Контроль натяжения трубной намотки: объяснение четырех методов

1. Начните со скорости, крутящего момента и радиуса

Вытягивание задает скорость входящей трубы, в то время как барабан вращается со скоростью, которая меняется по мере накопления слоев. Их геометрическое соотношение v = ωR: скорость линии v равна угловой скорости ω, умноженной на радиус намотки R. Таким образом, удвоение радиуса уменьшает вдвое требуемую скорость вращения при той же скорости линии.

Полезный крутящий момент намотки составляет примерно M = TR, где T — натяжение трубы. Эта устойчивая зависимость исключает ускорение и механические потери. На практике привод также должен преодолевать трение и ускорять вращающийся узел; во время замедления он должен отводить энергию от этого узла.

Рассмотрим идеализированный полезный крутящий момент барабана 30 N·m при радиусах 0.15 m и 0.60 m. Натяжение меняется с 200 N на 50 N. При скорости линии 20 m/min соответствующие скорости барабана равны примерно 21.2 и 5.3 rpm. Эти цифры иллюстрируют взаимосвязь; они не являются настройками натяжения для конкретной трубы.

Это объясняет важное различие: поддержание постоянного крутящего момента не обеспечивает постоянство натяжения. Чтобы поддерживать одинаковое постоянное натяжение по мере роста катушки, полезный крутящий момент должен увеличиваться с увеличением радиуса. Крутящий момент, указанный на паспортной табличке двигателя, не является автоматически крутящим моментом, доступным на катушке, поскольку передаточное число и эффективность коробки передач также имеют значение.

2. Почему труба меняет выбор управления

Одностенная гофрированная труба может изменить форму, прежде чем сломается. Чрезмерное натяжение может привести к раскрытию шага гофра, изменению профиля или деформации участка после размотки. Поэтому проверка должна включать в себя гофры и готовые размеры, а не полагаться только на то, выдержит ли труба намотку.

Более жесткая труба HDPE со сплошными стенками реагирует иначе. Короткий свободный пролет может привести к очень малому перемещению, а маленький контактный танцор может применить слишком большую локальную силу или слишком крутой изгиб. Более длинные пролеты, большие радиусы направляющих и подходящее расположение датчиков могут улучшить конструкцию. Сам по себе диаметр трубы не определяет, будет ли танцор работать.

Для простой прямой, свободно опертой балки прогиб масштабируется как F L³ / (48 E I). Это помогает объяснить, почему длина пролета, модуль упругости и жесткость сечения влияют на движение. Изогнутая трубная петля с опорами, остаточной кривизной и изменяющейся температурой ведет себя не совсем так, как эта модель. Проведите испытание на реальной трубе, чтобы определить полезный ход и контактное усилие.

Соответствующими входными данными являются материал, OD, толщина стенки или SDR, профиль, температура при намотке и разрешенный диаметр изгиба. Общий расчет прочности на растяжение сам по себе не может определить допустимое натяжение намотки для гофрированной или сплошной трубы.

3. Способ первый: обмотка моментного двигателя

Традиционная намоточная машина с моментным двигателем использует рабочие характеристики двигателя и регулируемый крутящий момент для натягивания трубы на барабан. В зависимости от конструкции двигатель может работать в широком диапазоне низких скоростей, в то время как труба ограничивает фактическую скорость барабана. Подтвердите допустимые условия эксплуатации, охлаждения и останова на основе конкретных данных двигателя.

В базовой комплектации отсутствует обратная связь по измеренному натяжению трубопровода. Если полезный крутящий момент катушки остается примерно постоянным, наименьший радиус намотки обеспечивает максимальное устойчивое натяжение. При изменении радиуса в соотношении четыре к одному начальное натяжение в четыре раза превышает конечное натяжение при том же крутящем моменте. Это соотношение сравнивает два радиуса; это не четыре раза каждую настройку, выбранную оператором.

Привлекательность – это простая машина с относительно небольшим количеством аппаратных средств управления. Он может подойти для проверенных применений с трубами со сплошными стенками, где допустимо изменение натяжения в бухте. Проблема хрупкого гофрированного профиля заключается в том, что увеличение крутящего момента для затяжки внешних слоев также увеличивает натяжение первого слоя следующей катушки.

Сначала установите и проверьте пусковое условие, затем осмотрите всю катушку. Если приложение требует более точного контроля, компенсация диаметра и подходящий привод могут изменять команду крутящего момента по мере сборки катушки. Добавление обратной связи или торможения меняет возможности всей машины; сам по себе тип двигателя не определяет, сможет ли мотовило эффективно остановиться.

• Проверьте полезный крутящий момент катушки после зацепления, а не только паспортную табличку двигателя.
• Проверьте первые слои на предмет растяжения, а внешние слои на предмет ослабления.
• Отдельно подтвердите реакцию на резку, тормозной путь и поведение при перезапуске.

4. Метод второй: фотоэлектрический старт-стоп.

Два уровня переключения контролируют свободный контур трубы между тяговым устройством и моталкой. Когда петля становится слишком короткой, намотка прекращается или замедляется. По мере того, как входящая труба пополняет контур, она достигает другого уровня, и намотка возобновляется. Точное состояние датчика зависит от расположения луча и проводки; требуемый результат – стабильный запас трубы.

Базовая система использует команду запуска привода, а не постоянно измеряемое положение контура. Это может обеспечить экономичный контроль при достаточно гибкой трубе и умеренной производительности. Свободная петля компенсирует разницу в скорости, но ее вес, геометрия и жесткость по-прежнему влияют на натяжение.

Повторяющиеся ускорения и замедления могут повредить тяжелую катушку. Траверс, который продолжает движение во время паузы барабана, также может неправильно разместить следующие повороты. Поэтому команды намотки и перемещения должны быть скоординированы, а настройки ускорения должны соответствовать доступному буферу.

Для идеального цикла с двумя состояниями пусть ΔL будет полезной запасенной длиной трубы между уровнями переключения, v - скорость входящего потока, а k - отношение скорости намотки к скорости входящего потока. Если не учитывать рампы, интервал остановки равен ΔL/v, а интервал работы – ΔL/((k − 1)v). При ΔL = 0.30 m, v = 10 m/min и k = 1.2 один цикл занимает 10.8 s секунд: около 333 циклов в час. У 20 m/min это становится около 667 циклов в час.

При фиксированном коэффициенте превышения скорости и длине буфера частота циклов увеличивается пропорционально скорости линии. Расстояние по вертикали между датчиками не автоматически равно ΔL: оно зависит от геометрии контура. Фактические изменения и гистерезис также меняют цикл, поэтому используйте расчеты, чтобы понять тенденцию, а не задавать расстояние между датчиками.

• Больший полезный резерв контура может снизить частоту коммутации, если это позволяют компоновка и пределы изгиба трубы.
• Проверьте всю последовательность ускорения и остановки как на пустой, так и на полной катушке.
• Подтвердите стабильное обнаружение фактической поверхности трубы, ее цвета и траектории движения.

5. Способ третий: управление танцором потенциометра.

Подвижный рычаг или танцорный ролик следует за петлей трубы. Его положение вращает потенциометр, производящий постоянно меняющийся электрический сигнал. Инвертор использует этот сигнал напрямую или через контроллер для регулировки скорости намотки. Предполагаемое действие обратной связи простое: если намотка расходует петлю слишком быстро, уменьшите скорость намотки; если скапливается лишняя труба, увеличьте ее.

По сравнению с базовым управлением «старт-стоп», катушка может работать с меньшими постоянными корректировками скорости. Это может уменьшить резкое рывок и помочь поддерживать упорядоченное перемещение. Это полезное приспособление для гибкого шланга и одностенной гофрированной трубы при условии, что труба свободно перемещает танцор и направляющие не повреждают профиль.

Сигнал положения танцора не сообщает напрямую о напряжении в ньютонах. Натяжение возникает в результате нагрузки на рычаг, веса ролика, геометрии шарнира, трения и траектории трубы. На эту силу влияют противовесы, пружины или пневматическая нагрузка. Более легкая настройка может способствовать бережному обращению, но при этом все равно требуется достаточный контроль, чтобы избежать провисания или рывков.

Ручной потенциометр скорости отличается от потенциометра, подключаемого к танцору. Ручка подает команду оператора; для автоматической коррекции требуется реальный движущийся механизм обратной связи или другой датчик. При просмотре предложения спросите, что движет потенциометром и как на него реагирует привод.

Во время ввода в эксплуатацию проверьте направление коррекции на низкой скорости, установите полезную рабочую область в середине хода и установите пределы перемещения. Затем проверьте наличие колебаний, износа шарниров, шума сигнала и задержки реакции привода. Для жесткой трубы может потребоваться другая механическая конструкция или бесконтактное считывание, а не более тяжелый рычаг на том же маленьком танцоре.

Ссылка: Siemens Устройство намотки и натяжения SIMATIC. Производитель описывает управление положением танцора, а также влияние силы и геометрии танцора. Настройки, специфичные для канала, по-прежнему требуют проверки приложения.

6. Метод четвертый: обратная связь по ультразвуковому контуру

Ультразвуковой датчик измеряет расстояние до петли трубы без контактного рычага. Специальный контроллер PLC или подходящий привод сравнивает измеренное положение с заданным и корректирует скорость мотовила с помощью инвертора. Задание линейной скорости и оценка радиуса могут обеспечить базовую команду скорости, позволяя контроллеру контура корректировать оставшееся несоответствие.

Основным преимуществом является отсутствие контактного усилия и механический механизм перемещения танцора. Это может помочь в тех случаях, когда жесткую трубу трудно провести через небольшое контактное устройство или когда полезен непрерывный мониторинг контура. Это не устраняет требования к радиусу изгиба трубы и не создает измеримого движения петли там, где его не обеспечивает компоновка.

Датчик измеряет расстояние, а не напряжение напрямую. Полезный сигнал зависит от перемещения трубы в зоне измерения. Проверьте слепую зону датчика, размер цели, угол, дальность, скорость обновления и реакцию на потерянное эхо-сигнал. Маленькие круглые цели и боковое движение требуют особого внимания. Проверьте фактическую трубу на протяжении всего ожидаемого хода петли.

Настройка управления должна учитывать изменения от первого слоя до всей катушки. Компенсация диаметра, регулировка усиления или фильтрация могут быть полезны, в зависимости от привода и механики. Чрезмерная коррекция может вызвать помпаж трубы; чрезмерная фильтрация может привести к выходу контура из строя. Соответствующие настройки основаны на полной реакции машины.

Ультразвуковая обратная связь является одним из вариантов наряду с правильно спроектированным танцором, оптическим датчиком расстояния или подходящей системой натяжения тензодатчиков. Выбирайте его, потому что его схема измерения и контроля соответствует конкретному применению, а не рассматривать конкретный диаметр трубы как автоматическое требование для одного типа датчика.

Ссылка: Технология ультразвукового датчика ifm. Объясняет измерение расстояния, слепые зоны и дальность обнаружения в зависимости от цели. Проверьте данные выбранного датчика для фактической установки.

7. Обнаружение порезов и торможение рассматриваются отдельно.

Когда резак, расположенный выше по потоку, или оператор разрезает трубу, оставшийся конец необходимо контролировать, пока барабан замедляется. Системе необходим надежный сигнал об отсечке или потере трубы, соответствующая команда остановки и проверенный метод управления хвостовой частью. Петлевой датчик может способствовать обнаружению, но само по себе изменение расстояния не гарантирует, что каждый разрез будет обнаружен.

Время обнаружения, обработка контроллера, реакция привода и время механического останова — это отдельные величины. Быстрая электрическая команда не означает, что загруженная катушка остановится в то же время. Проверьте всю последовательность действий при максимальной заданной скорости линии и нагрузке катушки, включая любые неисправности привода или отсутствие сигнала датчика.

Энергия вращения равна E = ½Jω², а приблизительный инерционный тормозной момент для постоянного замедления составляет M = Jω/t. Для предполагаемой общей инерции со стороны барабана 140 kg·m², угловой скорости 0.37 рад/с и времени остановки 0.5 s энергия равна примерно 9.6 J, а инерционный момент примерно 104 N·m. Средний съем энергии при этом останове составляет около 19 W, но начальная мощность инерционного торможения составляет около 38 W. Таким образом, низкая средняя мощность не обеспечивает адекватный номинальный крутящий момент.

Реальный выбор также включает в себя инерцию двигателя и редуктора, относящуюся к одному и тому же валу, потери, внешние нагрузки, повторяемость останова, ток привода, а также допустимое сопротивление тормозного резистора и энергию импульса. Стояночный тормоз должен быть рассчитан на динамическое торможение, если он используется таким образом. Следуйте инструкциям производителя оборудования по остановке и ограждению.

Ссылка: Руководство по приводу ABB ACS550 — резисторное торможение. При выборе тормоза учитываются пиковая мощность, тепловые характеристики и тормозная способность. Приведенный выше численный пример представляет собой упрощенный механический расчет, а не спецификацию компонента.

8. Сравните четыре варианта

В таблице сравниваются основные схемы, описанные здесь. Дополнительная компенсация диаметра, другой привод, специальный тормоз или более сложный контроллер могут изменить их производительность. Тип датчика сам по себе не определяет размер трубы, максимальную скорость или тормозную способность.

9. Практическая последовательность выбора

Начните с трубы и производственных требований. Для деликатного гофрированного профиля обратите внимание на плавную непрерывную коррекцию скорости и усилие, прилагаемое каждой направляющей. Для более жесткой трубы со сплошными стенками определите, обеспечивает ли конструкция достаточное движение для обратной связи и подходят ли направляющие радиусы. Один и тот же принцип управления может работать по-разному с разными механиками.

Затем определите геометрию катушки от пустой до полной и ожидаемый вес. Они определяют требуемый диапазон скоростей и влияют на ускорение и остановку. Простого привода может быть достаточно для одной комбинации и непригодно для более тяжелой катушки с более высокой скоростью лески.

Наконец, договоритесь о том, как будет демонстрироваться производительность. Полезные приемочные испытания охватывают запуск, установившуюся работу, изменения скорости линии, реверс траверсы, полный рулон, последовательность резки и перезапуск. Осмотрите как намотанную упаковку, так и образец после размотки.

• Предоставьте материал трубы OD и толщину стенки или SDR, а также образец или чертеж профиля.
• Укажите нормальную и максимальную скорость лески, катушку ID, OD, ширину, требуемую длину и ожидаемый вес полной катушки.
• Определите, кто режет трубу, как моталка получает или обнаруживает это событие, а также требуемое поведение при остановке.
• Запросите актуальный датчик, механизм обратной связи, привод, координационное и тормозное оборудование в предлагаемой конфигурации.

10. Согласуйте контроль натяжения с геометрией катушки

Сердечник катушки определяет изгиб первого слоя. Добавление ненужного осевого натяжения или чрезмерного давления слоя может сделать управление более сложным, а недостаточный контроль может привести к расшатыванию или перекрещиванию поворотов. Подходящий метод контроля натяжения дополняет утвержденный диаметр катушки; он не может сделать слишком маленький сердечник подходящим для трубы.

В некоторых приложениях целевое натяжение снижается по мере наращивания катушки, что обычно называется конусным натяжением. Полезное количество зависит от трубы, конструкции змеевика и требований к обращению. Не существует универсального процентного содержания наружного слоя для всех пластиковых труб. Убедитесь, что упаковка остается стабильной, не разрушая внутренние слои.

Проверьте одновременно диаметр сердечника, контакт направляющей, тягу намотки, шаг траверсы и реакцию резки. Наилучшей компоновкой является та, которая обеспечивает приемлемую трубу и управляемый змеевик во всем рабочем диапазоне с настройками, которые операторы могут повторять.