皮帶跑偏報警系統的設計與應用

張敬沖，周楷博，關 凱，倪琪博

（山東中煙工業有限責任公司滕州卷煙廠，山東棗莊 277500）

0 引言

煙草加工行業中，皮帶輸送機因其具有輸送能力范圍廣、輸送線路適應性強、高可靠性以及低成本等優點，廣泛應用于煙片、煙絲等物料的輸送。由于主機設備布局要求和場地大小等限制，輸送帶的長度也不一致，短則數米，長則可以達到數十米，而且皮帶本身具有一定的彈性，在輸送物料的過程中如遇受力不均或其它外力影響時會發生不同程度的偏置，輕微的偏置對正常的輸送影響不大，但是偏置達到一定程度會導致皮帶磨損、傳輸阻力變大影響傳輸效率，甚至會導致設備無法正常運行，進而影響整體的生產進度[1]、破壞生產的連續性。有學者實現了基于計算機視覺[2]的和視頻圖像[3-4]帶式輸送機跑偏檢測；還有學者提出一種基于BP 神經網絡的皮帶跑偏檢測方法，采用礦用攝像儀獲取帶式輸送機工作面視頻，通過訓練好的網絡模型完成對皮帶跑偏狀態的檢測[5]；SERRANO J R 等人[6]研究了靜態糾偏的方法，王東亮[7]針對動態糾偏開發了一套集跑偏檢測、糾偏、保護功能為一體，不需要人工干預的主動糾偏系統，并根據動態糾偏數據分析，給出靜態糾偏建議。但是這些方法成本相對較高，因此研制一種柔性皮帶偏置報警系統，適應各種規格的皮帶裝置，在皮帶偏置達到一定程度時即時預警，以便維修人員快速響應，妥善處理，成為必須要解決的問題。

1 皮帶報警系統要求分析

根據實際生產情況和設備結構現狀，整理出所需皮帶報警系統需要滿足以下4 個要求：

（1）皮帶跑偏報警系統需要有機械裝置部分、信號接收傳遞部分、顯示終端。

（2）皮帶輸送機整體長度較長，但是皮帶側邊和機架距離較近，留給報警裝置的可安裝空間較小，在4 cm×4 cm×4 cm 的范圍內，因此報警裝置的整體結構非常緊湊，且需要可以實現將皮帶的側壓力轉化為觸發報警開關的力的功能。

（3）報警裝置需要可以調節靈敏度，對皮帶不同程度的跑偏進行報警。

（4）當皮帶跑偏到設定的程度時，該裝置可以發出信號到現場操作屏和維修人員手機客戶端。

2 皮帶跑偏報警系統機械裝置部分的結構設計

根據上述對皮帶跑偏報警系統的設計要求，將機械裝置分為以下4 部分，分別為機架、位置調整裝置、傳動組件和監測組件。

2.1 機架

機架包含支撐機架和連接機架，支撐機架通過銷釘與上、下拖桿連接；連接機架上有滑槽，用來與滑塊連接，且連接機架上留有安裝報警器的位置；連接機架插入支撐機架的套筒中，其相對位置可以通過調節連接機架插入套筒的深度進行調節（圖1）。

圖1 皮帶跑偏報警裝置整體結構

2.2 位置調整組件

位置調整組件由固定塊、滑塊和機架共同組成，滑塊兩側均有滑軌，一側與固定塊有燕尾槽的一側配合，另一側與連接機架上的燕尾槽配合，可以實現裝置整體的上、下、左、右方向的滑動，裝置整“前、后”方向的調節通過調節連接機架和支撐機架的相對位置完成。滑塊和固定塊、連接機架的相對位置固定采用旋緊對應位置的螺旋銷釘完成，連接機架和支撐機架的相對位置固定可以通過將螺釘旋入套筒預留的螺紋孔直至旋緊完成。

2.3 傳動組件

傳動組件由滾珠軸承、上拖桿、下拖桿、彈簧和調節螺栓組成。滾珠軸承旋入上拖桿的預留螺紋孔中，滾珠與皮帶側面接觸；上托桿和下拖桿分別通過銷釘固定在支撐機架上，且銷釘上有軸套防止上、下拖桿沿軸向竄動，上拖桿下部和下拖桿上部均有撥片；下拖桿上預留有螺紋孔和通孔，且二者連通，彈簧插入通孔、調節螺栓旋入螺紋孔中，彈簧的另一端與報警器觸發開關接觸；這樣就形成了一個完整的傳動路線，即：當皮帶跑偏觸發滾動軸承偏置，滾動軸承帶動上拖桿發生偏轉，上拖桿通過撥片將力傳給下拖桿，下拖桿沿銷釘軸心發生相對轉動，帶動彈簧進一步擠壓報警器觸發開關形成報警信號。

為了提高該裝置的報警靈敏度，利用力與力矩的關系F1×L1=F2×L2把來自皮帶的力F1放大（來自皮帶較小的側壓力也可以放大），進而反饋到報警器觸發報警，以增大該裝置的利用范圍（圖2）。

圖2 利用力學原理放大力示意

2.4 監測組件

監測組件是一個具有自發電功能且帶有觸點信號的發射器，該信號發射器固定在連接機架背離滑塊一側，正常狀態是與彈簧處于接觸但非受力狀態，當皮帶跑偏時，擠壓力通過傳動組件傳遞到彈簧端觸發信號發射器觸點，進而發出報警信號。

3 皮帶跑偏報警裝置的組裝應用

3.1 裝置的組裝和安裝

根據設計圖紙加工零件，加工完成后對零件進行組裝（圖3）。

圖3 組裝完成后的裝置

裝置設計時充分考慮了與皮帶輸送機連接的問題，在固定塊上設置了兩個軸，一個上面有螺紋，用來配合螺栓連接在皮帶設備的機架上，另一個表面光滑，用來定位以及防止受力時裝置相對皮帶機架轉動。裝置利用皮帶輸送機現有的安裝預留孔進行安裝，且安裝后穩定、牢固（圖4）。

圖4 在皮帶輸送機上安裝完成的裝置

3.2 信號連通

裝置機械部分安裝完成后，需要對信號轉換和傳輸部分進行安裝調試，安裝調試主要包含3 個步驟：

（1）在PLC 內安裝信號接收器，接收器由空氣閘刀控制供斷電；信號接收器與轉換器相連，當接收器收到報警信號后，轉換器內的觸點閉合，將220 V 報警信號轉換為24 V 程序信號，然后將程序信號傳遞給PLC（圖5、圖6）。

圖5 信號接收及轉換示意

圖6 信號接收器和空氣開關

（2）編寫程序，當PLC 接收24 V 弱電信號時，將報警信息顯示在操作屏上。

（3）將程序接入TsPM 系統，當發生皮帶跑偏報警時維修工在手機終端可以收到報警信息，及時處理故障。

3.3 模擬試驗驗證

在完成機械裝置整體組裝和聯通信號后，手動模擬皮帶跑偏情況，給滾動軸承一個擠壓力，觸發了報警器，機械裝置上報警發射器發出報警信號后現場操作觸控屏上即刻出現報警信息（圖7）。同時該片區責任維修人員手機中段接收到報警短信提醒（圖8）。

圖7 現場操作觸控屏顯示報警信息

圖8 維修人員手機終端報警短信提醒

由于皮帶跑偏方向是隨機的，因此該裝置需要成對使用，沿皮帶運行的方向對稱安裝。而皮帶長度較長，發生跑偏的位置也不固定，因此在皮帶的兩端和中間位置各安裝一組、共計6 個報警裝置。完成安裝后，為驗證該系統的有效性和準確率，對同一條皮帶輸送機上安裝的6 個裝置分別進行了10 次模擬跑偏實驗，跑偏的臨界值調整為1.0 cm 和1.5 cm。對應的皮帶跑偏模擬值分別設置為0.5 cm、1.5 cm 和1.0 cm、2.0 cm，并分別統計報警結果（表1、表2）。

表1 跑偏臨界值為1.0 cm 時裝置報警情況

表2 跑偏臨界值為2.0 cm 時裝置報警發生情況

從表1 和2 可以看出，在不同臨界值的情況下皮帶機各位置的報警準確率為100%。因此，該系統可以有效對皮帶跑偏的情況進行預警，并根據實際需要調整報警臨界值。

3.4 應用情況跟蹤

在試驗驗證完該裝置的有效性和準確率后，在車間所有長度大于10 m 的25 臺皮帶輸送機上投入使用，對使用情況進行了一個月的跟蹤。發現皮帶發生跑偏到達設定的臨界值后裝置均發出了報警信號，維修人員及時對皮帶進行了糾偏，未發生因皮帶跑偏過大導致的停車或質量問題。

4 結束語

本文從企業生產實際出發，分析了皮帶跑偏報警系統的設計、加工、組裝和安裝試運行，并對該報警系統的有效性和準確率進行了充分的試驗驗證。結果顯示，該裝置的報警準確率為100%；通過對實際投入使用后的情況進行跟蹤可以得出：該報警系統對于皮帶跑偏的及時預警有效可靠，可以有效防止因皮帶跑偏導致的生產中斷和產品質量不符合要求情況的發生，為企業帶來一定的經濟效益。