礦用帶式輸送機(jī)自動糾偏系統(tǒng)的研究

董基偉

（霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦， 山西 洪洞 041600）

引言

相關(guān)統(tǒng)計研究表明，在帶式輸送機(jī)故障類型中，皮帶跑偏所占比例相對較高，達(dá)到了10%～30%左右[1]。出現(xiàn)皮帶跑偏問題后，輕則導(dǎo)致煤礦物料灑落引發(fā)浪費問題，重則引發(fā)重大安全事故，造成人員傷亡。隨著人們安全意識不斷提高，皮帶跑偏問題越來越受到關(guān)注。在實踐過程中采取了很多措施避免出現(xiàn)皮帶跑偏問題，設(shè)計研究出了多種類型的皮帶糾偏系統(tǒng)或裝置[2-3]。但這些糾偏裝置或系統(tǒng)，不具備普適性，或控制策略存在缺陷，導(dǎo)致糾偏效果不盡如人意[4]。因此，應(yīng)對帶式輸送機(jī)的特點進(jìn)行深入分析和研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計更加完善的糾偏系統(tǒng)。

1 帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)在煤礦行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用，其整體可以分為三大段，分別為機(jī)尾段、中間段和機(jī)頭段。煤礦物料從機(jī)尾段裝載，機(jī)尾段包含的機(jī)構(gòu)主要是改向滾筒、倒料槽以及緩沖托輥。卸料則在機(jī)頭部分進(jìn)行，主要包含有卸料裝置以及主動滾筒。帶式輸送機(jī)的驅(qū)動裝置通常安裝在機(jī)頭段，外界驅(qū)動力直接與主動滾筒連接實現(xiàn)主動滾筒的驅(qū)動，進(jìn)而帶動整個帶式輸送機(jī)進(jìn)行工作。中間段部分主要由大量托輥組成。另外，礦用帶式輸送機(jī)中張緊裝置以及清掃裝置是必不可少的機(jī)構(gòu)，為機(jī)器的正常運行提供重要保障。如圖1 所示為DTL120 型帶式輸送機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

2 自動糾偏裝置的設(shè)計方案

圖1 DTL120 型帶式輸送機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 帶式輸送機(jī)自動糾偏系統(tǒng)示意圖

針對帶式輸送機(jī)在工作過程中容易出現(xiàn)跑偏問題的現(xiàn)狀，設(shè)計研究了一種自動糾偏系統(tǒng)，如圖2 所示為帶式輸送機(jī)自動糾偏系統(tǒng)示意圖。設(shè)計的自動糾偏系統(tǒng)基本原理可以概述如下：通過位置檢測元件對皮帶在橫向方向上的位置進(jìn)行檢測，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到控制計算機(jī)中，控制計算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)算法對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和計算，基于計算結(jié)果輸出一個控制信號。執(zhí)行電機(jī)在接收到控制信號后啟動工作，驅(qū)動蝸輪蝸桿運動，最終使得托輥架產(chǎn)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)皮帶糾偏。

3 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.1 托輥架結(jié)構(gòu)設(shè)計

與普通托輥架相比較，本系統(tǒng)中的拖輥架不僅需要承受煤礦物料的重量和皮帶自身重量，同時還需要完成皮帶糾偏任務(wù)，進(jìn)而需要承受一定的慣性載荷。這就要求托輥架必須具備充足的強(qiáng)度。此外，還需要設(shè)計專門的與底座進(jìn)行連接的運動副接口機(jī)構(gòu)。在充分借鑒傳統(tǒng)托輥架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，得到本系統(tǒng)所需要的托輥架結(jié)構(gòu)。如圖3所示為帶式輸送機(jī)糾偏系統(tǒng)機(jī)械裝配圖，其中就包含有托輥架結(jié)構(gòu)。

圖3 帶式輸送機(jī)糾偏系統(tǒng)機(jī)械裝配圖

3.2 蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

在帶式輸送機(jī)正常工作過程中，所有的重量都會間接或直接地作用于托輥架上。此時通過托輥架對皮帶進(jìn)行糾偏時，皮帶與托輥間會產(chǎn)生相對運動，進(jìn)而引發(fā)較大的摩擦力。糾偏裝置在工作時需要克服此摩擦力實現(xiàn)皮帶糾偏。因此，在設(shè)計蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)時，首先需要對相關(guān)載荷條件進(jìn)行計算。經(jīng)過計算后最終確定，蝸桿頂圓直徑和分度圓直徑分別為96 mm 和80 mm，模數(shù)和齒數(shù)分別為8 和1，使用45 鋼材料進(jìn)行生產(chǎn)制作，表面進(jìn)行淬火處理，要求表面硬度達(dá)到45HRC。蝸輪的喉圓直徑和分度圓直徑分別為416 mm 和400 mm，模數(shù)和齒數(shù)分別為8和50，使用合金材料進(jìn)行生產(chǎn)制作，要求屈服強(qiáng)度達(dá)到220 MPa。

3.3 皮帶位置檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計

對皮帶位置進(jìn)行糾正是本系統(tǒng)最基本的功能，除此之外還需要保證糾正過程中皮帶運行的穩(wěn)定性，防止皮帶出現(xiàn)較大的波動。因此，需要對皮帶的跑偏速率以及跑偏程度進(jìn)行精確檢測，基于檢測結(jié)果進(jìn)行控制。由于皮帶形狀特殊，這對檢測裝置提出了較高的要求，本文結(jié)合實際情況設(shè)計研究了一種皮帶位置檢測裝置。皮帶位置不好直接測量，設(shè)計了一種專門的四桿運動機(jī)構(gòu)，可以將皮帶位置偏量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，進(jìn)而對轉(zhuǎn)移后的信息進(jìn)行檢測，如圖4所示為皮帶位置檢測原理示意圖。當(dāng)皮帶發(fā)生橫向偏移時，通過四桿運動機(jī)構(gòu)可以帶動距離檢測元件發(fā)生移動，距離檢測元件可以自動測量得到移動前后的距離差值，再結(jié)合四桿運動機(jī)構(gòu)的運動特點推導(dǎo)計算得到皮帶的橫向偏移量。同時，距離檢測元件的移動速度也能夠反映皮帶在橫向方向上的移動速率。通過測量檢測元件的移動速度和移動距離，就能夠計算得到皮帶在橫向方向上的移動速度和移動距離。

圖4 皮帶位置檢測原理示意圖

4 主要元器件的設(shè)計選型

4.1 伺服電機(jī)驅(qū)動器的選型

驅(qū)動器的根本作用在于為負(fù)載提供滿足實際使用需要的功率，基本原理是控制弱電信號實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動速度的準(zhǔn)確控制。在充分結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)設(shè)計手冊選擇的伺服電機(jī)驅(qū)動器型號為FDS50A-2600。通過該驅(qū)動器可以對電動機(jī)轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，即便是在高速運轉(zhuǎn)時也基本沒有噪聲，輸出扭矩很大。具體而言，F(xiàn)DS50A-2600型號伺服電機(jī)驅(qū)動器的特征包括：具有優(yōu)越的過載能力；能夠有效抑制共振問題，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象；高速反應(yīng)能力較強(qiáng)。此驅(qū)動器能夠與伺服電機(jī)、控制計算機(jī)進(jìn)行連接，方便控制計算機(jī)對電機(jī)進(jìn)行控制。

4.2 距離檢測傳感器的選型

本文基于紅外線距離檢測傳感器來測量皮帶的偏移量。該種類型傳感器的距離測量原理可以概述如下：發(fā)射元件不斷地向外部發(fā)出紅外信號，遇到阻礙物時將信號返回，傳感器可以接收到返回的信號。通過計算信號發(fā)出與接收的時間差，并結(jié)合信號在空氣中的傳輸速度就可以計算得到傳感器與障礙物之間的距離。本系統(tǒng)中可以將障礙物的位置固定，這樣就可以準(zhǔn)確確定傳感器自身的位置。

充分考慮本系統(tǒng)實際需要，選用的距離檢測傳感器型號為GP2YOA21YKOF，該型號傳感器能檢測的有效距離在100～800mm范圍內(nèi)，需要利用DC5V 電壓對其進(jìn)行供電，正常工作時靜態(tài)電流值為30 mA。輸出的信號為模擬量信號，通過A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后，輸入到控制器中進(jìn)行分析計算。

4.3 控制器的選型

本系統(tǒng)選用PLC 作為控制器，控制器型號為STC89C516RD。該型號PLC 控制器編程過程簡單，功率消耗相對較低，抗干擾能力很強(qiáng)。擁有全雙工異步串行口，對于普通的8051 串口也具有非常好的兼容性。內(nèi)部嵌入了大量的指令集結(jié)構(gòu)，在很大程度上提升了PLC 控制器的運算處理能力，完全能夠滿足礦用帶式輸送機(jī)自動糾偏系統(tǒng)的使用需要。

5 結(jié)論

對傳統(tǒng)的托輥架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改善，使其在電動機(jī)的驅(qū)動下經(jīng)過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)能夠在對稱位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)皮帶糾偏。皮帶橫向位置檢測方法，可有效規(guī)避皮帶橫向位置檢測的難題，測量結(jié)果精度較高。將本文研究的自動糾偏系統(tǒng)應(yīng)用到DTL120 型帶式輸送機(jī)中，在長達(dá)1 年的運行過程中，帶式輸送機(jī)沒有出現(xiàn)跑偏問題，顯著提升了輸送機(jī)的工作效率。