静电喷涂机对纸张档案保护的研究

2022-11-21胡延平昌海健

机械工程师 2022年11期

胡延平，昌海健

（合肥工业大学，合肥 230041）

0 引言

随着国家对纸张档案保护的重视以及档案修复向着自动化、信息化、智能化方向发展，迫切需要物联网技术与传统的修裱机相结合，在满足纸张除酸的基础上，调整纸张除酸效果，显著提高纸张输送系统的经济性和效率[1]。

在设计速度控制器时，要先研究纸张输送的动态过程，对动态过程进行研究规划。速度最优控制系统是一种离线速度控制，在满足输送带工况的情况下，通过一定的约束条件使纸张输送带达到最好的节能效果。纸张输送机是由承载的输送带作牵引机构的连续运输设备，它具有运输阻力小、运输量大、耗电量低等优点[2]。在确定了纸张输送机运送的纸张特性、运行速度、系统布置情况、驱动装置型号等，对输送带进行动态特性分析。

1 基于自适应算法的输送带动力学方程的建立

纸张输送系统动力学方程为

式中：M为系统质量矩阵；C系统阻尼矩阵；K系统刚度矩阵；F为系统各单元外力矩阵；a、v、x分别为纸张加速度、速度、位移矩阵。

1.1 自适应评价设计方法

自适应评价设计就是在处理和分析过程中，根据处理数据的数据特征自动调整处理方法、处理顺序、处理参数、边界条件或约束条件，使其与所处理数据的统计分布特征、结构特征相适应，以取得最佳的处理效果。自适应评价设计方法由两个部分组成：一是根据输送带速度控制生成控制输入；二是根据当前输入系统的反馈生成反馈控制系统。自适应过程是一个不断逼近目标的过程，它所遵循的途径以数学模型表示，称为自适应算法[3]。

纸张输送带是一种典型的电能转化为机械能的系统，输出的机械能与输入电能的比值被定义为能量转换效率，η=p机械/p电，能量转换效率是一个介于0到1之间的无量纲数字，有时也会用百分比表示。纸张输送带的效率可分为4个部分：技术效率、运行效率、设备效率、性能效率。基于自适应评价设计方法研制出一种速度控制优化算法，可以有效提高纸张输送过程中的运行效率，降低能耗，提高能量转换效率，通过反复迭代求解出最优速度控制。同时可以根据纸张输送量的变化自适应地调节纸张输送带的运行速度，提高能量转换效率，并且延长其使用寿命[4]。

1.2 纸张输送带动力学单元划分

对纸张输送带进行仿真分析，建立纸张输送系统状态模型，基于自适应评价设计方法生成速度控制系统以及速度反馈控制系统。建立纸张输送系统动力学方程时，需要先对带式输送机进行离散化处理，划分为输送带部分、传动滚筒部分、换向滚筒部分、托辊部分，每一部分作为一个整体，又划分为多个离散单元。对每个单元的参数进行计算，包括质量参数、阻尼参数、刚度参数，同时，系统包含多个输入信号x、v、a，建立纸张输送系统每个部分的动力学方程。

1.2.1 输送带单元划分及动力学方程

用自适应评价设计算法对纸张输送系统进行简化，将连续的纸张输送机模型简化为单独模型。考虑到纸张输送机的离散模型由闭环系统的输送皮带和若干个辅助部件组成，将其划分为有限个离散单元，图1为纸张输送动力学模型简图，单元1为传动滚筒，单元9为换向滚筒,采用离散单元的方法，得到一个纸张输送最优控制策略，可以有效降低能耗，延长使用寿命。

图1 纸张输送动力学模型简图

输送带单元动力学方程为

1.2.2 换向滚筒动力学方程

纸张输送构成一个闭环回路，换向滚筒与托辊只起到改变皮带平移方向的作用，两者均不发生打滑现象。换向滚筒存在自身的旋转阻力与皮带的张紧力作用，由于旋转阻力远远小于张紧力，故可以忽略不计，只考虑张紧力对动力学方程的影响。

换向滚筒（单元9）动力学方程为

1.2.3 输送带托辊处动力学方程

托辊装置是纸张输送机部件中较为特殊的组成部分，通过两个托辊改变回程输送带的运转方向，从而减少输送带密封空间大小，使吸附装置更容易吸附纸张。托辊与输送带之间存在运行阻力，不发生旋转，仅具有改变方向的作用，没有旋转阻力，也不会发生打滑。托辊动力学单元模型如图2所示，其中单元10、单元17为平移单元，单元11、单元18为旋转单元。

图2 托辊动力学单元模型图

托辊1处输送带（单元10、单元11）动力学方程为：

单元10：

单元11：

托辊2处输送带（单元17、单元18）动力学方程为：

单元17：

单元18：

1.2.4 传动滚筒动力学方程

纸张输送机驱动单元主要包括电动机、联轴器、减速器、传动滚筒等部件，在计算时，将各部分质量等效为单元1，传动滚筒动力学方程为

2 输送纸张的影响因素

模拟参与实验的纸张及输送带参数为：60 g/m2纸，纸张厚度为0.1 mm，纸张尺寸为a×b=400 mm×300 mm，重力加速度g=9.8 m/s2，输送带滚筒半径R=62.5 mm，输送带与纸张之间的标准偏差σ=0.01，纸张与输送带之间是无黏结的单层滑动，黏结系数S=1。通过实验验证输送带成功输送纸张概率随滚筒正压力变化的关系，输送带成功输送纸张概率与滚筒转速的关系，以及输送带成功输送纸张概率与摩擦因数之间的关系。图3为摩擦力送纸几何模型图，滚筒的转速为n，输送带在输送过程中会产生一个水平切向力d0，纸张与输送带的切向摩擦力为d1，纸张与输送带之间的摩擦因数为μ。

判断输送带是否成功输送，建立成功输送纸张标准如下：纸张宽度为b，纸张的速度为v纸，输送机速度为v机，输送机宽度为l机，除酸系统宽度为l除酸，纸张移动距离为l纸。为使除酸药液雾化喷涂均匀，纸张在进入除酸系统前应与输送带速度保持一致，加速度为0。建立输送带成功输送纸张充分条件：

2.1 成功输送纸张概率与滚筒正压力关系

图3为输送带成功输送纸张概率随滚筒正压力变化的关系。从二维柱状图中可以看出，成功输送纸张概率与滚筒正压力成反比关系，这是因为随着滚筒正压力减小，输送带与纸张之间的切向摩擦力减小，纸张进给速度减小，纸张输送稳定性增强，成功输送纸张概率增大。随着滚筒正压力的降低，成功输送纸张概率明显下降，由此得出推论：当滚筒正压力下降到一定程度，输送带将无法完成输送纸张的工作[5]。

图3 成功输送纸张概率与滚筒正压力关系

2.2 成功输送纸张概率与摩擦因数关系

在摩擦因数一定的条件下，成功输送纸张概率与滚筒正压力成反比关系。然而，摩擦因数也是影响输送带成功输送纸张的关键因素，分析在滚筒正压力及滚筒转速一定的条件下，摩擦因数对成功输送纸张的影响。由于纸张和输送带之间的摩擦因数是正态随机分布，影响实验的随机因素很多，每个因素所起的作用都不太大，每次实验得到的概率都不相同，因此可以用正态分布近似描述。选取图4中5组滚筒正压力数据，每组压力数据下测试摩擦因数的概率正态分布，每组滚筒正压力测试150个样本，每组正压力下的不同摩擦因数测试30个样本，以750个样本计算得到的输送纸张成功率作为实验结果。图4为滚筒正压力N=0.8 N，摩擦因数标准差σ=0.01，纸张尺寸a×b=400 mm×300 mm，纸张质量为60 g/s2，纸张厚度为0.1 mm下的不同摩擦因数对成功输送纸张概率的影响。如图4所示，随着摩擦因数的增加，成功输送纸张概率都在95%以上，因此不同摩擦因数对输送带输送纸张没有直接的影响。摩擦因数太大会引起纸张输送过程中阻力过大，摩擦因数太小可能会引起纸张在输送带上打滑，造成纸张歪斜故障，影响送纸速度。因此在本实验中，摩擦因数取平均值0.03更趋于合理[6]。

图4 成功输送纸张概率与摩擦因数关系

3 控制系统组态软件设计

国外的上位机监控软件品牌众多，发展和应用时间都比较早，性能稳定。每种组态软件因行业原因，使用率和侧重点也有所不同。例如国外的组态软件常用的有原来英维斯的Intouch，目前被施耐德收购，是最早一批进入中国的组态软件，使用非常广泛，国产组态软件基本都是以它为模板开发[13]。然后就是非常熟悉的西门子Wincc软件，目前最新版本是v7.5，如果下位机使用的是西门子的PLC，那么在上位机开发组态画面时使用Wincc是最好的选择，它的脚本支持VBS和C语言，功能也非常强大。国内组态软件发展时间虽然较晚，但更能取百家之长，在开发应用中也符合国内实际情况，国产组态软件的优势在于驱动比较全面，技术支持比较快捷方便，授权便宜，而国外组态软件开发版都收费较高。经过综合比较，本设计选用深圳昆仑通态科技有限公司的TPC7062TI触摸屏进行纸张除酸机的组态界面开发[7]。

TPC7062TI型MCGS触摸屏是用于自动化领域生产的触摸屏，在安装时要注意安装的角度，角度范围是正负30°，并且使用时要注意周围环境温度，当温度过高时会损坏触摸屏。新建一个MCGS文件，打开MCGS软件的实时数据库窗口，添加好纸张除酸机控制系统所需的开关变量，如图5所示。