礦用帶式輸送機(jī)自動(dòng)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(jì)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(duì)較高，達(dá)到了10%～30%左右[1]。出現(xiàn)皮帶跑偏問(wèn)題后，輕則導(dǎo)致煤礦物料灑落引發(fā)浪費(fèi)問(wèn)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(shí)不斷提高，皮帶跑偏問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。在實(shí)踐過(guò)程中采取了很多措施避免出現(xiàn)皮帶跑偏問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(duì)帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析和研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(dòng)滾筒。帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置通常安裝在機(jī)頭段，外界驅(qū)動(dòng)力直接與主動(dòng)滾筒連接實(shí)現(xiàn)主動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)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(yùn)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(dòng)糾偏裝置的設(shè)計(jì)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(dòng)糾偏系統(tǒng)示意圖

針對(duì)帶式輸送機(jī)在工作過(guò)程中容易出現(xiàn)跑偏問(wèn)題的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)研究了一種自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，如圖2 所示為帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)示意圖。設(shè)計(jì)的自動(dòng)糾偏系統(tǒng)基本原理可以概述如下：通過(guò)位置檢測(cè)元件對(duì)皮帶在橫向方向上的位置進(jìn)行檢測(cè)，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(jì)算機(jī)中，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)算法對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和計(jì)算，基于計(jì)算結(jié)果輸出一個(gè)控制信號(hào)。執(zhí)行電機(jī)在接收到控制信號(hào)后啟動(dòng)工作，驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿運(yùn)動(dòng)，最終使得托輥架產(chǎn)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)皮帶糾偏。

3 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 托輥架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)專門的與底座進(jìn)行連接的運(yùn)動(dòng)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(shì)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在帶式輸送機(jī)正常工作過(guò)程中，所有的重量都會(huì)間接或直接地作用于托輥架上。此時(shí)通過(guò)托輥架對(duì)皮帶進(jìn)行糾偏時(shí)，皮帶與托輥間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)較大的摩擦力。糾偏裝置在工作時(shí)需要克服此摩擦力實(shí)現(xiàn)皮帶糾偏。因此，在設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，首先需要對(duì)相關(guān)載荷條件進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)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(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)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(guò)程中皮帶運(yùn)行的穩(wěn)定性，防止皮帶出現(xiàn)較大的波動(dòng)。因此，需要對(duì)皮帶的跑偏速率以及跑偏程度進(jìn)行精確檢測(cè)，基于檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行控制。由于皮帶形狀特殊，這對(duì)檢測(cè)裝置提出了較高的要求，本文結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)研究了一種皮帶位置檢測(cè)裝置。皮帶位置不好直接測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種專門的四桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將皮帶位置偏量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)移后的信息進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示為皮帶位置檢測(cè)原理示意圖。當(dāng)皮帶發(fā)生橫向偏移時(shí)，通過(guò)四桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以帶動(dòng)距離檢測(cè)元件發(fā)生移動(dòng)，距離檢測(cè)元件可以自動(dòng)測(cè)量得到移動(dòng)前后的距離差值，再結(jié)合四桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)推導(dǎo)計(jì)算得到皮帶的橫向偏移量。同時(shí)，距離檢測(cè)元件的移動(dòng)速度也能夠反映皮帶在橫向方向上的移動(dòng)速率。通過(guò)測(cè)量檢測(cè)元件的移動(dòng)速度和移動(dòng)距離，就能夠計(jì)算得到皮帶在橫向方向上的移動(dòng)速度和移動(dòng)距離。

圖4 皮帶位置檢測(cè)原理示意圖

4 主要元器件的設(shè)計(jì)選型

4.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型

驅(qū)動(dòng)器的根本作用在于為負(fù)載提供滿足實(shí)際使用需要的功率，基本原理是控制弱電信號(hào)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的準(zhǔn)確控制。在充分結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為FDS50A-2600。通過(guò)該驅(qū)動(dòng)器可以對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，即便是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也基本沒(méi)有噪聲，輸出扭矩很大。具體而言，F(xiàn)DS50A-2600型號(hào)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特征包括：具有優(yōu)越的過(guò)載能力；能夠有效抑制共振問(wèn)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(dòng)器能夠與伺服電機(jī)、控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，方便控制計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

4.2 距離檢測(cè)傳感器的選型

本文基于紅外線距離檢測(cè)傳感器來(lái)測(cè)量皮帶的偏移量。該種類型傳感器的距離測(cè)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(hào)，遇到阻礙物時(shí)將信號(hào)返回，傳感器可以接收到返回的信號(hào)。通過(guò)計(jì)算信號(hào)發(fā)出與接收的時(shí)間差，并結(jié)合信號(hào)在空氣中的傳輸速度就可以計(jì)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(shí)際需要，選用的距離檢測(cè)傳感器型號(hào)為GP2YOA21YKOF，該型號(hào)傳感器能檢測(cè)的有效距離在100～800mm范圍內(nèi)，需要利用DC5V 電壓對(duì)其進(jìn)行供電，正常工作時(shí)靜態(tài)電流值為30 mA。輸出的信號(hào)為模擬量信號(hào)，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)后，輸入到控制器中進(jìn)行分析計(jì)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(hào)為STC89C516RD。該型號(hào)PLC 控制器編程過(guò)程簡(jiǎn)單，功率消耗相對(duì)較低，抗干擾能力很強(qiáng)。擁有全雙工異步串行口，對(duì)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(yùn)算處理能力，完全能夠滿足礦用帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的使用需要。

5 結(jié)論

對(duì)傳統(tǒng)的托輥架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改善，使其在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)能夠在對(duì)稱位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)皮帶糾偏。皮帶橫向位置檢測(cè)方法，可有效規(guī)避皮帶橫向位置檢測(cè)的難題，測(cè)量結(jié)果精度較高。將本文研究的自動(dòng)糾偏系統(tǒng)應(yīng)用到DTL120 型帶式輸送機(jī)中，在長(zhǎng)達(dá)1 年的運(yùn)行過(guò)程中，帶式輸送機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)跑偏問(wèn)題，顯著提升了輸送機(jī)的工作效率。