基于圖像的帶式輸送機(jī)膠帶糾偏裝置研究與設(shè)計(jì)

摘要：輸送膠帶跑偏是帶式輸送機(jī)的常見(jiàn)故障，常會(huì)造成物料傾撒或帶邊磨損，縮短輸送帶的使用壽命。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種基于圖像的自動(dòng)糾偏裝置，首先采用高清攝像機(jī)識(shí)別膠帶邊緣，判斷膠帶跑偏信息；然后設(shè)計(jì)了電動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行膠帶糾偏，給出了蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)；最后設(shè)計(jì)了基于PLC的自動(dòng)糾偏裝置控制系統(tǒng)，可為帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；膠帶；糾偏；圖像

中圖分類號(hào)：TM621.7" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）03-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.018

0" " 引言

輸送膠帶跑偏是帶式輸送機(jī)的常見(jiàn)故障，常會(huì)造成物料傾撒或帶邊磨損，縮短輸送帶的使用壽命，因此對(duì)跑偏進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確處理是燃煤電站輸煤系統(tǒng)安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證。

現(xiàn)有不少文獻(xiàn)已經(jīng)分析了帶式輸送機(jī)膠帶跑偏的常見(jiàn)原因，并提出了一些糾偏方法及控制措施，有效保障了帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)論述了立輥糾偏法、外力糾偏法、滾筒糾偏法等當(dāng)前帶式輸送機(jī)糾偏方法的特點(diǎn)；文獻(xiàn)[2]從安裝、運(yùn)輸以及膠帶質(zhì)量問(wèn)題等方面分析了輸送膠帶跑偏故障產(chǎn)生的原因，并結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)提出了一些行之有效的處理對(duì)策；文獻(xiàn)[3]深入分析了調(diào)整托輥組位置、滾筒安裝精度、輸送帶張緊度及安裝調(diào)心托輥等糾偏措施；文獻(xiàn)[4]基于蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺旋托輥以及典型托輥架等給出了帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾偏裝置的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)。

本文對(duì)比了當(dāng)前各種糾偏裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上詳細(xì)設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)糾偏裝置，并給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析和參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可有力提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力，對(duì)于燃煤電站輸煤系統(tǒng)輸送膠帶跑偏問(wèn)題的解決具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1" " 膠帶糾偏裝置總體設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)膠帶自動(dòng)糾偏裝置的總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，在輸送帶上方安裝高清攝像機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行采集（圖2），通過(guò)膠帶和參照背板之間的明顯色差特征準(zhǔn)確判定膠帶的邊緣特征和位置，準(zhǔn)確判斷膠帶的實(shí)時(shí)跑偏量，并能控制電動(dòng)糾偏裝置進(jìn)行糾偏。由于帶式輸送機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境較差，粉塵較多，為了提高圖像識(shí)別效果，在膠帶兩側(cè)各安裝一塊白色背板。

電動(dòng)糾偏裝置采用蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

2" " 糾偏裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)糾偏裝置采用蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.1" " 蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

正常情況下，機(jī)械系統(tǒng)的托輥組需要承受輸送帶和運(yùn)輸物料的重量，這些重量會(huì)施加在托輥上產(chǎn)生正壓力。當(dāng)出現(xiàn)糾偏運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于托輥與輸送帶之間存在相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生摩擦力Fu。

2.1.1" " 托輥組承受的重量G

圖4為托輥上部物料和托輥截面圖。

整個(gè)裝置所受的總重量G為：

G=Sρ[（2N+Mcos β）h2+（N+Mcos β）h1]（1）

式中：S為相鄰?fù)休伡苤g距離，此處為2 m；ρ為煤的密度，為0.8 t/m3；N為托輥長(zhǎng)度的一半，托輥長(zhǎng)度為500 mm；M為槽部托輥的長(zhǎng)度；β為托輥架的槽角（30°）；h2為梯形截面的高度；h1為三角形的截面高度。

h2計(jì)算公式為：

h2=sin β×M=sin 30°×500=250 mm（2）

根據(jù)h1=h2=250 mm，計(jì)算得到：

G=0.646 4 t≈6 334.72 N（3）

2.1.2" " 糾偏過(guò)程中的阻力

對(duì)托輥受力進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5所示。

假設(shè)重量G平均對(duì)稱地施加于A、B、C、D四個(gè)位置，每個(gè)位置的作用力為Fp，由此得：

Fp==1 583.68 N（4）

鋼和橡膠之間的摩擦系數(shù)μ=0.36，摩擦力為：

Fμ=μFp=570.12 N（5）

阻力矩為：

Mμ=2Fμ

+FμL=1 068.98 N·m（6）

式中：L為A處作用力與中心的距離（750 mm）。

2.1.3" " 蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算

糾偏裝置旋轉(zhuǎn)角頻率初定為ω=2 rad/s，則蝸輪轉(zhuǎn)速n為：

n==19.10 r/min（7）

蝸桿選用45鋼，表面淬火，硬度選擇50 HRC，頭數(shù)為Z1=1。蝸輪選擇鑄造錫磷青銅ZCuSn10P1，傳動(dòng)比為i=50。則蝸輪齒數(shù)Z2為：

Z2=iZ1=50（8）

蝸輪轉(zhuǎn)矩T2為：

T2=Mu=1 068.98 N·m（9）

按照使用壽命10年、每年工作250天、每天工作8 h計(jì)算，可得循環(huán)次數(shù)N為：

N=60njLh=22 896 000 次（10）

式中：Lh為工作壽命；j為蝸輪旋轉(zhuǎn)一周，每個(gè)輪齒嚙合次數(shù)。

根據(jù)蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，校核彎曲疲勞強(qiáng)度。

KHN=≈0.9（11）

[σH]=KHN[σH′]=241.2 MPa（12）

m2d1≥9KT2

≈1 869.8 mm3（13）

式中：KHN為壽命系數(shù)；[σH′]為許用接觸應(yīng)力，取值268 MPa；m為模數(shù)，取值8 mm；d1為蝸桿分度圓直徑取值80 mm；K為載荷系數(shù)，取值1.15；ZE為材料的彈性影響系數(shù)，取值160。

蝸輪分度圓直徑d2：

d2=mZ2=400 mm（14）

取蝸桿直徑系數(shù)q=10，則蝸桿導(dǎo)程角γ為：

γ=arctan Z1/q=4.5°（15）

2.1.4" " 蝸輪強(qiáng)度校核

螺旋角系數(shù)Yβ=0.968，齒形系數(shù)YF=1.72，計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力σF。

KFN=≈0.7（16）

[σF]=[σF′]KFN=39.2 MPa（17）

σF=YFYβ=12.23 MPa（18）

式中：KFN為壽命系數(shù)；[σF′]為基本許用彎曲應(yīng)力，根據(jù)蝸輪材料確定為56 MPa；Yβ為螺旋角系數(shù)為0.968；YF為齒形系數(shù)1.72。

計(jì)算得σF≤[σF]，滿足彎曲強(qiáng)度。

2.2" " 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

選用直流伺服電機(jī)，電機(jī)功率為5 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，轉(zhuǎn)矩15 Nm。

1）轉(zhuǎn)速：

從前面的計(jì)算內(nèi)容可得糾偏裝置托輥支架轉(zhuǎn)速為n=19.10 r/min，此時(shí)對(duì)應(yīng)的蝸桿轉(zhuǎn)速為n1=954 r/min，選擇傳動(dòng)比為3的行星減速器，然后計(jì)算所需電機(jī)轉(zhuǎn)速nMotor：

nMotor=954×3=2 862 r/min（19）

2）扭矩MMotor：

MMotor==7.13 Nm（20）

3）電機(jī)容量P：

P=TMu/9 550=2.13 kW（21）

綜上，選擇的電機(jī)滿足要求。

3" " 基于PLC的自動(dòng)糾偏裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用視覺(jué)監(jiān)測(cè)裝置接收糾偏信號(hào)，視覺(jué)檢測(cè)裝置傳輸三種信號(hào)給PLC系統(tǒng)。根據(jù)膠帶左右兩側(cè)到標(biāo)定板邊界的距離確定膠帶是否跑偏，從而對(duì)PLC系統(tǒng)輸送膠帶是否跑偏、跑偏為左、跑偏為右三種信號(hào)。當(dāng)輸出為“跑偏為左”信號(hào)時(shí)，直流伺服電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)向右糾偏膠帶。反之，當(dāng)輸出為“跑偏為右”信號(hào)時(shí)，直流伺服電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)向左糾偏膠帶。PLC系統(tǒng)根據(jù)獲取的信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輥組，從而實(shí)現(xiàn)膠帶的自動(dòng)糾偏。圖6為軟件邏輯圖設(shè)計(jì)。

基于圖像處理技術(shù)和電動(dòng)蝸輪機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)糾偏裝置如圖7所示，圖7（a）為帶式輸送機(jī)尚未運(yùn)行時(shí)，通過(guò)圖像可清晰識(shí)別膠帶的兩側(cè)，圖7（b）為帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，可清晰識(shí)別膠帶跑偏現(xiàn)象。設(shè)定閾值為5 mm，當(dāng)跑偏達(dá)到5 mm時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)蝸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾偏。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理技術(shù)的帶式輸送機(jī)膠帶自動(dòng)糾偏裝置，在膠帶兩側(cè)各安裝一塊白色背板，通過(guò)安裝在膠帶上方的高清攝像機(jī)準(zhǔn)確識(shí)別膠帶的邊緣特征和位置，實(shí)時(shí)判斷膠帶的跑偏量，并自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)蝸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾偏。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)，可在粉塵較多的環(huán)境中有效識(shí)別和糾偏。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 馬瑞軍.帶式輸送機(jī)跑偏機(jī)理及糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2024，39（8）：270-272.

[2] 王俊峰.煤礦皮帶機(jī)跑偏故障原因及處理[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2018，33（5）：188-189.

[3] 朱立波.帶式輸送機(jī)跑偏原因及糾偏措施分析[J].中國(guó)機(jī)械，2024（12）：107-110.

[4] 姚華龍.帶式輸送機(jī)自動(dòng)糾偏裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2022，37（10）：34-35.

收稿日期：2024-09-29

作者簡(jiǎn)介：劉俊源（1970—），男，四川仁壽人，工程師，從事火力發(fā)電廠熱工技術(shù)工作。