复卷机TNT耦合作用原理与质量控制研究
在造纸复卷工艺过程中，复卷机是重要设备之一，它的好坏直接影响了成品纸卷品质的优劣。复卷机是一个复杂的机电设备，其工作性能与效率与所采用的控制方式与控制系统密切相关，研究合适的控制方法与控制方式，是提高纸张产品质量和企业经济效益的重要途径。
本文在分析了复卷过程中的各转动单元的受力情况后，结合复卷机机电系统，建立了复卷机稳态数学模型。通过对所建模型的分析，确立了复卷机前底辊和后底辊的转矩(Torque)、压纸辊的压力(Nip load)和复卷纸幅的纸幅张力 (Tension)(简称 TNT)三者之间的耦合关系，分析了复卷过程中的具体控制策略的实现问题。
在研究了复卷纸卷的重要质量指标与定量描述之间的关系之后。根据长度、质量和直径的关系，提出了密度分布曲线概念，用来描述复卷机成品纸卷质量指标并提出了检验和测量方法。针对端面质量的定量描述问题也提出了几种有效的解决办法，第一次定量地提出了复卷机成品纸卷的产品质量的评价方法。
在对造纸复卷工艺进行了充分的了解和分析的基础上，根据所建立的复卷机数学模型和变量之间的关系，探讨了复卷机的具体控制方法。确立了以独立闭环控制为主，前馈补偿和参数给定为辅的复卷机系统控制方案。通过采用速度和转矩闭环控制加工艺曲线为参数变量的综合控制方法，实现了工程中简便易行的解耦控制。把复杂的多电机耦合系统 TNT 控制问题转变为若干个独立的闭环恒值控制回路与工艺参数变量给定相结合的综合控制系统，实现了复卷过程中复卷质量的稳态控制。
研究了复卷机在加减速状态的控制问题，将其分为恒加速稳态过程和给定变化到加速度恒定过程两个部分，使复卷机的动态分析只涉及整个工作时间的微小部分，突出了主要矛盾，收到了很好的效果。从机电系统的动态测量与数据分析等方面，通过在线测量和经验数据曲线对比的方法确定出前馈控制的补偿参数。通过适当的前馈补偿控制解决动态过程由于惯量变化以及加减速过程的超调等所导致的张力微变，保证了纸卷的接头部分和运行过程中速度变化引起的端面突变问题。
一、引言
刚生产的纸卷从造纸机构、涂布机构或超压机构卷纸机构下来后，可能还会有比较多的瑕疵，如纸幅内部损坏、断裂、两边缘有毛刺、直径较大(大型纸机一般不小于2500mm)，纸幅宽度大小与纸幅再加工设备或印刷设备不相匹配，有些纸种还需要切平张及进入打包生产线，因此要想生产出合格的纸种产品，为其下一道工序做好准备，就必须设置复卷设备。
卷筒纸的生产过程中，最后一道工序就是复卷，因此通常在紧挨着造纸机的后面安装复卷机，纸卷从纸机下来后，可以直接将纸卷从卷纸机上吊装到复卷机的退纸架上。复卷机的最重要的作用就是把纸卷里质量有问题的纸张清除掉同时粘接纸张间断头，根据需要的宽度要求分切纸张，并按照纸卷直径的要求卷取纸卷，使纸卷里面和外面的紧度保持均匀，盘面平整。
由于造纸机的抄造是一个连续的、不间断的过程，在更换纸卷时也不需要停车更换;而复卷机一般都是间歇式间断工作的，复卷机在设计时常常要求车速大于纸机车速 2 倍以上。除次以外，同时也要求复卷出的纸卷满足一定的质量标准，即主要包括以下两个主要方面：一是满足外观要求，即分切端面应保证平整光滑，没有台阶形状;二是满足内在质量要求，首先是在复卷过程中纸张不允许出现打折褶皱现象。其次是要求紧度均匀，考虑到生产的'成品纸卷要满足对运输、储存以及用户设备的需要，故要求在成品纸卷径向方向上紧度要均匀分布，应呈内紧外松态。纸卷紧度的分布情况可以通过纸张的残余应力反应出来，即要求残余应力要尽可能的小而均匀。纸张残余应力主要受以下三个方面影响：纸幅张力(Tension)、压区压力(Nipload)、扭矩(Torque)，简称TNT。为了使纸卷紧度能够满足纸卷对其的要求，必须严格控制以上三个指标。综上所述，复卷机的控制系统是一个非常典型的多变量强耦合的控制系统
二、复卷机发展及国内外现状
无论在国内国外，复卷机的发展无疑都是在造纸机发展的极大推动下进行的。由于现代纸机的抄造速度不断的提高，这也对复卷机的工作车速提出了更高的要求。自上个世纪后 10 年开始，造纸机的发展可谓是日新月异，很多以前没有的新设备、新技术被应用到纸机设备当中，造纸机的工作车速最高速度已经接近 3 千米/分，随着纸机的飞快发展，复卷机的发展速度也得到了跨越性的提升，出现了许多先进的高科技成果，总结起来主要有以下几个方面：
复卷机工作车速提高很大。设计的理论车速最高可以达到3.5千米/分，实际车速已经超过了3.1千米/分,复卷的纸幅宽度也超过了10米。像法国的AdlolfTass纸业有限公司从 Valmet公司引进的连续复卷、全自动WinDrum-M型复卷机(抄速3千米/分,幅宽6米),现在已经投入生产;芬兰UPM-Kymmene纸厂从Metso(美卓)公司买进的8号机(涂布文化纸90-115克/平)的WinRoll多站连续复卷机，幅宽达到8.69米，实际工作车速最高达到3.1千米/分钟。
我国的南平、齐齐哈尔和华泰等厂家也都引进了高速复卷机，并都投入了生产。现代复卷机种类繁多，各种型号一应俱全，可以适用于不同纸种、纸板的复卷工作。在众多的复卷机生产厂家中，最著名的三家公司：Voith Sulzer(伏依特-苏尔寿)公司， Valmet(维美德)公司和 Metso(美卓)公司。其中 Metso公司先后推出了 3 种非常具有代表性的现代复卷机：WinDrum(双鼓复卷机)、WinBelt(皮带床复卷机)机和 WinRoll 复卷机。 Valmet 推出了 WinAir(气垫减压式复卷机)和 JR1000E 复卷机。Voith Sulzer 公司也推出了 ToroTD 复卷机、 Toro Combi 复卷机和 ToroSD 复卷机。
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