輸送皮帶邊距在線測量與自動糾偏

羅 民，余 攀，夏 祥，簡著名，張中武，辛子健

（湖北中煙工業有限責任公司，湖北武漢 430040）

0 引言

皮帶輸送機是一種常用的固體物料輸送裝置，依靠摩擦驅動以連續方式運輸物料的機械。主要結構為機架、輸送帶、托輥、滾筒、張緊裝置、傳動裝置。皮帶輸送機主要由兩端滾筒及緊套其上的閉合輸送帶組成。從截面看，皮帶是線性連續運動的，皮帶厚度一般在1～3 mm，通常的測距工具如超聲波測距儀、紅外測距儀、拉繩編碼器被測對象需要是一個面，運動的皮帶邊緣無法被有效檢測到。設計研究一種新的超聲波測量裝置，解決上述難點問題，能夠測量皮帶邊緣與墻板間的距離，得到連續的具體數值。

1 背景技術

1.1 皮帶輸送機基本結構

皮帶輸送機在工業生產中廣泛應用，用于輸送煤炭、包裹、食品等固體物料，是一種依靠摩擦驅動的，以連續方式運輸物料的機械，主要結構包括機架、輸送帶、托輥、滾筒、張緊裝置、傳動裝置。皮帶輸送機主要由兩端滾筒及緊套其上的閉合輸送帶組成。

皮帶輸送機工作原理：減速電機通過傳動輥與皮帶之間的摩擦力來傳遞牽引力，因此必須將皮帶用張緊裝置拉緊，使皮帶在傳動托輥分離處具有一定的初張力，令皮帶與負載一起在托輥上運行。皮帶既是牽引機構又是承載機構，負載與皮帶之間沒有相對運動。物料由喂料端喂入，落在轉動的輸送帶上，依靠輸送帶摩擦帶動運送到卸料端卸出。

皮帶輸送機傳送皮帶通常有以下5 種材料：

（1）橡膠材料輸送帶，具有耐熱、耐高溫、耐腐蝕、抗穿刺等特點，適用于工作環境溫度-15～40 ℃，物料溫度不超過50 ℃，主要用于各礦山、冶金、化工、糧食等企業的固體物料輸送。橡膠輸送帶包含3～5 層膠布，上下覆蓋膠厚度1.5～3 mm，整體厚度不超過6 mm。

（2）硅膠材料輸送帶，是以耐高溫、防腐、防火阻燃高強的玻璃纖維布，經有機硅橡膠壓延或浸漬而成，無毒無味，化學性質穩定，可用于-70～280 ℃的輸送作業，厚度通常在1～8 mm。

（3）PVC 聚氯乙烯材料輸送帶，織物層數一般在1～3 層，總厚度在1～11.5 mm，工作溫度范圍在-10～80 ℃，PVC 輸送帶彈性好、不易變形、耐磨、低噪聲、節能、環保，主要應用在食品、煙草、物流、包裝等行業，厚度一般在1～6 mm。

（4）PU 輸送帶，采用環保型材料聚氨酯（PU）作為輸送帶的生產原材料，符合食品衛生標準，可與食品直接接觸，廣泛應用于食品工業，厚度在0.5～8 mm。

（5）TPU 熱塑性聚氨酯彈性體橡膠材料輸送帶，總厚度在0.7～5.7 mm，通常用于輕質食品的輸送。

皮帶輸送機是輸送系統的關鍵設備，使用非常廣泛且數量龐大，皮帶跑偏是該類輸送設備最常見的故障。跑偏帶來的危害巨大，不僅影響系統安全穩定運行，嚴重時可能會損毀皮帶，給生產帶來影響，使產品中摻入破損的皮帶碎屑，尤其在散裝食品加工行業，這是無法容忍的事故。

圖1 為皮帶輸送機的俯視圖，墻板作為整個皮帶機主體支撐，柔性材料的皮帶繞輥軸一圈形成閉環。正常運轉情況下不允許皮帶與墻板接觸。

圖1 皮帶輸送機結構

1.2 皮帶跑偏原因

影響皮帶跑偏的因素主要有以下3 個方面：

（1）長時間運轉造成粉末物料粘附于托輥，使托輥表面產生不規則的凹凸，皮帶所受摩擦力由原來的平行于運行方向改變為具有一定垂直分量，從而導致皮帶往墻板方向偏移。

（2）皮帶老化變形，各截面所受張力不均衡。

（3）托輥之間平行度不夠，距離越遠平行度越難調節，機械位的晃動、軸承的磨損都會改變兩者之間的平行度，而且糾偏調節不是一勞永逸的，平行度會在運轉過程中持續改變。

通常的糾偏方式為停機離線檢修，包括：

（1）用刮刀定期清除粘附在托輥表面的積垢。

（2）皮帶變形嚴重時需要更換皮帶。

（3）測量兩側糾偏絲桿長度，邊調節絲桿邊觀測皮帶糾正情況。

1.3 檢測技術

目前，皮帶跑偏預警方式只能依靠設備維護人員定期巡視監測皮帶運行狀態，或者在關鍵點位安裝極限位檢測開關，當皮帶兩側邊緣觸碰到檢測開關時觸發報警。

檢測開關分為兩類：接觸式和非接觸式。兩種檢測方式都需在皮帶兩側墻板各安裝一個固定支架，使檢測元件介于皮帶邊緣與墻板之間，通常安裝位距離墻板40～50 mm。接觸式檢測元件一般采用微動開關，當皮帶左右偏移按壓到微動開關便會產生報警。接觸式檢測的缺點是檢測器件摩擦皮帶邊緣，可能造成皮帶損傷。非接觸式檢測元件一般為漫反射式光電開關，光電檢測照射面垂直于皮帶表面，正常情況下左右兩側的光電開關都照射不到皮帶表面，只有當皮帶往其中一邊偏移時，漫反射光電開關接收到反射信號，輸出報警信號。

2 在線檢測裝置

2.1 檢測裝置

分析現有的技術，均是極限位檢測法，只有當皮帶偏移到極限位時才能觸發報警，而不能對皮帶工作狀態進行實時監控，導致自動糾偏也難以實現。

研制一種數字量化的檢測系統，得到皮帶邊緣與墻板距離的具體數值，通過這個值便能計算分析出跑偏程度，進而實現精準糾偏。數字化檢測元器件種類繁多且應用成熟，例如激光測距儀、超聲波測距儀、拉繩編碼器等，都能測得模擬信號并轉換成具體的數據值，且測量精度高，可以達到微米級。結合企業的實際工況，決定采用非接觸式檢測，綜合考慮粉塵、環境溫濕度等外部的干擾，最終選擇超聲波測距儀作為研究方向。

研究的難點在于，不管采用何種檢測方式，被測物需要是一個平整的面，但是皮帶邊緣很薄，通常為1～6 mm。由于皮帶運行過程中會發生抖動，激光或超聲波發射出去，要通過皮帶邊緣有效反射回來比較困難。因此，將皮帶邊緣轉化成一個平整寬闊的反射面是設計研究的關鍵。

在本設計中，超聲波測距儀固定在支架上（圖2）。測距儀可在支架垂直方向上下移動，支架可固定在側墻板上，可水平方向上左右移動（圖3）。通過調節超聲波測距儀鎖緊螺母，可調節測距儀感應面與皮帶邊緣的距離。使超聲波測距儀在上下、左右、前后6 個方向都可以靈活調節，以適應不同的安裝環境。

圖2 超聲波測距儀固定支架

圖3 支架俯視圖

圖4 所示的檢測連桿裝置為本研究的核心，安裝在墻板。定滑輪一端懸掛平衡塊，另外一端連接反射板。反射板依靠彈簧力輕壓在皮帶邊緣，平衡塊所受的重力G 略小于彈簧的彈力，使反射板被彈簧頂著，跟隨皮帶的左右偏移同步移動。為了減小檢測裝置與皮帶邊緣的摩擦，并限制皮帶邊緣跳出檢測桿，裝置前端增加了凹形接觸滾輪，皮帶邊緣卡在凹槽內，滾輪伴隨皮帶運動而滾動（圖5）。超聲波測距儀測得傳感器到反射板的距離D，傳輸給工業控制PLC，經過計算即可得出皮帶邊緣到墻板的精確距L=D+d-l，d 為反射板與接觸滾輪之間的距離，l 為超聲波測距儀測量端面到墻板的距離。

圖4 檢測連桿

圖5 檢測系統整體結構

2.2 數據處理

通過檢測裝置測得連續穩定的模擬信號，經屏蔽電纜傳輸給PLC 的AI 模塊。正常合理范圍內、前后連續波動幅度不大的數據視為有效數據，程序自動過濾掉溢出的數據、保留有效數據。按照公式L=D+d-l，計算得到皮帶邊緣到墻板的實際距離L。

（1）畫面顯示數值：以往的檢測只能做到畫面顯示一個點，皮帶觸發了極限位檢測裝置后觸發這個點變色。現在能做到用阿拉伯數字顯示具體的數值，并且能精確到0.1 mm。

（2）報警提示：以往只有超出極限位報警，從而控制設備停機保護。現在可以做到在一定范圍內先預警，達到極限值時觸發極限報警才停機，給維護人員一定的緩沖時間。

（3）大數據分析：實時不間斷記錄L 的數值，形成坐標曲線。可通過分析軟件監視皮帶運行情況，對后期工作狀態作出預判，并實現保留歷史數據做到故障可追溯（圖6）。

圖6 程序控制流程

3 自動糾偏裝置

獲得實時的皮帶與墻板的相對位置后，即可利用其進一步實現皮帶的自動糾偏功能，具體原理為：糾偏托輥平行于主、從動輥，貼附于皮帶的內表面。糾偏輥一端用萬向軸承固定，另外一端連接伺服電機。糾偏輥通過鉸鏈與伸縮桿連接，使糾偏輥可在滑槽內平滑移動。糾偏輥貼著皮帶內表面做扇形運動，伺服電機的推進或回拉距離根據L 值確定，形成PID 閉環控制，根據實際跑偏情況驅動糾偏裝置對皮帶進行糾正。糾偏輥驅動皮帶糾偏的力為滾動摩擦力，該摩擦力較小，導致糾偏的幅度較小、效率較低，因此可根據皮帶寬度和主從動輥的間距，適當增加糾偏電機和糾偏輥的數量。圖7 中提供了4 組糾偏裝置。

圖7 糾偏系統示意

糾偏輥的驅動方式分為電機驅動、液壓驅動和氣壓驅動3 種。液壓和氣壓驅動需要配備額外的液壓裝置和壓縮空氣管路，且液壓系統存在漏液風險，食品加工企業較少使用。應用電機驅動最為便捷安全，此處選用了高精度的伺服電機。

伺服控制系統是一種對機械工作過程實現精細化控制的反饋控制系統，用于對機械運動的精密控制。PLC 控制器對系統給定值和反饋裝置檢測的實際運行值進行比較計算，調節控制量，控制信號發送給伺服控制器，伺服控制器按要求把恒壓恒頻的電網供電轉換為控制伺服電機所需的變頻交流電，驅動伺服電機執行指令動作。該動作最終通過連接機構傳遞給執行機構，完成設計所需的動作。

伺服系統有速度控制、轉矩控制、位置控制3 種控制方式，這里用到的是位置控制，其優點是反應速度快、控制精準。控制系統能夠準確地記錄零位和當前位置值，與檢測機構形成完善的PID 閉環控制。

4 結語

本文設計研究的皮帶跑偏在線檢測裝置彌補了現有極限位檢測的不足，通過創新設計的連桿滑輪式檢測機構可以精確地測量出皮帶到側墻板的距離，對跑偏程度進行實時監控，起到預警、報警的作用，同時為糾偏提供數據支持。并配合伺服糾偏機構形成PID 閉環控制，實現了自動化精準糾偏，杜絕輸送皮帶跑偏對設備及產品的危害，為工業自動化控制提供一種有效的技術解決方案。