基于可編程控制器的帶式輸送機自動調(diào)偏裝置設計

張建宇

（晉能控股煤業(yè)集團，山西 大同 037003）

引言

帶式輸送機具有輸送量大、運輸距離長、結構簡單、運輸物料范圍廣、成本低、裝卸料方便、可靠性高、自動化程度高等特點，可廣泛應用于冶金、化工以及工礦等生產(chǎn)企業(yè)，是物料運輸?shù)闹匾a(chǎn)設備。隨著我國工業(yè)化的不斷發(fā)展，大功率、長距離、高負載的帶式輸送機需求猛增，越來越多地被應用于生產(chǎn)企業(yè)，因此帶式輸送機的可靠運行對企業(yè)高效發(fā)展就顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計，在帶式輸送機運行過程中80%故障都是由于輸送帶跑偏而導致的，故應對帶式輸送機跑偏現(xiàn)象進行調(diào)偏裝置設計研究，以通過減少帶式輸送機故障發(fā)生率提升企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 帶式輸送機的基本結構與跑偏原因分析

常規(guī)的帶式輸送機主要由七部分組成，具體包括傳動裝置、驅(qū)動裝置、拉緊裝置、支撐裝置、安全防護裝置、清掃裝置以及附屬裝置。其中，傳動裝置又包含輸送帶、傳動滾筒、托輥等[1-3]。驅(qū)動裝置又包括減速機、驅(qū)動滾筒、電動機、聯(lián)軸器等。帶式輸送機的具體結構示意圖如圖1 所示。

圖1 常規(guī)帶式輸送機結構示意圖

帶式輸送機的皮帶跑偏原因可分為皮帶空載受力引起的跑偏與皮帶重載受力引起的跑偏兩方面。當皮帶處于空載狀態(tài)，對帶式輸送機皮帶進行受力分析后發(fā)現(xiàn)，在設備安裝、結構以及材質(zhì)方面無缺陷的情況下，帶式輸送機的皮帶受力平衡點只有在滾筒以及托輥中線上時，皮帶才會保持平穩(wěn)運行狀態(tài)，否則就會發(fā)生跑偏現(xiàn)象。當皮帶處于重載狀態(tài)，對帶式輸送機皮帶進行受力分析后發(fā)現(xiàn)，只有當物料重心處于皮帶中線且該中線與滾筒、托輥的中線相重合時，皮帶才會處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，否則就會發(fā)生跑偏。

2 帶式輸送機自動調(diào)偏裝置設計

2.1 PLC 電氣控制系統(tǒng)設計

PLC 電氣控制系統(tǒng)主要分為四部分，具體為PLC控制器、跑偏監(jiān)測裝置、控制臺以及人機交互界面。系統(tǒng)通過跑偏監(jiān)測裝置采集帶式輸送機皮帶運行信息，將信息傳輸至PLC 控制器后，PLC 控制器會對信息進行分析處理，處理后的信息一方面會發(fā)送至控制臺，對糾偏裝置發(fā)出動作指令；另一方面會發(fā)送至人機交互界面，將信息顯示在交互屏幕上，方便操作人員隨時觀察了解設備狀態(tài)。根據(jù)帶式輸送機自動調(diào)偏裝置的實際需求，本文擬選擇西門子公司的S7-200 型PLC 可編程控制器，該型號傳輸速度快、抗干擾能力強，較為符合自動調(diào)偏裝置設計要求。

2.2 跑偏監(jiān)測裝置設計

跑偏監(jiān)測裝置可分為檢測裝置以及機械式跑偏量檢測裝置兩部分，其具體結構示意圖如下頁圖2 所示。檢測裝置共有四種檢測方式，分別為單側(cè)、雙側(cè)、回程、正面。單側(cè)安裝是將檢測托輥向皮帶中線方向調(diào)整，利用單位位移量判斷皮帶；雙側(cè)安裝是使兩邊的檢測互為驗證，使皮帶位置信息的檢測更為準確[4-5]。

圖2 跑偏監(jiān)測裝置結構示意圖

機械式跑偏量檢測裝置原理為：托輥架旋轉(zhuǎn)軸與角度編碼器通過軟連接的方式相連，當托輥架因皮帶移動而發(fā)生推移后，角度編碼器會隨著托輥架一起旋轉(zhuǎn)，編碼器通過推移量的多少對旋轉(zhuǎn)角度進行編碼計算，控制器依據(jù)編碼器的數(shù)值即可得出旋轉(zhuǎn)角度，通過公式即可推算出跑偏量。傾角傳感器是隨托輥架一起轉(zhuǎn)動的，傳感器的安裝位置在托輥架上，當托輥架因皮帶位移而發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成擺角后，傾角傳感器就會隨著擺角的產(chǎn)生而發(fā)出傾角信號，控制器依據(jù)傳感器信號通過換算即可得到皮帶跑偏量與偏移角度數(shù)值。

2.3 自動糾偏裝置設計

自動糾偏裝置是對皮帶與托輥的夾角調(diào)整，從而使運行狀態(tài)下的帶式輸送機受到精細化動態(tài)糾偏的，該裝置可在帶式輸送機運行狀態(tài)下對皮帶位置進行精準定位檢測。

依據(jù)功能的不同可將全自動糾偏裝置部件分成四個部分，分別為檢測機構、糾偏執(zhí)行機構、控制機構以及保護裝置，其具體結構示意圖如圖3 所示。其中，檢測機構為上述的跑偏監(jiān)測裝置，其位置在圖3 中2的位置處，主要功能是對皮帶的位置與運行狀態(tài)的檢測；控制機構為上述的PLC 電氣控制系統(tǒng)；糾偏執(zhí)行機構包括糾偏托輥組、推桿以及推桿步進電機；保護裝置為行程開關與撥桿限位的安裝，安裝位置在帶式輸送機運行時所允許的托輥左右擺動的最大處兩側(cè)各安裝1 個行程開關，撥桿限位安裝在檢測裝置上。

圖3 即為全自動糾偏裝置的最佳部件組裝方式，糾偏檢測機構安裝在上行皮帶邊緣，糾偏執(zhí)行結構安裝在下行皮帶尾部滾筒處。糾偏托輥支架采用電動推桿與銷軸鉸接的方法連接，推桿伸縮方向設定為與皮帶平行。電動推桿底座與機架也采用鉸接的方式連接，推桿尾部可小范圍擺動。糾偏裝置的執(zhí)行機構與檢測機構的電動推桿與控制機構連接使用電線纜。保護裝置與控制結構連接也使用電線纜。

圖3 全自動糾偏裝置結構示意圖

自動糾偏裝置主要是通過調(diào)整托輥與皮帶夾角進行皮帶糾偏的，角度調(diào)整的精確性是糾偏裝置性能好壞的關鍵。本文選用的是推桿的方式進行角度調(diào)整，主要原因是托輥在皮帶下方，易受堆積物料的影響，降低精度。經(jīng)分析，糾偏機械結構的主要參數(shù)如表1 所示。5 mm 絲桿導程的GJ20 系列絲杠符合要求。

表1 糾偏機械結構主要參數(shù)

3 系統(tǒng)測試

按上述方法進行帶式輸送機自動調(diào)偏裝置設計并對其進行實驗測試，其糾偏狀態(tài)跟蹤曲線如圖4 所示。第一層是左糾偏曲線，一個波動代表向左調(diào)整一次；第二層是快速糾偏曲線，一次波動為一次快速調(diào)整；同理，第三層與第四層是左側(cè)與右側(cè)皮帶邊緣曲線；第五層是執(zhí)行機構反饋曲線。通過分析可知，30 min 內(nèi)皮帶出現(xiàn)4 次偏移，系統(tǒng)皆進行了糾偏操作。由此可知，帶式輸送機運行可靠性顯著提高，故障發(fā)生概率可有效降低，對自動調(diào)偏裝置進行3 個月測試未發(fā)生因輸送帶跑偏而引起的故障，符合設計要求[6-10]。

圖4 糾偏狀態(tài)跟蹤曲線圖

4 結論

帶式輸送機是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要運輸設備，對企業(yè)高效安全生產(chǎn)至關重要。在帶式輸送機的運行過程中，80%以上的故障都是因為輸送帶跑偏而引起的。針對這一現(xiàn)象，本文對帶式輸送機自動調(diào)偏裝置進行設計研究，得出了以下結論：

1）采用PLC 控制器的方法，可實現(xiàn)帶式輸送機自動調(diào)偏裝置的設計研究。

2）按上述方案進行調(diào)偏裝置設計并應用于實際后發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機故障率下降，可靠性提高，3 個月內(nèi)未發(fā)生因輸送帶跑偏而引起的故障。