桁架式虹吸吸泥機走偏問題分析及解決措施

呂季軒

（西安市自來水有限公司，陜西西安 710038）

0 引言

自來水廠平流沉淀池常采用桁架式虹吸吸泥機作為排泥設備，這種吸泥機具有操作方便、排泥比較可靠、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，近幾年來廣泛用于平流沉淀池的排泥。但在生產(chǎn)實踐中存在一些問題，其中，由于桁架跨距較大，行走長度長，在導軌面上會出現(xiàn)車輪走偏問題，車輪的走偏會導致啃軌及脫軌等嚴重后果，因此有必要對虹吸式吸泥機車輪走偏問題進行探討。

1 桁架式虹吸吸泥機走偏概況

本文以雙邊驅(qū)動式吸泥機為研究對象，雙邊驅(qū)動式吸泥機驅(qū)動輪分別由獨立的驅(qū)動裝置驅(qū)動，包括電機和減速機等，兩側(cè)驅(qū)動裝置均以相同的機件組成，并且要求同步運行。虹吸式吸泥機車輪踏面采用圓柱形雙輪緣鑄鋼車輪，由4 點支撐行走大梁橫跨在平流式沉淀池上，池兩邊均鋪設鋼軌，從沉淀池的一端運行到另一端，邊行走邊吸泥，出現(xiàn)吸泥機走偏或者啃軌現(xiàn)象的主要原因有以下5 點：

（1）電機及減速機故障，導致兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同步。

（2）吸泥機池下結(jié)構(gòu)件與池底、池壁或集水槽等構(gòu)筑物發(fā)生碰撞摩擦。

（3）水下有雜物或兩側(cè)配水不均。

（4）行走輪安裝誤差及磨損嚴重。（5）軌道安裝誤差超標或者池體變形導致軌道變形超標。

分析上述5 點原因，引起車輪走偏的原因可以概括為兩類，一類是由于電機或者減速器不同步，或者外力分布不均勻，引起兩側(cè)車輪行走速度不同而導致車輪的走偏，這種情況可以看作是運動誤差引起的車輪走偏，前三點歸為此類；另一類是由于行走車輪安裝誤差、導軌變形、導軌的制造裝配誤差等原因引起的車輪走偏，這種情況可以看作是幾何誤差引起的車輪走偏，后兩點可以歸為此類。對于吸泥機的運動誤差，往往先測量電機和減速機轉(zhuǎn)速，再停機后人為調(diào)整車輪的行走偏差[1]。對于吸泥機的幾何誤差，往往是測量跨度偏差、軌距偏差、對角線偏差和車輛輪徑后，人為對軌道或吸泥機偏斜角度進行調(diào)整[2]，這些方法均耗時費力。本文針對電機轉(zhuǎn)速不同步產(chǎn)生的運動誤差及車輪、軌道裝配誤差引起的幾何誤差，提出了改進的校正方法。

2 運動誤差分析及校正

運動誤差是指按照某一事先設定的運動學關(guān)系進行相對運動部件間的相對運動誤差。在吸泥機運行過程中，電機及傳動機構(gòu)等不同步最終導致吸泥機運動不到位產(chǎn)生運動誤差。對于兩側(cè)電機及傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)速差引起的偏轉(zhuǎn)，可以在車輪行走方向前方內(nèi)測，布置高精度壓力傳感器，由于傳感器位置比輪沿靠內(nèi)，如圖1 所示，當車輪有偏移趨勢后，壓力傳感器首先接觸軌道，采集到壓力信號后，通過PLC 進行變頻調(diào)速，抵消兩側(cè)速度差，實現(xiàn)車輪走偏的校正。當左側(cè)壓力傳感器檢測到壓力信號后，左側(cè)驅(qū)動電機停止運行，右側(cè)行走輪繼續(xù)前進；當左側(cè)壓力傳感器無壓力信號時，停止右側(cè)的驅(qū)動電機。為了保證糾偏的可靠性，變頻器應具有穩(wěn)定、可靠、功能性強、響應時間快、同步精度高等特點，因此應選用高精度變頻器。

圖1 壓力傳感器布置示意

3 幾何誤差分析及校正

幾何誤差是吸泥機輪軌本身的制造和裝配不完善產(chǎn)生的誤差，包括直線軸和旋轉(zhuǎn)軸的誤差，將吸泥機看作一剛體，剛體在空間直線運動中，存在6 個自由度，通過坐標變換原理可得到其誤差數(shù)學模型。

假設導軌方向為X 軸向，在水平面內(nèi)，與X 軸向垂直的即Y 軸向，豎直面內(nèi)與X、Y 軸向均垂直的為Z 軸向。吸泥機沿軌道行走，即沿X 軸行走，其在X 軸的偏移，用符號δx（x）。由于導軌系統(tǒng)制造、安裝的不完善，車輪在X 向運動時，其實際運動軌跡可能偏離直線，它包括在Y 方向的偏移δy（x）和Z 方向的偏移δz（x），下角標表示誤差運動的方向。同樣，由于導軌的不完善，會使車輪在沿導軌的直線運動過程中，產(chǎn)生繞三根軸回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角誤差δx（x），δy（x），δz（x）。ε 表示轉(zhuǎn)角誤差，下標x、y、z 分別表示轉(zhuǎn)軸的方向，括號內(nèi)的x 表示車輪沿X 方向運動。如圖2 所示。

圖2 車輪的幾何誤差

在軌道基座上建立原始坐標系O-XYZ，在吸泥機車輪上建立O1-X1Y1Z1，吸泥機啟動前，設兩個坐標系是重合的，吸泥機朝X 軸向運動。吸泥機位移誤差特征變換矩陣為：

吸泥機沿X 軸運動距離X1后，應到達點（X1，1，1），但由于幾何誤差的存在，其運動的終點是（x1′、y1′、z1′），其位移變換矩陣為：

將式（2）展開，可得：

式（3）～式（5）表示在幾何誤差作用下車輪的實際坐標。由于車輪走偏主要是Y 向偏移，最終吸泥機行走過程中的幾何誤差可表述為線性方程：

通過式（6）可以計算出車輪在Y 方向的偏移量。

運用傳感器采集到車輪行走數(shù)據(jù)，通過誤差項公式，借助PLC 控制模塊插補計算和校正執(zhí)行機構(gòu)進行誤差補償，實現(xiàn)吸泥機走偏校正，檢測周期設定為每經(jīng)過2 min 自動檢測一次，通過補償，保證車輪沿軌道行走的軸向偏角保持在很小的范圍內(nèi)，實現(xiàn)對吸泥機走偏的校正，從而減少事故發(fā)生的概率。

4 結(jié)語

通過分析可知，吸泥機走偏和啃軌的原因是由運動誤差或者幾何誤差造成，為了避免啃軌產(chǎn)生嚴重的后果，分析產(chǎn)生運動誤差和幾何誤差的原因，建立了相應的幾何誤差數(shù)學模型，通過PLC、高精度變頻器調(diào)整電機轉(zhuǎn)速和插補計算后進行誤差補償?shù)姆椒▽ξ鄼C進行糾偏，相對于人為糾偏，該方法大大提高了吸泥機糾偏效率。