皮帶輸送機穩定性研究

胡曉杰

（山西潞安工程有限公司， 山西 長治 046102）

引言

隨著運輸距離、速度和載荷的增加，皮帶輸送機的離心問題變得越來越嚴重。皮帶輸送機離心是指皮帶輸送機沿輸送帶長度方向的中心線偏離滾筒中心線的現象，這是皮帶輸送機在運行過程中最常見的問題[1-3]。該問題會增加操作阻力，使材料容易損壞。當存在嚴重偏差時，會撕裂皮帶輸送機的皮帶，必須停止生產，因此對經濟效率有顯著影響。如今皮帶輸送機系統正朝著更大容量、更遠距離、更高速度、更高精度的方向發展，因此，皮帶輸送機離心問題的影響也更大。深入研究皮帶輸送機的偏轉機理和在較高速度下的運動穩定性控制是十分必要的。只有這樣，才能提高皮帶輸送機的水平力、摩擦力和工作效率，從而降低皮帶輸送機的運行成本。

本研究根據皮帶輸送機運行系統的實際結構，建立了其集總參數模型，分析了皮帶輸送機運行偏差機理的表征。研究了皮帶輸送機的速度、動載荷和滾筒離心對皮帶輸送機穩定性的影響。為了提高皮帶輸送機的穩定性，采用模糊自適應控制器對滾筒離心進行控制。

1 皮帶輸送機系統的建模

皮帶輸送機系統包括用于驅動輸送機的滾筒，用于引導皮帶輸送機運動的兩個滾筒，用于輸送物料的皮帶輸送機，如圖1 所示。力模型和速度模型如圖2所示，vb、vp分別為皮帶輸送機與滾筒的切線速度；F為動載荷，定義為皮帶輸送機上物料的質量作用于滾筒上，Ft和Fa為皮帶輸送機的切向力和軸向力。

圖1 實際結構和壓板輥系統模型

圖2 沖擊滾筒系統的力和速度

在無動載荷F 的理想運行條件下，壓板輥的離心角α 為0，其中壓板輥與皮帶輸送機的水平力分量Fa為0，即vb=v。然而，在皮帶輸送機上物料的各種動載荷F 沖擊滾筒時，滾筒的離心角α 可能不為0。

在動載荷F 的影響下，假設壓板輥的離心角為α，則Ft和Fa的力分量計算為：

其中，壓板輥的水平力Fa傾向于向軸向推動皮帶輸送機，導致皮帶輸送機不穩定。因此，皮帶輸送機的速度受滾筒離心的影響，確定如下：

2 結果分析

2.1 皮帶輸送機跑偏機理的表征

為了研究皮帶輸送機跑偏機理的表征，選取F={0，50，100}N、vb={0 ～10}m/s、vp={0 ～10}m/s、α={0 ～10}°等一系列皮帶輸送機的動態參數進行仿真分析。參數對皮帶輸送機運行偏差機理影響的仿真結果如下頁圖3 所示。

壓板輥離心的影響可以忽略不計，然而水平力強烈受壓板輥偏心的影響，特別是在提高皮帶輸送機的動態負載F 的基礎上，如圖3-2 所示。因此，這意味著壓板輥的離心量增加一個小值，就足以使皮帶輸送機運行不穩定。皮帶輸送機的穩定性不僅受水平力Fa的影響，還受水平速度vx的影響。

圖3 切向力、軸向力和速度對皮帶輸送機運行偏差機理的影響

圖3-3 中，在vp和vb參數的各種模擬條件下，隨著壓板輥離心率的增加，水平速度vx迅速增加。因此，在只改變滾筒離心量很小的情況下，水平速度vx也迅速增加，增加皮帶輸送機速度時，使皮帶輸送機不穩定。因此，皮帶輸送機運行的穩定性在很大程度上取決于滾筒的離心，特別是在皮帶輸送機高動載荷和高速度的情況下。為了提高皮帶輸送機的穩定性和性能，應控制滾筒的離心。

2.2 皮帶輸送機的穩定性控制

模糊控制包括“模糊化界面”“模糊推理系統”和“去模糊化界面”。首先，將模糊化中的模糊值轉化為語言變量。然后，模糊規則根據推理規則使用模糊推理系統。最后，通過去模糊化，語言變量被轉換回清晰的值。角偏差α=e 和動態負荷F=ec是模糊控制的反饋信號，通過定義的語言變量和If函數規則計算和確定控制力。

控制結果的軸向力Fa如圖4-1 顯示，當滾筒輥的離心率增加，軸向力Fa與控制相比大大減少；無控制在兩個不同的負載條件下50 N 和100 N，皮帶輸送機特別是F 值是相對較小的α=0°～4°影響力較小。此外，圖4-2 的控制結果也表明，在vb和vp的不同速度下，特別是α=0°～6°時，控制水平速度vx隨壓板輥離心率的增加而緩慢增加。因此，當皮帶輸送機速度和壓路機滾筒離心距增大時，通過穩定性控制，水平速度vx和軸向力Fa顯著減小。結果表明，與無控制相比，皮帶輸送機系統的穩定性得到了提高。

圖4 皮帶輸送機穩定性控制結果

3 結論

1）滾筒離心對皮帶輸送機的穩定性影響較大，特別是在皮帶輸送機負載大、速度快的情況下。

2）離心滾筒輥控制的模糊控制，軸向力和水平速度是無關緊要的，改變增加滾筒輥的離心時，特別是在α=0°時，皮帶輸送機系統的穩定性明顯得到改善。