器控制油缸压力大小：油缸下压油泵打开后，三通四位换向阀处于左侧，单向阀导通状态，油缸右侧充满液压油，油杆推动，控制器给大小不同的信号，控制比例溢流阀阀门开度大小，改变液压油泄露速率，进而调整系统压力。结束工作时，油缸上抬工作：三通四位换向阀处于右侧，单向阀导通状态，油液进入油缸左侧，油杆回到工作原点。

二、缠绕装置力学分析

（一）主要元件数学模型。考虑到一般的直动式溢流阀都装有弹簧，当阀进口压力作用在阀芯上的力大于或等于弹簧力Ft时，阀芯才会移动，通常情况下弹簧刚度强会影响调节性能和精度。[4]为了更理想化分析研究，本系统简略搭建一个等价于直动式溢流阀效果的比例溢流阀，如图2、3所示：

图2 比例溢流阀结构

图3 比例溢流阀AMEsim模型

液压油从1 处进油，2 处出油，液压油进入阀体内，通过施加外部载荷控制溢流阀阀芯移动位置，比例溢流阀开度变化直接影响液压缸油压大小，此处忽略油液摩擦力、溢流阀质量，可以得到阀口开启溢流时阀芯受力平衡方程：

式中：A1为进油口阀芯面积；A2为出油口阀芯面积；A3为控制开度阀芯面积；P1为进油口压力；P2为出油口压力；F推为控制开度外部载荷。

（二）钢丝缠绕力学分析。图4为钢丝受力简化，为了准确模拟缠绕机实际工作状态，设计钢丝直径为2mm，缠绕机缠绕钢丝的效果与钢丝材料相关。基于《金属材料力学性能手册》，选用本装置的缠绕钢丝材料为1960MPa 锌-铝合金镀层钢丝。因为钢丝层设计应力不超过钢丝流动极限的1/1.1[5]，即钢丝许用应力为：

图4 钢丝受力示意图

由于钢丝张力是由液压机上方液压油杆对钢丝挤压的同时通过缠绕筒转动带动钢丝滑动，假如钢丝在缠绕时其线速度不变，则滑动摩檫力大小即为钢丝所受张力。因此通过改变液压缸压力即可改变钢丝张力。根据钢丝缠绕机力学分析，压缸推力关系式为：

式中:[σ]为钢丝许用应力;D为钢丝直径。

设计最大钢丝应力为1960MPa，由式（3）对应的最大摩擦力为5594.9N，因此液压缸推杆的最大压力为：

所以此液压缸最大推力在2.7t，即应选择大于2.7t 的液压系统。如图1进油腔体内为无杆腔，其无杆腔油压接触面积为：

当油杆压到底部时液压缸腔体最大压强：

因此在保证溢流阀无泄漏的情况下，溢流阀安全阀开启压力参数可以设置在10MPa以上。

三、液压系统AMEsim仿真

（一）AMEsim 模型构建。根据液压系统原理图，采用AMEsim软件选取各个库中的元件，联合搭建出草图模型，建模得到的液压回路系统模型草图[6-11]，此系统模型由左侧的运行回路系统和右侧的压力控制系统组成，1部分为液压缸执行元件、2部分为液压缸相关控制阀、3部分为液压系统动力源及保护系统、4部分为压力调节系统，整体如图5所示：

图5 液压系统回路AMEsim模型

（二）油压控制原理及相关参数设置。液压缸油压是由比例溢流阀开度大小影响，在系统流量不变的情况下，开度大小是由阀芯受到油压反方向力的大小决定。设定比例溢流阀基本参数不变情况下，在液压系统中设计搭建磁路模型，比例溢流阀阀芯受到油压反向力由磁路中磁力提供。磁力与磁动势有关：磁力越大，磁动势越大，反之越小。在磁路中通入电压信号，电线圈、磁铁产生磁动势，开始在草图中设计搭建磁路，选取电线圈、电磁铁，调整电磁铁面积、电线圈匝数和电阻。图5所示：搭建“两竖两横”四个电磁铁构成一个合理的磁路，注意这里磁气隙也影响磁路中磁力大小，其余条件恒定情况下磁气隙间距离越小则磁力越大，反之则越小。在调试好磁路各元件参数后，接着选择一个线性杆节点连接比例溢流阀。磁路中磁力的大小作用到比例溢流阀上，在磁路中输入不同大小的电信号控制磁力。最后当油缸工作时，在磁路中给不同大小信号控制比例溢流阀向左推进，即比例溢流阀推进程度直接影响阀口开度大小。0信号时，比例溢流阀属于全开状态，油液可以从管路经过比例溢流阀直接进入油箱内，系统油压最小。当给最大信号时，推力最大比例溢流阀趋向关闭，液压油几乎无泄漏，此时系统油压最大。压力控制系统的主要元件及详细参数见表1：

表1 压力控制系统主要参数设置

四、仿真结果分析

（一）可调比例溢流阀压力分析。根据调节流量所需目的，在AMEsim参数模式下进行设置不同参数，运行仿真分别得到可调节比例溢流阀压力对比。设定流量值通过比例溢流阀的流量分别为2L/min、4L/min、6L/min，同时在液压系统中给定信号，信号在0-2s 和2-4s 内分别为0-10V 和10-0V，运行仿真如图6、图7所示：

图6 不同流量对溢流阀压力影响

图7 不同流量下电压与溢流阀关系

图6、图7仿真结果分析知，刚开始运行出现比例溢流阀抖动导致油压突变，且输入较小电压信号时，油压几乎不变。油压突变主要是由于液压系统中会混有一些空气，且液压油属于弹性物质，在高压系统中会产生不同程度弹性变形，工作时会对阀芯有一定冲击。另外，比例溢流阀阀芯存在固有频率，系统频率与阀芯频率越接近，突起越明显。[12]因此在溢流阀启动时油压会发生“突起”。油压几乎不变主要是由于比例溢流阀处在高流量时，过小的电信号无法使比例溢流阀阀芯移动到相应位置，这会直接影响在一定范围内输入电压信号下溢流阀阀口压力值不准确，且系统流量过大可能会导致管道、元件泄漏，影响其他系统工作出现故障。考虑实际应用，综合以上结论分析应优先选择较低流量系统作为设计条件。

（二）液压缸伸缩仿真分析。液压缸共进和缩回的位移和缸两侧腔体内油压如图8、图9所示。单向阀全程导通，换向阀0-8S左得电，无杆腔进油液压杆伸长；因为在理想条件下仿真，理论上液压缸不受外部载荷影响，所以0-6.4S内各腔内压力为0；当液压杆伸到工作位置时，无杆腔压力为11MPa，液压杆开始对钢丝施加压力；工作完成后，换向阀15-20S右得电，液压杆向缩回至原点，有杆腔压力为18MPa。整体液压杆移动较为稳定，两侧腔室压力变化也符合设计要求。

图8 液压缸位移曲线

图9 压缸左右腔体压力

（三）液压系统整体传动仿真分析。随着输入的电压信号变化，磁路产生的磁力也会改变，其作用在比例溢流阀的推力直接影响开度大小，进而控制液压油的泄漏速率使液压缸油压变化，即输入的电压信号大小与溢流阀压力和液压杆推力有关。在前面仿真基础上，系统启动后，输入全范围电压信号，得到如图10、图11 电压信号与比例溢流阀压力与液压缸输出压力关系如下图所示：

图10 输入电压与溢流阀压力关系

图11 输入电压与液压杆推力关系

由图10与11可以看出：在开启液压系统时依次从小到大再从大到小输入电压信号，溢流阀压力和液压杆推力也随之呈正相关变化。除了在开始液压元件再受到冲击后出现“突起”以外，其它工作下输入的电压信号和溢流阀受到的压力和液压杆推力大小互相对应，且考虑到液压杆自重等其它因素下，图中输入的往返信号对应的目标值也几乎重合，符合系统的设计目的。

五、结论

（一）针对目前张力调节在实际应用中多数采用吊取不同重块来机械制改变压力，这会出现使用成本高，操作危险等问题，设计了一种改变压力大小的来调节张力的液压系统。既提高工作效率，又有效降低安全事故。

（二）根据设计的液压系统原理图，分析缠绕机实际工作要求，通过理论计算，选择合适的元件搭建液压系统模型，确保液压系统设计的合理性和实用性。可为其他压力调节相关研究提供理论参考。

（三）通过分析液压系统仿真，对比不同流量下比例溢流阀进出口压力实验结果，得到了液压缸稳定的工作过程，验证了电信号调节压力的可行性。