半門架刮板取料機設計分析

羅偉奇

（湖南長重機器股份有限公司，湖南 長沙 410005）

半門架刮板取料機是一種執行取料作業的機械設備，近年來，原料場已逐步實現生產工藝的自動化改造升級，基于PLC 技術改良機械設備的控制性能，為取料作業自動化與生產效率提升提供技術支持。

1 系統設計及有限元分析

1.1 結構設計

該設備主要由門架、取料臂、卷揚提升裝置、固定端梁和擺動端梁等機構組成，在取料臂的臂架上設有刮板鏈系統，當電機啟動后將帶動減速輪轉動，利用鏈輪牽引刮板鏈沿縱向刮取散狀物料。當行走端梁沿軌道往復運行時，刮板系統將在刮板臂架的支撐下沿橫向刮取散狀物料。通過依據預先設定好的吃料深度調節臂架懸掛角度，即可逐層刮取物料至取料量設定值，達成取料作業目標。

1.2 參數設計

設某長形料場堆積的物料種類為鐵精粉，其容重為2.7t/m3、粒度≤0.4mm、堆積角介于25°～40°、含水量為10%。該設備的重要參數包含以下兩種：

其一是行走機構的驅動功率，在取料作業的工況條件下，負荷阻力主要由軌道對車輪的阻力、車輪軸承阻力、沿前進方向的刮板切削阻力三部分組成。設機重為G、滾動力臂為K、車輪半徑為r、滾動軸承滾動半徑為r’、軸承摩擦系數為f、鏈載荷長度為L、每米刮板鏈物料輸送量為Gf、材料摩擦系數為uf、刮板阻力系數為us，其負荷阻力、驅動功率的計算公式分別為：

其二是刮板系統的驅動功率，刮板驅動力主要由刮板切削阻力、沿前進方向的物料摩擦阻力、刮板鏈運行產生的摩擦阻力以及物料抬升阻力組成，設總功率效率系數η=0.73、安全系數為1.35，則刮板驅動軸功率與電機功率的計算公式分別為：

1.3 有限元分析

采用ANSYS 軟件進行設備主要部件結構的有限元分析，分別選用殼單元、梁單元、剛體單元進行設備鋼結構、受拉構件或受壓構件與鉸軸結構的模擬，依托程序自動完成網格劃分，并手動完成局部優化操作。在材料選取上，選用Q345-E 鋼材，其密度為7.85g/cm3、泊松比為0.29、彈性模量為2.06×105MPa。在部件載荷值設計上，門架、固定端梁、刮板臂架與導槽自重等項目的加載模式均由程序自動生成；改向鏈輪與張緊裝置采用集中力加載模式，載荷值為2.358×104N；驅動鏈輪與驅動裝置均采用集中力加載，載荷值分別為4.382×104N 和8.988×104N；其他附屬設施采用均布載荷，載荷值為5.23×103N/m。在約束條件設計上，針對固定端梁的X 方向取鉸接軸的軸向，分別施加X、Y 兩方向的位移約束，以及Y、Z 兩方向的旋轉約束；針對擺動端梁施加X 方向的位移約束，建立剛體單元；針對刮板臂架及其與端梁連接部位，分別施加X、Y、Z 三個方向的位移約束，依據關節軸承特征實現自由度耦合。有限元分析結果表明，該設備主要部件結構產生的最大應力位于固定端梁與行走車輪架連接部位以及刮板臂吊點部位，其最大應力值133MPa、應變值以及動載系數等指標均符合安全使用需求，證明該設計方案具備實際應用價值。

2 PLC 控制程序的具體實現方案

2.1 控制系統組成

2.1.1 系統網絡組成

控制系統采用主從站分布式結構設計，主站選用西門子CPU1515-2PN，從站選用IM151-3PN 接口模塊；I/O 信號模塊由DO、DI、AI、AO、COUNT 組成；選擇觸摸屏作為HMI 界面用于顯示信息和參數，利用TCP/IP 形式實現與主從站的數據交換；基于TIA PORTAL V13 軟件進行PLC 程序與監控組態軟件的開發。

2.1.2 通訊協議設計

考慮到半門架刮板取料機需在料場實行移動作業，如果沿用傳統作業模式將在現場敷設大量電纜，在機械設備移動環節可能造成電纜扭斷問題，影響設備運行可靠性與作業安全。在此選用TCP/IP 通訊協議實現觸摸屏與主從站間的通訊與數據交換，利用多模光纖將PLC 控制系統與中控系統進行連接，采用動力電纜集成光纖并與刮板機保持同步作業，有效規避在設備移動過程中引發光纖扭斷問題，提高通訊可靠性。

2.1.3 檢測保護系統

行走、俯仰、刮板是半門架刮板取料機的主要機構，為兼顧設備自動取料與安全運行需求，應將檢測技術應用于系統設計中。其一，選取限位保護開關安裝在行走機構的電機制動器與軌道兩端位置，用于保護設備在行走過程中的安全運行；其二，將電流檢測裝置安裝在電機上，以4 ～20mA電流信號與PLC 控制系統進行連接，實現電機運行狀態監測，避免因過載導致電機被燒壞；其三，將傾角儀設置在俯仰機構上，實現對機構傾斜角度的檢測，并且將對刮板電機負荷與取料量產生影響；其四，將編碼器安裝在行走機構上，實現對行走速度的檢測與閉環控制；其五，選取超聲波傳感器沿刮板鏈條兩側呈對稱設置，實現對皮帶狀態的檢測，保障取料的連續性與安全性；其六，采用RFID 技術將讀寫頭、載碼標簽分別安裝在設備與皮帶支架部位，可以在設備取料過程中讀取倉位、位置等數據信息。

2.2 PLC 控制程序設計

2.2.1 手動模式

手動模式適用于兩種工況條件，其一，設備手動取料；其二，自動模式下的整平送料準備環節，并且增設限位保護開關、過載保護器等部件的安全連鎖信號，用于保障手動模式下的作業效率與安全。

2.2.2 自動模式

在自動模式下，需完善邏輯連鎖條件的設計，增設皮帶運行的連鎖信號，控制系統將在設備自動取料環節針對皮帶運行狀態、有無堆料或斷帶故障等進行實時監測，當發現皮帶運行故障時將自動執行保護性停機，并且在觸摸屏HMI 界面上顯示報警信息，待運維人員進行故障排查、解除故障后，HMI 界面將恢復正常、完成故障復位，并重啟系統實現繼續作業。同時，在設備上增設急停開關，如果在設備運行環節出現緊急事故，系統將自動觸發急停開關、啟動保護性停機功能，并且將設備各機構的動力源切斷，待維護人員排查故障后完成復位及重置系統，以此保障設備及人員的安全。在切換至自動模式后，系統將自動依據“參數設定與投入自動模式——皮帶機運行——俯仰機構、刮板鏈條、行走機構故障判斷——提升刮板鏈條——運行至預設位置、降下刮板鏈條——啟動刮板、完成取料——判斷有無急?；蚬收蠁栴}——接近倉壁——料倉盡頭——待到達預設吃料深度后取料停止——回到停車位”的流程開展取料作業，無須人工干預，操作人員可以通過觸摸屏了解設備的實時運行狀態信息，在必要情況下還可以通過操作臺進行人工干預，調節刮板取料機執行取料作業。

2.2.3 維護模式

該模式適用于設備故障排查與系統維護環節，工作人員需借助操作臺執行具體操作，依托連鎖條件控制設備動作。

2.3 監控組態軟件設計

2.3.1 軟件結構設計

基于TIA PORTAL V13 平臺進行監控組態設計，選用HMI 觸摸屏實現人機交互功能，操作人員可通過觀察觸摸屏掌握有關設備實時運行狀態、故障信息、報警信息、生產參數等信息。在軟件結構設計上，組態軟件主要由登錄畫面、系統設置界面、三大主體機構監控畫面、物料探測畫面、倉位檢測畫面、參數設定畫面、報警顯示畫面等結構，可供操作人員在觸摸屏端完成對設備運行的調控。

2.3.2 運行模式分析

當操作人員登錄軟件系統觀看觸摸屏時，將首先觀察到登錄畫面，將預先設定好的用戶賬號、密碼等信息輸入系統中即可成功登錄，借助操作人員權限的設置有效規避無關人員隨意操縱設備的問題，為設備整體安全運行提供保障，防范因操作不當造成安全事故。在設備執行生產作業的過程中，操作人員可以通過調節參數實現對設備的及時干預與調控，可以在生產過程中實現實時糾偏，在線調節生產工藝參數、控制設備啟停，為生產作業效果創設雙重保障。同時，操作人員還可以在觸摸屏端獲取到作業現場的圖形、數據等信息，依據具體信息判斷現場各設備的運行情況，在整體層面實現對現場機組運行安全的監控。最后，當設備在運行過程中發生故障時，系統將結合預設的故障等級觸發嚴重性不等的報警開關，并在觸摸屏端顯示報警信息與監控畫面，供操作人員及時查找、排除故障，經由故障分析與記錄調閱確定事故原因，保障設備的安全可靠運行。

3 結語

本文基于PLC 技術進行設備原有控制系統的改造，可以實現設備自動化生產與集中控制，設計方案具備良好的可操作性，有助于進一步提高取料作業效率。