半門(mén)架刮板取料機(jī)設(shè)計(jì)分析

羅偉奇

（湖南長(zhǎng)重機(jī)器股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

半門(mén)架刮板取料機(jī)是一種執(zhí)行取料作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，近年來(lái)，原料場(chǎng)已逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化改造升級(jí)，基于PLC 技術(shù)改良機(jī)械設(shè)備的控制性能，為取料作業(yè)自動(dòng)化與生產(chǎn)效率提升提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及有限元分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備主要由門(mén)架、取料臂、卷?yè)P(yáng)提升裝置、固定端梁和擺動(dòng)端梁等機(jī)構(gòu)組成，在取料臂的臂架上設(shè)有刮板鏈系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后將帶動(dòng)減速輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用鏈輪牽引刮板鏈沿縱向刮取散狀物料。當(dāng)行走端梁沿軌道往復(fù)運(yùn)行時(shí)，刮板系統(tǒng)將在刮板臂架的支撐下沿橫向刮取散狀物料。通過(guò)依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的吃料深度調(diào)節(jié)臂架懸掛角度，即可逐層刮取物料至取料量設(shè)定值，達(dá)成取料作業(yè)目標(biāo)。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)某長(zhǎng)形料場(chǎng)堆積的物料種類為鐵精粉，其容重為2.7t/m3、粒度≤0.4mm、堆積角介于25°～40°、含水量為10%。該設(shè)備的重要參數(shù)包含以下兩種：

其一是行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)功率，在取料作業(yè)的工況條件下，負(fù)荷阻力主要由軌道對(duì)車輪的阻力、車輪軸承阻力、沿前進(jìn)方向的刮板切削阻力三部分組成。設(shè)機(jī)重為G、滾動(dòng)力臂為K、車輪半徑為r、滾動(dòng)軸承滾動(dòng)半徑為r’、軸承摩擦系數(shù)為f、鏈載荷長(zhǎng)度為L(zhǎng)、每米刮板鏈物料輸送量為Gf、材料摩擦系數(shù)為uf、刮板阻力系數(shù)為us，其負(fù)荷阻力、驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算公式分別為：

其二是刮板系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率，刮板驅(qū)動(dòng)力主要由刮板切削阻力、沿前進(jìn)方向的物料摩擦阻力、刮板鏈運(yùn)行產(chǎn)生的摩擦阻力以及物料抬升阻力組成，設(shè)總功率效率系數(shù)η=0.73、安全系數(shù)為1.35，則刮板驅(qū)動(dòng)軸功率與電機(jī)功率的計(jì)算公式分別為：

1.3 有限元分析

采用ANSYS 軟件進(jìn)行設(shè)備主要部件結(jié)構(gòu)的有限元分析，分別選用殼單元、梁?jiǎn)卧傮w單元進(jìn)行設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)、受拉構(gòu)件或受壓構(gòu)件與鉸軸結(jié)構(gòu)的模擬，依托程序自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分，并手動(dòng)完成局部?jī)?yōu)化操作。在材料選取上，選用Q345-E 鋼材，其密度為7.85g/cm3、泊松比為0.29、彈性模量為2.06×105MPa。在部件載荷值設(shè)計(jì)上，門(mén)架、固定端梁、刮板臂架與導(dǎo)槽自重等項(xiàng)目的加載模式均由程序自動(dòng)生成；改向鏈輪與張緊裝置采用集中力加載模式，載荷值為2.358×104N；驅(qū)動(dòng)鏈輪與驅(qū)動(dòng)裝置均采用集中力加載，載荷值分別為4.382×104N 和8.988×104N；其他附屬設(shè)施采用均布載荷，載荷值為5.23×103N/m。在約束條件設(shè)計(jì)上，針對(duì)固定端梁的X 方向取鉸接軸的軸向，分別施加X(jué)、Y 兩方向的位移約束，以及Y、Z 兩方向的旋轉(zhuǎn)約束；針對(duì)擺動(dòng)端梁施加X(jué) 方向的位移約束，建立剛體單元；針對(duì)刮板臂架及其與端梁連接部位，分別施加X(jué)、Y、Z 三個(gè)方向的位移約束，依據(jù)關(guān)節(jié)軸承特征實(shí)現(xiàn)自由度耦合。有限元分析結(jié)果表明，該設(shè)備主要部件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力位于固定端梁與行走車輪架連接部位以及刮板臂吊點(diǎn)部位，其最大應(yīng)力值133MPa、應(yīng)變值以及動(dòng)載系數(shù)等指標(biāo)均符合安全使用需求，證明該設(shè)計(jì)方案具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 PLC 控制程序的具體實(shí)現(xiàn)方案

2.1 控制系統(tǒng)組成

2.1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

控制系統(tǒng)采用主從站分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主站選用西門(mén)子CPU1515-2PN，從站選用IM151-3PN 接口模塊；I/O 信號(hào)模塊由DO、DI、AI、AO、COUNT 組成；選擇觸摸屏作為HMI 界面用于顯示信息和參數(shù)，利用TCP/IP 形式實(shí)現(xiàn)與主從站的數(shù)據(jù)交換；基于TIA PORTAL V13 軟件進(jìn)行PLC 程序與監(jiān)控組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)。

2.1.2 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

考慮到半門(mén)架刮板取料機(jī)需在料場(chǎng)實(shí)行移動(dòng)作業(yè)，如果沿用傳統(tǒng)作業(yè)模式將在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)大量電纜，在機(jī)械設(shè)備移動(dòng)環(huán)節(jié)可能造成電纜扭斷問(wèn)題，影響設(shè)備運(yùn)行可靠性與作業(yè)安全。在此選用TCP/IP 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)觸摸屏與主從站間的通訊與數(shù)據(jù)交換，利用多模光纖將PLC 控制系統(tǒng)與中控系統(tǒng)進(jìn)行連接，采用動(dòng)力電纜集成光纖并與刮板機(jī)保持同步作業(yè)，有效規(guī)避在設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中引發(fā)光纖扭斷問(wèn)題，提高通訊可靠性。

2.1.3 檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)

行走、俯仰、刮板是半門(mén)架刮板取料機(jī)的主要機(jī)構(gòu)，為兼顧設(shè)備自動(dòng)取料與安全運(yùn)行需求，應(yīng)將檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。其一，選取限位保護(hù)開(kāi)關(guān)安裝在行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)制動(dòng)器與軌道兩端位置，用于保護(hù)設(shè)備在行走過(guò)程中的安全運(yùn)行；其二，將電流檢測(cè)裝置安裝在電機(jī)上，以4 ～20mA電流信號(hào)與PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，避免因過(guò)載導(dǎo)致電機(jī)被燒壞；其三，將傾角儀設(shè)置在俯仰機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)傾斜角度的檢測(cè)，并且將對(duì)刮板電機(jī)負(fù)荷與取料量產(chǎn)生影響；其四，將編碼器安裝在行走機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)行走速度的檢測(cè)與閉環(huán)控制；其五，選取超聲波傳感器沿刮板鏈條兩側(cè)呈對(duì)稱設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶狀態(tài)的檢測(cè)，保障取料的連續(xù)性與安全性；其六，采用RFID 技術(shù)將讀寫(xiě)頭、載碼標(biāo)簽分別安裝在設(shè)備與皮帶支架部位，可以在設(shè)備取料過(guò)程中讀取倉(cāng)位、位置等數(shù)據(jù)信息。

2.2 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

2.2.1 手動(dòng)模式

手動(dòng)模式適用于兩種工況條件，其一，設(shè)備手動(dòng)取料；其二，自動(dòng)模式下的整平送料準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，并且增設(shè)限位保護(hù)開(kāi)關(guān)、過(guò)載保護(hù)器等部件的安全連鎖信號(hào)，用于保障手動(dòng)模式下的作業(yè)效率與安全。

2.2.2 自動(dòng)模式

在自動(dòng)模式下，需完善邏輯連鎖條件的設(shè)計(jì)，增設(shè)皮帶運(yùn)行的連鎖信號(hào)，控制系統(tǒng)將在設(shè)備自動(dòng)取料環(huán)節(jié)針對(duì)皮帶運(yùn)行狀態(tài)、有無(wú)堆料或斷帶故障等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)皮帶運(yùn)行故障時(shí)將自動(dòng)執(zhí)行保護(hù)性停機(jī)，并且在觸摸屏HMI 界面上顯示報(bào)警信息，待運(yùn)維人員進(jìn)行故障排查、解除故障后，HMI 界面將恢復(fù)正常、完成故障復(fù)位，并重啟系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)繼續(xù)作業(yè)。同時(shí)，在設(shè)備上增設(shè)急停開(kāi)關(guān)，如果在設(shè)備運(yùn)行環(huán)節(jié)出現(xiàn)緊急事故，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)急停開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)保護(hù)性停機(jī)功能，并且將設(shè)備各機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源切斷，待維護(hù)人員排查故障后完成復(fù)位及重置系統(tǒng)，以此保障設(shè)備及人員的安全。在切換至自動(dòng)模式后，系統(tǒng)將自動(dòng)依據(jù)“參數(shù)設(shè)定與投入自動(dòng)模式——皮帶機(jī)運(yùn)行——俯仰機(jī)構(gòu)、刮板鏈條、行走機(jī)構(gòu)故障判斷——提升刮板鏈條——運(yùn)行至預(yù)設(shè)位置、降下刮板鏈條——啟動(dòng)刮板、完成取料——判斷有無(wú)急?；蚬收蠁?wèn)題——接近倉(cāng)壁——料倉(cāng)盡頭——待到達(dá)預(yù)設(shè)吃料深度后取料停止——回到停車位”的流程開(kāi)展取料作業(yè)，無(wú)須人工干預(yù)，操作人員可以通過(guò)觸摸屏了解設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，在必要情況下還可以通過(guò)操作臺(tái)進(jìn)行人工干預(yù)，調(diào)節(jié)刮板取料機(jī)執(zhí)行取料作業(yè)。

2.2.3 維護(hù)模式

該模式適用于設(shè)備故障排查與系統(tǒng)維護(hù)環(huán)節(jié)，工作人員需借助操作臺(tái)執(zhí)行具體操作，依托連鎖條件控制設(shè)備動(dòng)作。

2.3 監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于TIA PORTAL V13 平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)，選用HMI 觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，操作人員可通過(guò)觀察觸摸屏掌握有關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、報(bào)警信息、生產(chǎn)參數(shù)等信息。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，組態(tài)軟件主要由登錄畫(huà)面、系統(tǒng)設(shè)置界面、三大主體機(jī)構(gòu)監(jiān)控畫(huà)面、物料探測(cè)畫(huà)面、倉(cāng)位檢測(cè)畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、報(bào)警顯示畫(huà)面等結(jié)構(gòu)，可供操作人員在觸摸屏端完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行的調(diào)控。

2.3.2 運(yùn)行模式分析

當(dāng)操作人員登錄軟件系統(tǒng)觀看觸摸屏?xí)r，將首先觀察到登錄畫(huà)面，將預(yù)先設(shè)定好的用戶賬號(hào)、密碼等信息輸入系統(tǒng)中即可成功登錄，借助操作人員權(quán)限的設(shè)置有效規(guī)避無(wú)關(guān)人員隨意操縱設(shè)備的問(wèn)題，為設(shè)備整體安全運(yùn)行提供保障，防范因操作不當(dāng)造成安全事故。在設(shè)備執(zhí)行生產(chǎn)作業(yè)的過(guò)程中，操作人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的及時(shí)干預(yù)與調(diào)控，可以在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)糾偏，在線調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝參數(shù)、控制設(shè)備啟停，為生產(chǎn)作業(yè)效果創(chuàng)設(shè)雙重保障。同時(shí)，操作人員還可以在觸摸屏端獲取到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的圖形、數(shù)據(jù)等信息，依據(jù)具體信息判斷現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行情況，在整體層面實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行安全的監(jiān)控。最后，當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)將結(jié)合預(yù)設(shè)的故障等級(jí)觸發(fā)嚴(yán)重性不等的報(bào)警開(kāi)關(guān)，并在觸摸屏端顯示報(bào)警信息與監(jiān)控畫(huà)面，供操作人員及時(shí)查找、排除故障，經(jīng)由故障分析與記錄調(diào)閱確定事故原因，保障設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于PLC 技術(shù)進(jìn)行設(shè)備原有控制系統(tǒng)的改造，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)與集中控制，設(shè)計(jì)方案具備良好的可操作性，有助于進(jìn)一步提高取料作業(yè)效率。