皮帶跑偏報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張敬沖，周楷博，關(guān) 凱，倪琪博

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司滕州卷煙廠，山東棗莊 277500）

0 引言

煙草加工行業(yè)中，皮帶輸送機(jī)因其具有輸送能力范圍廣、輸送線路適應(yīng)性強(qiáng)、高可靠性以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煙片、煙絲等物料的輸送。由于主機(jī)設(shè)備布局要求和場(chǎng)地大小等限制，輸送帶的長(zhǎng)度也不一致，短則數(shù)米，長(zhǎng)則可以達(dá)到數(shù)十米，而且皮帶本身具有一定的彈性，在輸送物料的過程中如遇受力不均或其它外力影響時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的偏置，輕微的偏置對(duì)正常的輸送影響不大，但是偏置達(dá)到一定程度會(huì)導(dǎo)致皮帶磨損、傳輸阻力變大影響傳輸效率，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行，進(jìn)而影響整體的生產(chǎn)進(jìn)度[1]、破壞生產(chǎn)的連續(xù)性。有學(xué)者實(shí)現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)視覺[2]的和視頻圖像[3-4]帶式輸送機(jī)跑偏檢測(cè)；還有學(xué)者提出一種基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的皮帶跑偏檢測(cè)方法，采用礦用攝像儀獲取帶式輸送機(jī)工作面視頻，通過訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型完成對(duì)皮帶跑偏狀態(tài)的檢測(cè)[5]；SERRANO J R 等人[6]研究了靜態(tài)糾偏的方法，王東亮[7]針對(duì)動(dòng)態(tài)糾偏開發(fā)了一套集跑偏檢測(cè)、糾偏、保護(hù)功能為一體，不需要人工干預(yù)的主動(dòng)糾偏系統(tǒng)，并根據(jù)動(dòng)態(tài)糾偏數(shù)據(jù)分析，給出靜態(tài)糾偏建議。但是這些方法成本相對(duì)較高，因此研制一種柔性皮帶偏置報(bào)警系統(tǒng)，適應(yīng)各種規(guī)格的皮帶裝置，在皮帶偏置達(dá)到一定程度時(shí)即時(shí)預(yù)警，以便維修人員快速響應(yīng)，妥善處理，成為必須要解決的問題。

1 皮帶報(bào)警系統(tǒng)要求分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況和設(shè)備結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，整理出所需皮帶報(bào)警系統(tǒng)需要滿足以下4 個(gè)要求：

（1）皮帶跑偏報(bào)警系統(tǒng)需要有機(jī)械裝置部分、信號(hào)接收傳遞部分、顯示終端。

（2）皮帶輸送機(jī)整體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但是皮帶側(cè)邊和機(jī)架距離較近，留給報(bào)警裝置的可安裝空間較小，在4 cm×4 cm×4 cm 的范圍內(nèi)，因此報(bào)警裝置的整體結(jié)構(gòu)非常緊湊，且需要可以實(shí)現(xiàn)將皮帶的側(cè)壓力轉(zhuǎn)化為觸發(fā)報(bào)警開關(guān)的力的功能。

（3）報(bào)警裝置需要可以調(diào)節(jié)靈敏度，對(duì)皮帶不同程度的跑偏進(jìn)行報(bào)警。

（4）當(dāng)皮帶跑偏到設(shè)定的程度時(shí)，該裝置可以發(fā)出信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)操作屏和維修人員手機(jī)客戶端。

2 皮帶跑偏報(bào)警系統(tǒng)機(jī)械裝置部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)皮帶跑偏報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將機(jī)械裝置分為以下4 部分，分別為機(jī)架、位置調(diào)整裝置、傳動(dòng)組件和監(jiān)測(cè)組件。

2.1 機(jī)架

機(jī)架包含支撐機(jī)架和連接機(jī)架，支撐機(jī)架通過銷釘與上、下拖桿連接；連接機(jī)架上有滑槽，用來與滑塊連接，且連接機(jī)架上留有安裝報(bào)警器的位置；連接機(jī)架插入支撐機(jī)架的套筒中，其相對(duì)位置可以通過調(diào)節(jié)連接機(jī)架插入套筒的深度進(jìn)行調(diào)節(jié)（圖1）。

圖1 皮帶跑偏報(bào)警裝置整體結(jié)構(gòu)

2.2 位置調(diào)整組件

位置調(diào)整組件由固定塊、滑塊和機(jī)架共同組成，滑塊兩側(cè)均有滑軌，一側(cè)與固定塊有燕尾槽的一側(cè)配合，另一側(cè)與連接機(jī)架上的燕尾槽配合，可以實(shí)現(xiàn)裝置整體的上、下、左、右方向的滑動(dòng)，裝置整“前、后”方向的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)連接機(jī)架和支撐機(jī)架的相對(duì)位置完成?；瑝K和固定塊、連接機(jī)架的相對(duì)位置固定采用旋緊對(duì)應(yīng)位置的螺旋銷釘完成，連接機(jī)架和支撐機(jī)架的相對(duì)位置固定可以通過將螺釘旋入套筒預(yù)留的螺紋孔直至旋緊完成。

2.3 傳動(dòng)組件

傳動(dòng)組件由滾珠軸承、上拖桿、下拖桿、彈簧和調(diào)節(jié)螺栓組成。滾珠軸承旋入上拖桿的預(yù)留螺紋孔中，滾珠與皮帶側(cè)面接觸；上托桿和下拖桿分別通過銷釘固定在支撐機(jī)架上，且銷釘上有軸套防止上、下拖桿沿軸向竄動(dòng)，上拖桿下部和下拖桿上部均有撥片；下拖桿上預(yù)留有螺紋孔和通孔，且二者連通，彈簧插入通孔、調(diào)節(jié)螺栓旋入螺紋孔中，彈簧的另一端與報(bào)警器觸發(fā)開關(guān)接觸；這樣就形成了一個(gè)完整的傳動(dòng)路線，即：當(dāng)皮帶跑偏觸發(fā)滾動(dòng)軸承偏置，滾動(dòng)軸承帶動(dòng)上拖桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)，上拖桿通過撥片將力傳給下拖桿，下拖桿沿銷釘軸心發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)彈簧進(jìn)一步擠壓報(bào)警器觸發(fā)開關(guān)形成報(bào)警信號(hào)。

為了提高該裝置的報(bào)警靈敏度，利用力與力矩的關(guān)系F1×L1=F2×L2把來自皮帶的力F1放大（來自皮帶較小的側(cè)壓力也可以放大），進(jìn)而反饋到報(bào)警器觸發(fā)報(bào)警，以增大該裝置的利用范圍（圖2）。

圖2 利用力學(xué)原理放大力示意

2.4 監(jiān)測(cè)組件

監(jiān)測(cè)組件是一個(gè)具有自發(fā)電功能且?guī)в杏|點(diǎn)信號(hào)的發(fā)射器，該信號(hào)發(fā)射器固定在連接機(jī)架背離滑塊一側(cè)，正常狀態(tài)是與彈簧處于接觸但非受力狀態(tài)，當(dāng)皮帶跑偏時(shí)，擠壓力通過傳動(dòng)組件傳遞到彈簧端觸發(fā)信號(hào)發(fā)射器觸點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 皮帶跑偏報(bào)警裝置的組裝應(yīng)用

3.1 裝置的組裝和安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙加工零件，加工完成后對(duì)零件進(jìn)行組裝（圖3）。

圖3 組裝完成后的裝置

裝置設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了與皮帶輸送機(jī)連接的問題，在固定塊上設(shè)置了兩個(gè)軸，一個(gè)上面有螺紋，用來配合螺栓連接在皮帶設(shè)備的機(jī)架上，另一個(gè)表面光滑，用來定位以及防止受力時(shí)裝置相對(duì)皮帶機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)。裝置利用皮帶輸送機(jī)現(xiàn)有的安裝預(yù)留孔進(jìn)行安裝，且安裝后穩(wěn)定、牢固（圖4）。

圖4 在皮帶輸送機(jī)上安裝完成的裝置

3.2 信號(hào)連通

裝置機(jī)械部分安裝完成后，需要對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸部分進(jìn)行安裝調(diào)試，安裝調(diào)試主要包含3 個(gè)步驟：

（1）在PLC 內(nèi)安裝信號(hào)接收器，接收器由空氣閘刀控制供斷電；信號(hào)接收器與轉(zhuǎn)換器相連，當(dāng)接收器收到報(bào)警信號(hào)后，轉(zhuǎn)換器內(nèi)的觸點(diǎn)閉合，將220 V 報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)換為24 V 程序信號(hào)，然后將程序信號(hào)傳遞給PLC（圖5、圖6）。

圖5 信號(hào)接收及轉(zhuǎn)換示意

圖6 信號(hào)接收器和空氣開關(guān)

（2）編寫程序，當(dāng)PLC 接收24 V 弱電信號(hào)時(shí)，將報(bào)警信息顯示在操作屏上。

（3）將程序接入TsPM 系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生皮帶跑偏報(bào)警時(shí)維修工在手機(jī)終端可以收到報(bào)警信息，及時(shí)處理故障。

3.3 模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成機(jī)械裝置整體組裝和聯(lián)通信號(hào)后，手動(dòng)模擬皮帶跑偏情況，給滾動(dòng)軸承一個(gè)擠壓力，觸發(fā)了報(bào)警器，機(jī)械裝置上報(bào)警發(fā)射器發(fā)出報(bào)警信號(hào)后現(xiàn)場(chǎng)操作觸控屏上即刻出現(xiàn)報(bào)警信息（圖7）。同時(shí)該片區(qū)責(zé)任維修人員手機(jī)中段接收到報(bào)警短信提醒（圖8）。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)操作觸控屏顯示報(bào)警信息

圖8 維修人員手機(jī)終端報(bào)警短信提醒

由于皮帶跑偏方向是隨機(jī)的，因此該裝置需要成對(duì)使用，沿皮帶運(yùn)行的方向?qū)ΨQ安裝。而皮帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)，發(fā)生跑偏的位置也不固定，因此在皮帶的兩端和中間位置各安裝一組、共計(jì)6 個(gè)報(bào)警裝置。完成安裝后，為驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確率，對(duì)同一條皮帶輸送機(jī)上安裝的6 個(gè)裝置分別進(jìn)行了10 次模擬跑偏實(shí)驗(yàn)，跑偏的臨界值調(diào)整為1.0 cm 和1.5 cm。對(duì)應(yīng)的皮帶跑偏模擬值分別設(shè)置為0.5 cm、1.5 cm 和1.0 cm、2.0 cm，并分別統(tǒng)計(jì)報(bào)警結(jié)果（表1、表2）。

表1 跑偏臨界值為1.0 cm 時(shí)裝置報(bào)警情況

表2 跑偏臨界值為2.0 cm 時(shí)裝置報(bào)警發(fā)生情況

從表1 和2 可以看出，在不同臨界值的情況下皮帶機(jī)各位置的報(bào)警準(zhǔn)確率為100%。因此，該系統(tǒng)可以有效對(duì)皮帶跑偏的情況進(jìn)行預(yù)警，并根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整報(bào)警臨界值。

3.4 應(yīng)用情況跟蹤

在試驗(yàn)驗(yàn)證完該裝置的有效性和準(zhǔn)確率后，在車間所有長(zhǎng)度大于10 m 的25 臺(tái)皮帶輸送機(jī)上投入使用，對(duì)使用情況進(jìn)行了一個(gè)月的跟蹤。發(fā)現(xiàn)皮帶發(fā)生跑偏到達(dá)設(shè)定的臨界值后裝置均發(fā)出了報(bào)警信號(hào)，維修人員及時(shí)對(duì)皮帶進(jìn)行了糾偏，未發(fā)生因皮帶跑偏過大導(dǎo)致的停車或質(zhì)量問題。

4 結(jié)束語

本文從企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，分析了皮帶跑偏報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工、組裝和安裝試運(yùn)行，并對(duì)該報(bào)警系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確率進(jìn)行了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該裝置的報(bào)警準(zhǔn)確率為100%；通過對(duì)實(shí)際投入使用后的情況進(jìn)行跟蹤可以得出：該報(bào)警系統(tǒng)對(duì)于皮帶跑偏的及時(shí)預(yù)警有效可靠，可以有效防止因皮帶跑偏導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷和產(chǎn)品質(zhì)量不符合要求情況的發(fā)生，為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。