帶式輸送機旋轉(zhuǎn)軸方向檢測裝置設(shè)計

黎偉雄，劉興樂

湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，武漢市漢陽區(qū)龍陽大道特5號 430051

帶式輸送機是卷煙企業(yè)制絲車間的重要輔機設(shè)備之一，主要利用旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)運動和動力傳遞，進而實現(xiàn)物料輸送功能，具有輸送距離長、運輸量大、運行穩(wěn)定可靠、可正反向運輸?shù)忍攸c，被廣泛應(yīng)用于儲柜輸送和制絲生產(chǎn)線中［1-2］。在實際生產(chǎn)中，通常根據(jù)生產(chǎn)或工藝要求調(diào)整帶式輸送機的正、反運行方向，但由于設(shè)備故障或操作失誤，經(jīng)常會出現(xiàn)實際運行方向與需求方向不一致等情況。因缺少對其實際運行方向的檢測裝置，運行方向信息無法及時反饋至控制系統(tǒng)進行報警或停止運行，由此影響生產(chǎn)效率，甚至導(dǎo)致物料混牌，造成質(zhì)量事故。對此已有大量相關(guān)研究，付勝等［3］提出了一種在線激光輔助視覺檢測方法，能夠準確、及時地判斷帶式輸送機輸送帶縱向撕裂故障；黃孝雄等［4］通過分析輸送帶斷帶過程中的檢測信號，利用光電編碼器和單片機設(shè)計了一種斷帶檢測裝置；尹兆明［5］基于多體動力學(xué)對輸送帶跑偏狀態(tài)進行了研究；盛濤等［6］通過研究帶式輸送機的運行特點，設(shè)計了一種新型帶速檢測裝置；侯俊峰［7］利用接近開關(guān)檢測被動帶輥的周期性轉(zhuǎn)動情況，用于判定輸送帶的運行狀態(tài)是否正常；馬宏偉等［8］利用采集的紅外圖像對帶式輸送機關(guān)鍵部件的故障等級進行判斷和故障預(yù)警；王阿根［9］采用旋轉(zhuǎn)編碼器、速度繼電器用于檢測旋轉(zhuǎn)軸的運轉(zhuǎn)方向，但該技術(shù)使用范圍有限，且缺乏一定的靈活性［10-11］。為此，設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)軸方向檢測裝置，基于嚙合齒輪和單向離合器的相對運動關(guān)系，將方向檢測轉(zhuǎn)換為接近開關(guān)信號檢測，以期能夠快速反饋帶式輸送機的運行狀態(tài)，防止出現(xiàn)質(zhì)量事故。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

旋轉(zhuǎn)軸正反向檢測裝置主要包括相互嚙合的主動齒輪和從動齒輪，見圖1。主動齒輪安裝在旋轉(zhuǎn)軸末端，從動齒輪安裝在與旋轉(zhuǎn)軸平行的固定軸上。主動齒輪中心孔安裝有與旋轉(zhuǎn)軸連接的第一單向離合器，從動齒輪中心孔安裝有與固定軸連接的第二單向離合器；兩個單向離合器均選用可隨旋轉(zhuǎn)方向變化而自動契合或脫開的離合器，且反向安裝，既可傳遞主動齒輪和從動齒輪的轉(zhuǎn)矩，也可切斷轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)方向檢測功能。從動齒輪上安裝有感應(yīng)塊，感應(yīng)塊附近安裝有接近開關(guān)，接近開關(guān)信號輸出端與PLC控制器連接。

圖1 旋轉(zhuǎn)軸方向檢測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of direction detector for rotating shaft

根據(jù)相對運動關(guān)系，當旋轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動時，帶動第一單向離合器內(nèi)座圈旋轉(zhuǎn)，其外座圈因單向鎖止原因也順時針旋轉(zhuǎn)，進而通過第一平鍵帶動主動齒輪順時針旋轉(zhuǎn)；通過齒輪嚙合，帶動從動齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)，進而帶動第二單向離合器外座圈逆時針旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)座圈與固定軸相對固定不動；從動齒輪的感應(yīng)塊隨從動齒輪轉(zhuǎn)動，被接近開關(guān)間歇式檢測，并將檢測信號反饋至PLC控制器。在此過程中，根據(jù)輸出的波動信號周期，可判定為旋轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動，其計算公式為：

式中：T—輸出的波動信號周期，s；m1—主動齒輪模數(shù)；Z1—主動齒輪齒數(shù)；m2—從動齒輪模數(shù)；Z2—從動齒輪齒數(shù)；n0—旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，r/min。

當旋轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動時，帶動第一單向離合器內(nèi)座圈旋轉(zhuǎn)，其外座圈因未鎖止而靜止不動；當?shù)谝粏蜗螂x合器的外座圈有可能被帶動逆時針旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)單向離合器的傳動原理，會被第二單向離合器外座圈順時針鎖止而無法旋轉(zhuǎn)，此時從動齒輪不轉(zhuǎn)動，感應(yīng)塊沒有被接近開關(guān)間歇式檢測，無信號反饋至PLC控制器。由此，可判定為旋轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動。

1.2 控制梯形圖

本裝置中采用AB-5000 PLC控制器實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向檢測。設(shè)電機順時針旋轉(zhuǎn)接觸器為KM1，逆時針旋轉(zhuǎn)接觸器為KM2，輔助繼電器M1、M2分別為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)方向信號，M0為接近開關(guān)檢測信號。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向檢測原理設(shè)計控制梯形圖，見圖2。當旋轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動時，KM1得電吸合，此時第二單向離合器逆時針旋轉(zhuǎn)，接近開關(guān)檢測到信號，繼電器M1線圈得電自鎖；當旋轉(zhuǎn)軸逆時針轉(zhuǎn)動時，KM2得電吸合，此時第二單向離合器靜止，接近開關(guān)未能檢測到信號，繼電器M2線圈得電自鎖。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸方向檢測梯形圖Fig.2 Ladder chart of direction detecting for rotating shaft

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗設(shè)計

設(shè)備：制絲生產(chǎn)線雙向帶式輸送機（秦皇島煙草機械有限責(zé)任公司），旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為63.55 r/min，皮帶寬度為900 mm，長度為9 450 mm；旋轉(zhuǎn)軸方向檢測裝置（自制），其主動齒輪、從動齒輪的模數(shù)和齒數(shù)均相同，模數(shù)為10，齒數(shù)為21。

測試方法：①在無料情況下，人工改變帶式輸送機旋轉(zhuǎn)軸的方向，觀察5 s內(nèi)PLC控制器接收到波形信號變化；②記錄檢測裝置安裝前、后各3次的維護響應(yīng)時間，取平均值。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 檢測準確率

由圖3可見：①無信號波動時，旋轉(zhuǎn)軸運行方向為逆時針轉(zhuǎn)動；當信號出現(xiàn)周期性波動時，旋轉(zhuǎn)軸運行方向為順時針轉(zhuǎn)動，因此通過信號的有無即可判定旋轉(zhuǎn)軸方向。經(jīng)過多次測試，檢測準確率達到100%。②當旋轉(zhuǎn)軸順時針轉(zhuǎn)動時，信號周期為0.94 s，為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的倒數(shù)。

圖3 旋轉(zhuǎn)軸檢測信號對比Fig.3 Comparison of detection signals of rotating shaft

2.2.2 維護響應(yīng)時間

維護響應(yīng)時間是設(shè)備出現(xiàn)異常開始到維護人員到達地點進行維護的時間。改進前主要依靠操作人員巡查發(fā)現(xiàn)異常情況，因此存在偶然性和不確定性，且響應(yīng)時間較長；安裝該檢測裝置后，維護響應(yīng)時間由16 min縮短到11 min（表1），能夠及時檢測到異常情況并發(fā)出報警，有效提高了生產(chǎn)效率。

表1 改進前后維護響應(yīng)時間對比Tab.1 Comparison of maintenance response time before and after modification（min）

3 結(jié)論

為實時反饋帶式輸送機的運行狀態(tài)，針對制絲設(shè)備的工作特點，設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)軸方向檢測裝置，利用一對嚙合齒輪和兩個單向離合器的相對運動關(guān)系，將旋轉(zhuǎn)軸的運行方向檢測轉(zhuǎn)換為接近開關(guān)信號檢測，并通過PLC控制器進行判斷，實現(xiàn)方向檢測功能。以雙向帶式輸送機為對象進行測試，結(jié)果表明：①安裝旋轉(zhuǎn)軸方向檢測裝置后，能夠準確反饋帶式輸送機的實際運行狀態(tài)，檢測準確率達到100%，維護響應(yīng)時間縮短5 min；②該裝置在生產(chǎn)線防錯、糾錯控制設(shè)計、預(yù)防質(zhì)量事故等方面應(yīng)用效果良好，可有效提高制絲生產(chǎn)過程控制水平。