基于可編程控制器的帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)偏裝置設(shè)計(jì)

張建宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，山西 大同 037003）

引言

帶式輸送機(jī)具有輸送量大、運(yùn)輸距離長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸物料范圍廣、成本低、裝卸料方便、可靠性高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于冶金、化工以及工礦等生產(chǎn)企業(yè)，是物料運(yùn)輸?shù)闹匾a(chǎn)設(shè)備。隨著我國(guó)工業(yè)化的不斷發(fā)展，大功率、長(zhǎng)距離、高負(fù)載的帶式輸送機(jī)需求猛增，越來(lái)越多地被應(yīng)用于生產(chǎn)企業(yè)，因此帶式輸送機(jī)的可靠運(yùn)行對(duì)企業(yè)高效發(fā)展就顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中80%故障都是由于輸送帶跑偏而導(dǎo)致的，故應(yīng)對(duì)帶式輸送機(jī)跑偏現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)偏裝置設(shè)計(jì)研究，以通過(guò)減少帶式輸送機(jī)故障發(fā)生率提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與跑偏原因分析

常規(guī)的帶式輸送機(jī)主要由七部分組成，具體包括傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、支撐裝置、安全防護(hù)裝置、清掃裝置以及附屬裝置。其中，傳動(dòng)裝置又包含輸送帶、傳動(dòng)滾筒、托輥等[1-3]。驅(qū)動(dòng)裝置又包括減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)滾筒、電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器等。帶式輸送機(jī)的具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 常規(guī)帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

帶式輸送機(jī)的皮帶跑偏原因可分為皮帶空載受力引起的跑偏與皮帶重載受力引起的跑偏兩方面。當(dāng)皮帶處于空載狀態(tài)，對(duì)帶式輸送機(jī)皮帶進(jìn)行受力分析后發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備安裝、結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)方面無(wú)缺陷的情況下，帶式輸送機(jī)的皮帶受力平衡點(diǎn)只有在滾筒以及托輥中線上時(shí)，皮帶才會(huì)保持平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，否則就會(huì)發(fā)生跑偏現(xiàn)象。當(dāng)皮帶處于重載狀態(tài)，對(duì)帶式輸送機(jī)皮帶進(jìn)行受力分析后發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)物料重心處于皮帶中線且該中線與滾筒、托輥的中線相重合時(shí)，皮帶才會(huì)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，否則就會(huì)發(fā)生跑偏。

2 帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)偏裝置設(shè)計(jì)

2.1 PLC 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 電氣控制系統(tǒng)主要分為四部分，具體為PLC控制器、跑偏監(jiān)測(cè)裝置、控制臺(tái)以及人機(jī)交互界面。系統(tǒng)通過(guò)跑偏監(jiān)測(cè)裝置采集帶式輸送機(jī)皮帶運(yùn)行信息，將信息傳輸至PLC 控制器后，PLC 控制器會(huì)對(duì)信息進(jìn)行分析處理，處理后的信息一方面會(huì)發(fā)送至控制臺(tái)，對(duì)糾偏裝置發(fā)出動(dòng)作指令；另一方面會(huì)發(fā)送至人機(jī)交互界面，將信息顯示在交互屏幕上，方便操作人員隨時(shí)觀察了解設(shè)備狀態(tài)。根據(jù)帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)偏裝置的實(shí)際需求，本文擬選擇西門(mén)子公司的S7-200 型PLC 可編程控制器，該型號(hào)傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)，較為符合自動(dòng)調(diào)偏裝置設(shè)計(jì)要求。

2.2 跑偏監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

跑偏監(jiān)測(cè)裝置可分為檢測(cè)裝置以及機(jī)械式跑偏量檢測(cè)裝置兩部分，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如下頁(yè)圖2 所示。檢測(cè)裝置共有四種檢測(cè)方式，分別為單側(cè)、雙側(cè)、回程、正面。單側(cè)安裝是將檢測(cè)托輥向皮帶中線方向調(diào)整，利用單位位移量判斷皮帶；雙側(cè)安裝是使兩邊的檢測(cè)互為驗(yàn)證，使皮帶位置信息的檢測(cè)更為準(zhǔn)確[4-5]。

圖2 跑偏監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械式跑偏量檢測(cè)裝置原理為：托輥架旋轉(zhuǎn)軸與角度編碼器通過(guò)軟連接的方式相連，當(dāng)托輥架因皮帶移動(dòng)而發(fā)生推移后，角度編碼器會(huì)隨著托輥架一起旋轉(zhuǎn)，編碼器通過(guò)推移量的多少對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行編碼計(jì)算，控制器依據(jù)編碼器的數(shù)值即可得出旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)公式即可推算出跑偏量。傾角傳感器是隨托輥架一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，傳感器的安裝位置在托輥架上，當(dāng)托輥架因皮帶位移而發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成擺角后，傾角傳感器就會(huì)隨著擺角的產(chǎn)生而發(fā)出傾角信號(hào)，控制器依據(jù)傳感器信號(hào)通過(guò)換算即可得到皮帶跑偏量與偏移角度數(shù)值。

2.3 自動(dòng)糾偏裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)糾偏裝置是對(duì)皮帶與托輥的夾角調(diào)整，從而使運(yùn)行狀態(tài)下的帶式輸送機(jī)受到精細(xì)化動(dòng)態(tài)糾偏的，該裝置可在帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)皮帶位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位檢測(cè)。

依據(jù)功能的不同可將全自動(dòng)糾偏裝置部件分成四個(gè)部分，分別為檢測(cè)機(jī)構(gòu)、糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及保護(hù)裝置，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。其中，檢測(cè)機(jī)構(gòu)為上述的跑偏監(jiān)測(cè)裝置，其位置在圖3 中2的位置處，主要功能是對(duì)皮帶的位置與運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)；控制機(jī)構(gòu)為上述的PLC 電氣控制系統(tǒng)；糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括糾偏托輥組、推桿以及推桿步進(jìn)電機(jī)；保護(hù)裝置為行程開(kāi)關(guān)與撥桿限位的安裝，安裝位置在帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)所允許的托輥?zhàn)笥覕[動(dòng)的最大處兩側(cè)各安裝1 個(gè)行程開(kāi)關(guān)，撥桿限位安裝在檢測(cè)裝置上。

圖3 即為全自動(dòng)糾偏裝置的最佳部件組裝方式，糾偏檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝在上行皮帶邊緣，糾偏執(zhí)行結(jié)構(gòu)安裝在下行皮帶尾部滾筒處。糾偏托輥支架采用電動(dòng)推桿與銷(xiāo)軸鉸接的方法連接，推桿伸縮方向設(shè)定為與皮帶平行。電動(dòng)推桿底座與機(jī)架也采用鉸接的方式連接，推桿尾部可小范圍擺動(dòng)。糾偏裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與檢測(cè)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)推桿與控制機(jī)構(gòu)連接使用電線纜。保護(hù)裝置與控制結(jié)構(gòu)連接也使用電線纜。

圖3 全自動(dòng)糾偏裝置結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)糾偏裝置主要是通過(guò)調(diào)整托輥與皮帶夾角進(jìn)行皮帶糾偏的，角度調(diào)整的精確性是糾偏裝置性能好壞的關(guān)鍵。本文選用的是推桿的方式進(jìn)行角度調(diào)整，主要原因是托輥在皮帶下方，易受堆積物料的影響，降低精度。經(jīng)分析，糾偏機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如表1 所示。5 mm 絲桿導(dǎo)程的GJ20 系列絲杠符合要求。

表1 糾偏機(jī)械結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

3 系統(tǒng)測(cè)試

按上述方法進(jìn)行帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)偏裝置設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其糾偏狀態(tài)跟蹤曲線如圖4 所示。第一層是左糾偏曲線，一個(gè)波動(dòng)代表向左調(diào)整一次；第二層是快速糾偏曲線，一次波動(dòng)為一次快速調(diào)整；同理，第三層與第四層是左側(cè)與右側(cè)皮帶邊緣曲線；第五層是執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋曲線。通過(guò)分析可知，30 min 內(nèi)皮帶出現(xiàn)4 次偏移，系統(tǒng)皆進(jìn)行了糾偏操作。由此可知，帶式輸送機(jī)運(yùn)行可靠性顯著提高，故障發(fā)生概率可有效降低，對(duì)自動(dòng)調(diào)偏裝置進(jìn)行3 個(gè)月測(cè)試未發(fā)生因輸送帶跑偏而引起的故障，符合設(shè)計(jì)要求[6-10]。

圖4 糾偏狀態(tài)跟蹤曲線圖

4 結(jié)論

帶式輸送機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要運(yùn)輸設(shè)備，對(duì)企業(yè)高效安全生產(chǎn)至關(guān)重要。在帶式輸送機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，80%以上的故障都是因?yàn)檩斔蛶芷鸬?。針?duì)這一現(xiàn)象，本文對(duì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)偏裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得出了以下結(jié)論：

1）采用PLC 控制器的方法，可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)偏裝置的設(shè)計(jì)研究。

2）按上述方案進(jìn)行調(diào)偏裝置設(shè)計(jì)并應(yīng)用于實(shí)際后發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機(jī)故障率下降，可靠性提高，3 個(gè)月內(nèi)未發(fā)生因輸送帶跑偏而引起的故障。