王 偉

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.晉城煤業(yè)集團(tuán) 五臺(tái)鋪煤礦，山西 晉城 048006）

帶式輸送機(jī)具有長(zhǎng)距離連續(xù)輸送、輸送量大、運(yùn)行可靠、效率高、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[1]獲得廣泛應(yīng)用。然而，必須妥善解決其膠帶“跑偏”。由于“跑偏”不僅影響膠帶機(jī)順利運(yùn)輸，而且影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，已經(jīng)引起相關(guān)專業(yè)人員的普遍關(guān)注。當(dāng)前解決膠帶跑偏的主要措施為兩種：一種是停機(jī)后人工對(duì)托輥組或滾筒的位置進(jìn)行糾正；另一種是在膠帶機(jī)上每隔6-10組托輥增設(shè)一組調(diào)心托輥組，（發(fā)揮一定程度的糾偏功能，又分無(wú)源糾偏托輥組和有源糾偏托輥組)。第一種方法糾正中需停機(jī)，既影響生產(chǎn)，又耗費(fèi)人力。第二種方法的無(wú)源糾偏裝置只在一定程度上對(duì)跑偏膠帶有糾偏作用，屬于被動(dòng)糾偏，不能完全將膠帶回歸到原來(lái)的正常位置，且其安裝的檢測(cè)輪會(huì)損壞膠帶邊緣，有源糾偏裝置雖能在膠帶發(fā)生跑偏時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)膠帶進(jìn)行主動(dòng)糾偏，但其動(dòng)力源多用液壓系統(tǒng)和液壓站，糾偏裝置復(fù)雜、成本高、不宜維護(hù)，由于其是開(kāi)關(guān)量檢測(cè)方法，糾偏過(guò)程中波動(dòng)量大、穩(wěn)定性差、調(diào)節(jié)頻繁。本文在分析有源和無(wú)源糾偏裝置的基礎(chǔ)上，融入智能控制技術(shù)，選用價(jià)格低廉而性能穩(wěn)定的電子元件作為硬件進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一種電力驅(qū)動(dòng)的、能對(duì)膠帶位置進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)反饋控制的自動(dòng)糾偏裝置；將從很大程度上，改善糾偏裝置的工作性能，為膠帶機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)輸提供新而有力的保障。

1 膠帶跑偏原因分析與糾偏裝置方案設(shè)計(jì)

1）膠帶跑偏原因分析：運(yùn)輸機(jī)膠帶的“跑偏”是指其運(yùn)行過(guò)程中輸送帶超出技術(shù)規(guī)范允許范圍的異?，F(xiàn)象[2]。膠帶跑偏嚴(yán)重約束著運(yùn)輸能力，影響著生產(chǎn)，威脅著設(shè)備和人員的安全。對(duì)其跑偏原因的研究表明，輸送帶接頭不平直、機(jī)架歪斜導(dǎo)料槽兩側(cè)的橡膠板壓力不均勻，屬于由安裝誤差引起的；滾筒、托輥粘料、物料分布不均勻，是引起跑偏的主要因素。運(yùn)用力學(xué)原理分析后，無(wú)論那種原因引起跑偏，跑偏過(guò)程均起于膠帶在橫向額外受力的作用，跑偏后又產(chǎn)生一個(gè)與初始橫向力相反的反作用力，該力漸與橫向力大小相等，最后膠帶維持在跑偏位置運(yùn)行。為了使跑偏不發(fā)生，必須及時(shí)檢測(cè)膠帶位置及變化趨勢(shì)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，提供給膠帶一個(gè)將橫向力抵消的力。

2）糾偏方案設(shè)計(jì):據(jù)上分析，擬定了圖1的自動(dòng)糾偏裝置的方案。糾偏裝置被控對(duì)象為膠帶，間接被控對(duì)象為托輥架，采用電力拖動(dòng)形式，設(shè)置有控制器和檢測(cè)裝置。

圖1 自動(dòng)糾偏裝置方案簡(jiǎn)圖

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以改進(jìn)TD75型（帶寬1 200 mm）膠帶運(yùn)輸機(jī)為例，根據(jù)其承載能力和糾偏原理設(shè)計(jì)了糾偏裝置的機(jī)械系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中將整機(jī)分為基座、托輥架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分，基座與托輥架之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副在工作中要承擔(dān)膠帶及物料重量，要在大載荷下靈活旋轉(zhuǎn)，因此是關(guān)鍵部件，采取了止推軸承和徑向軸承組合的聯(lián)接形式?；浅袚?dān)整機(jī)重量、膠帶及物料重量，糾偏時(shí)產(chǎn)生的附加力及扭矩的部件，還需考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝，因此，設(shè)計(jì)時(shí)注重了強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的合理性與緊湊性。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠傳動(dòng)，因其傳動(dòng)比大、可降低工作阻力，不僅能降低對(duì)原動(dòng)機(jī)的要求，并使原動(dòng)機(jī)體積更小、成本更低、且有一定的自鎖功能。吸收傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并運(yùn)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)糾偏裝置機(jī)械系統(tǒng)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）模糊控制技術(shù)特點(diǎn)：為解決糾偏過(guò)程中的超調(diào)，震蕩等問(wèn)題，必須選擇適合控制對(duì)象的控制系統(tǒng)。模糊控制（Fuzzy Control）技術(shù)是近代控制理論中的高級(jí)策略和新穎技術(shù)，采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，利用現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)進(jìn)行控制，特點(diǎn)在于：設(shè)計(jì)中不需建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而使控制機(jī)理和策略易于接受理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用。模糊控制是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，有一定的智能水平。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。基于這些特點(diǎn)，本文采用模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)糾偏裝置。

2）模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：選擇膠帶的位置偏差E和位置變化速率Ec作為模糊控制系統(tǒng)輸入，絲杠每個(gè)控制周期T內(nèi)輸出的轉(zhuǎn)數(shù)做為輸出u。①定義輸入輸出模糊集：根據(jù)模糊控制原理需將偏差E、偏差變化率Ec控制量u的模糊集及其論域定義如下：E、Ec和u模糊集均為｛NB（負(fù)大）、NS（負(fù)?。?、O（零）、PS（正?。?、PB（正大）｝，E、Ec的論域?yàn)閧-3、-2、-1、0 1、2、3}，u的論域?yàn)?{-4、-3、-2 、-1、0、1、2、3 、4}。②確定隸屬度:根據(jù)模糊集求得，輸入輸出變量的模糊劃分表，如表1和表2所示。

表1 E/Ec的模糊劃分表

表2 u的模糊劃分表

③建立模糊規(guī)則：目的是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)思維推理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差變化趨勢(shì)來(lái)消除系統(tǒng)誤差。這里設(shè)計(jì)出了規(guī)則共25條：（1）若E正大且Ec正大，則n正大；（2）若E正大且Ec正小，則正大；……（24）若E負(fù)大且Ec負(fù)小，則n負(fù)大；（25）若E負(fù)大且Ec負(fù)大，則n負(fù)大；④計(jì)算模糊關(guān)系矩陣:根據(jù)模糊規(guī)則及模糊關(guān)系計(jì)算規(guī)則，最終得到模糊關(guān)系矩陣：

4 Adams與Matlab聯(lián)合仿真

使用Adams和Matlab的聯(lián)合仿真，無(wú)需制作物理樣機(jī)就能隨時(shí)對(duì)虛擬樣機(jī)的整體特性進(jìn)行仿真測(cè)試，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果[3]。糾偏裝置是個(gè)非線性系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，建立難度大，上述兩軟件的聯(lián)合仿真技術(shù)適用于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，通過(guò)仿真可預(yù)知系統(tǒng)的工作性能。具體方案為：首先在Solidworks中建立三維模型，然后導(dǎo)入Adams中，建立合理的運(yùn)動(dòng)副，運(yùn)用Adams/Controls模塊交互運(yùn)行文件，利用通用控制系統(tǒng)軟件Matlab建立控制系統(tǒng)框圖；最終建立包括控制系統(tǒng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型。

1）仿真的設(shè)置與實(shí)施：定義絲杠螺母與絲杠支撐座的間距L為輸入狀態(tài)變量，托輥架與基座的角度為輸出狀態(tài)量，最后將兩個(gè)量轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜跈C(jī)電聯(lián)合仿真用的輸入輸出宏，激勵(lì)信號(hào)模擬使托輥架繞基座旋轉(zhuǎn)到15°，仿真時(shí)間設(shè)為10 s，聯(lián)合仿真模型見(jiàn)圖3和圖4。模型中的模糊控制器輸出為轉(zhuǎn)數(shù)，因此設(shè)置一比例環(huán)節(jié)（表示絲杠導(dǎo)程的大?。┎拍苻D(zhuǎn)化為絲杠螺母的線性位移，最終作用在托輥架并使之旋轉(zhuǎn)，完成控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

圖3 Adams中的機(jī)械系統(tǒng)模型

圖4 Matlab中的控制系統(tǒng)模型

2）仿真的結(jié)果：聯(lián)合仿真，后得到的仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。從仿真曲線看出，托輥架在控制器的控制下到達(dá)預(yù)控制位置，該過(guò)程上升時(shí)間Tr約1 s，調(diào)整時(shí)間Ts約3 s，雖有一定的超調(diào)量，但因膠帶糾偏過(guò)程存在滯后，這種短時(shí)間的超調(diào)不會(huì)對(duì)糾偏效果產(chǎn)生明顯不利影響。再者，系統(tǒng)存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差（ess≈6%），但可滿足工程要求。綜上表明，這種基于模糊技術(shù)的控制器能完成非線性復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的控制任務(wù)，該機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合情況較好。但因糾偏過(guò)程中，膠帶的位置變化受多方因素影響，將膠帶并于系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仍需工程中進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)。

圖5 聯(lián)合仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了運(yùn)輸機(jī)膠帶“跑偏”的原因，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了自動(dòng)糾偏裝置機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并基于Solidworks平臺(tái)建立了三維模型，在分析模糊控制技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模糊控制系統(tǒng)，運(yùn)用Adams和Matlab對(duì)該機(jī)電裝置進(jìn)行了聯(lián)合仿真，結(jié)果表明：將模糊控制技術(shù)與設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合而成的機(jī)電裝置在膠帶工作中能夠調(diào)節(jié)準(zhǔn)確及時(shí)、工作穩(wěn)定，具有新的啟發(fā)意義。

[1] 吳明龍.煤礦井下用帶式輸送機(jī)技術(shù)發(fā)展方向[J].煤礦機(jī)電，2000（5）：66.

[2] 王鳳林，宋連英，李素敏.帶式輸送機(jī)常見(jiàn)跑偏問(wèn)題的分析與處理[J].煤礦機(jī)械，2008（10）：177-178.

[3] 熊光楞，郭斌，陳曉波，等.協(xié)同仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.