取料機精準取料研究

唐興華

(上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 200032)

刮板取料機自動化水平較高，應用越來越廣泛，得到越來越多大型現代化電廠、水泥廠和碼頭等青睞。

目前取料機在使用過程中，取料機的取料量經常出現過量或者達不到額定取料量的情況。如果長時間過載過量取料會引起取料機的阻力載荷過大，嚴重降低取料機使用壽命甚至損壞取料機，同時也易造成下游輸送機過載而導致損壞；達不到額定取料量，會嚴重影響輸料系統的正常工作。

現有技術多采用在下游輸送機設置皮帶秤，及時秤取和記錄取料量，如果出現偏差，通知取料機操作人員，操作人員憑經驗控制取料機上仰量或者下俯量，無法實現精確取料，屬于粗放式管理，無法從根本上避免過量或者不足額定取料量的情況；或者采用激光盤煤儀來測量物料的外形輪廓，通過外形輪廓的計算來間接計算取料量，但是儀器的精度和反應時間存在較大延時或者失真，無法滿足取料機的實時取料需求，無法避免過量或者不足額定取料量的情況，另外儀器價格昂貴，投資成本增加。因此，非常有必要進行取料機精準取料的研究。

從取料機刮取物料、物料產生破壞滑移的源頭機理分析，提出一種實現取料機精準取料的創新思路。創建了取料深度和精準取料的數學模型，揭示了精準取料量的影響因素，闡述了精準取料的具體實施路徑，通過控制俯仰纏繞角度變化量來實現精準取料。

1 精準取料創新思路

取料機系統受力示意圖如圖1所示。

圖1 取料機系統受力示意圖

從物料破壞滑移的機理入手，創新提出控制取料機精準取料的方法和步驟如下：

(1)研究物料剪應力τ、物料變形量H(取料深度)，與取料機自身重量Gi，俯仰機構拉力Fw之間的關系；

(2)當剪切應力達到抗剪極限強度時，剪應力對應有俯仰拉力，此拉力為最大拉力Fwmax。如果拉力超過此最大拉力，取料機施加在物料上的載荷產生物料的剪應力將小于抗剪極限強度，物料不會發生破壞滑移[1]；

(3)當物料的自身體積變得很小，取料機只有局部區域能接觸到物料，為了防止取料機截面破壞，此時需要限制俯仰拉力，此拉力為最小拉力Fwmin。如果拉力小于最小拉力，取料機截面受力變大，取料機發生失效破壞；

(4)俯仰拉力Fw介于最大拉力Fwmax和最小拉力Fwmin之間，施加在物料上的取料機重量也有區域范圍，因此物料產生的變形量即取料機的實際取料深度介于最小取料深度Hmin和最大取料深度Hmax之間；

(5)按照額定取料量計算出對應的額定取料深度H*，此取料深度H*介于步驟(4)的最小取料深度Hmin和最大取料深度Hmax之間；通過額定取料深度H*計算出所對應的俯仰額定拉力Fw*；并通過實時監測此額定拉力Fw*，來實現取料機的精準取料。

2精準取料數學模型

以物料產生破壞滑移的機理為基礎[1]，建立物料、取料機系統以及俯仰機構之間的數學模型。

步驟(1)中，物料剪應力τ與取料機自身重量Gi以及俯仰機構拉力Fw之間的關系式為：

(1)

物料變形量H與取料機自身重量Gi以及俯仰機構拉力Fw之間的關系式為：

(2)

式中，

G-物料的內聚力；

φ-物料的內摩擦角；且C和φ為特定常數；

A1-取料機刮取物料的面積；

K-物料的特征系數；

α-物料的靜安息角；

θ-俯仰機構拉力與取料機水平中心線的夾角。

步驟(2)中，加載在物料上的取料機重量等于取料機自身重量Gi和俯仰拉力Fw的差值，物料處于滑移臨界點時所對應的俯仰拉力為最大值Fwmax，該最大值為：

(3)

式中，

τ0-物料的抗剪極限。

其余參數同式(1)和式(2)。

步驟(3)中，最小拉力Fwmin為：

健全精干權威的領導機制。加強軍地雙重領導，完善省、市、縣軍民融合發展領導機構，實行軍地合署辦公，負責軍民融合發展的制度設計、決策部署、項目審批等重大事項和綜合計劃、組織協調、檢查監督等日常工作。強化政府主體地位，削減軍隊非作戰功能，采取軍隊提需求、國動委搞協調、政府抓落實的方法，確保軍民融合發展高效運行、有序推進。

(4)

式中，

A2-取料機截面面積；

W-取料機截面的抗彎截面系數；

σlim-取料機截面的極限應力；

L1-取料機接觸物料的長度；

L2-俯仰拉力的力臂；

L3-取料機不能接觸物料的長度。

步驟(4)中，所述最小取料深度Hmin和最大取料深度Hmax的關系式分別為：

(5)

(6)

上式各參數所代表的含義與式(1)～式(4)相同。

步驟(5)中，額定取料量為Q，額定取料深度H*為：

(7)

式中，

B-取料機取料裝置的寬度；

ρ-物料密度；

v-取料機取料裝置的運行速度。

所述俯仰額定拉力Fw*為：

(8)

代入具體數值即可得出俯仰額定拉力Fw*的數值，這樣通過實施監測取料機拉力，使得拉力始終等于額定拉力，就能實現精準取料。

3 精準取料實施路徑

取料機包括驅動裝置、鏈輪組、取料支撐梁、取料裝置和取料吊點梁，所述驅動裝置設置在取料支撐梁的端部，取料裝置設置在取料支撐梁上，取料吊點梁架設在取料支撐梁的兩側。如圖2所示。

圖2 取料機系統

俯仰機構設置在取料機上方回轉平臺上，且該俯仰機構為卷筒纏繞結構，其上設置有纏繞系統。如圖3所示。

圖3 俯仰機構

控制所述取料機精準取料的系統，該系統包括：

1)俯仰機構的實際拉力值測取裝置。所述實際拉力值測取裝置用于測量和獲取俯仰機構的實際拉力值，用于計算實際取料量。

2)實際拉力值和額定拉力值比較裝置。所述實際拉力值和額定拉力值比較裝置用于比較拉力值的差值，用于計算出實際取料量和額定取料量的偏差。

3)俯仰機構纏繞變化量設置裝置。所述俯仰機構纏繞變化量設置裝置用于設置纏繞變化量來消除取料量偏差，實現精準取料。

所述實際拉力值和額定拉力值比較裝置包括PLC控制程序模塊，額定拉力值固化設置在PLC控制程序中，由實際拉力值測取裝置測取實際拉力值后，PLC控制程序模塊自動將獲取的實際拉力值和設定的額定拉力值進行比較，計算得出物料變形量的偏差值ΔH。

所述俯仰機構纏繞變化量設置裝置包括角度編碼器和PLC程序控制模塊，用于計算并控制纏繞變化角度，通過PLC程序控制模塊將獲取的物料變形量的偏差值ΔH轉換為纏繞變化角度β，通過控制角度β來消除實際取料深度和額定取料深度的誤差，實現精準取料量。

該系統應用過程：

1)通過串聯在俯仰機構上的拉力傳感器測得特定俯仰角度下的俯仰實際拉力值Fw1，可以計算出物料的變形量為：

(9)

則實際物料取料量為：

Q1=3.6BρvH1

(10)

式中各個參數的含義和上文所述內容相同。

2)應用實際拉力值和額定拉力值比較裝置對實際拉力值和利用上述控制方法計算得出的額定拉力值Fw*進行比較，可以計算出物料的變形量偏差為：

(11)

3)根據實際拉力值和額定拉力值比較裝置的比較結果，通過俯仰機構的纏繞變化量設置裝置來改變纏繞系統的變化量，以此來消除物料的變形量偏差ΔH，進一步來消除取料量偏差ΔQ，實現精準取料。

取料量偏差為：

ΔQ=3.6Bρv(H1-H*)

(12)

所述俯仰機構纏繞系統的直徑為D，纏繞系統的變化角度β為：

(13)

4 結語

基于散體結構力學，從物料產生破壞滑移的源頭機理分析，創新提出一種實現取料機精準取料的思路。在此基礎上，創建了取料深度和精準取料的數學模型，揭示了取料深度、精準取料量和俯仰拉力之間的關系，闡述了精準取料的具體實施路徑，通過控制俯仰機構拉力以及俯仰纏繞角度變化量來實現精準取料。

整個分析過程為取料機精準取料控制提供重要的理論指導，保證機械設備及輸送系統的安全運行。