黎偉雄，劉興樂

湖北中煙工業(yè)有限責任公司武漢卷煙廠，武漢市漢陽區(qū)龍陽大道特5號 430051

帶式輸送機是卷煙企業(yè)制絲車間的重要輔機設備之一，主要利用旋轉軸實現運動和動力傳遞，進而實現物料輸送功能，具有輸送距離長、運輸量大、運行穩(wěn)定可靠、可正反向運輸等特點，被廣泛應用于儲柜輸送和制絲生產線中［1-2］。在實際生產中，通常根據生產或工藝要求調整帶式輸送機的正、反運行方向，但由于設備故障或操作失誤，經常會出現實際運行方向與需求方向不一致等情況。因缺少對其實際運行方向的檢測裝置，運行方向信息無法及時反饋至控制系統進行報警或停止運行，由此影響生產效率，甚至導致物料混牌，造成質量事故。對此已有大量相關研究，付勝等［3］提出了一種在線激光輔助視覺檢測方法，能夠準確、及時地判斷帶式輸送機輸送帶縱向撕裂故障；黃孝雄等［4］通過分析輸送帶斷帶過程中的檢測信號，利用光電編碼器和單片機設計了一種斷帶檢測裝置；尹兆明［5］基于多體動力學對輸送帶跑偏狀態(tài)進行了研究；盛濤等［6］通過研究帶式輸送機的運行特點，設計了一種新型帶速檢測裝置；侯俊峰［7］利用接近開關檢測被動帶輥的周期性轉動情況，用于判定輸送帶的運行狀態(tài)是否正常；馬宏偉等［8］利用采集的紅外圖像對帶式輸送機關鍵部件的故障等級進行判斷和故障預警；王阿根［9］采用旋轉編碼器、速度繼電器用于檢測旋轉軸的運轉方向，但該技術使用范圍有限，且缺乏一定的靈活性［10-11］。為此，設計了一種旋轉軸方向檢測裝置，基于嚙合齒輪和單向離合器的相對運動關系，將方向檢測轉換為接近開關信號檢測，以期能夠快速反饋帶式輸送機的運行狀態(tài)，防止出現質量事故。

1 系統設計

1.1 結構組成

旋轉軸正反向檢測裝置主要包括相互嚙合的主動齒輪和從動齒輪，見圖1。主動齒輪安裝在旋轉軸末端，從動齒輪安裝在與旋轉軸平行的固定軸上。主動齒輪中心孔安裝有與旋轉軸連接的第一單向離合器，從動齒輪中心孔安裝有與固定軸連接的第二單向離合器；兩個單向離合器均選用可隨旋轉方向變化而自動契合或脫開的離合器，且反向安裝，既可傳遞主動齒輪和從動齒輪的轉矩，也可切斷轉矩，實現方向檢測功能。從動齒輪上安裝有感應塊，感應塊附近安裝有接近開關，接近開關信號輸出端與PLC控制器連接。

圖1 旋轉軸方向檢測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of direction detector for rotating shaft

根據相對運動關系，當旋轉軸順時針轉動時，帶動第一單向離合器內座圈旋轉，其外座圈因單向鎖止原因也順時針旋轉，進而通過第一平鍵帶動主動齒輪順時針旋轉；通過齒輪嚙合，帶動從動齒輪逆時針旋轉，進而帶動第二單向離合器外座圈逆時針旋轉，其內座圈與固定軸相對固定不動；從動齒輪的感應塊隨從動齒輪轉動，被接近開關間歇式檢測，并將檢測信號反饋至PLC控制器。在此過程中，根據輸出的波動信號周期，可判定為旋轉軸順時針轉動，其計算公式為：

式中：T—輸出的波動信號周期，s；m1—主動齒輪模數；Z1—主動齒輪齒數；m2—從動齒輪模數；Z2—從動齒輪齒數；n0—旋轉軸轉速，r/min。

當旋轉軸逆時針轉動時，帶動第一單向離合器內座圈旋轉，其外座圈因未鎖止而靜止不動；當第一單向離合器的外座圈有可能被帶動逆時針旋轉時，根據單向離合器的傳動原理，會被第二單向離合器外座圈順時針鎖止而無法旋轉，此時從動齒輪不轉動，感應塊沒有被接近開關間歇式檢測，無信號反饋至PLC控制器。由此，可判定為旋轉軸逆時針轉動。

1.2 控制梯形圖

本裝置中采用AB-5000 PLC控制器實現旋轉方向檢測。設電機順時針旋轉接觸器為KM1，逆時針旋轉接觸器為KM2，輔助繼電器M1、M2分別為正轉和反轉方向信號，M0為接近開關檢測信號。根據旋轉方向檢測原理設計控制梯形圖，見圖2。當旋轉軸順時針轉動時，KM1得電吸合，此時第二單向離合器逆時針旋轉，接近開關檢測到信號，繼電器M1線圈得電自鎖；當旋轉軸逆時針轉動時，KM2得電吸合，此時第二單向離合器靜止，接近開關未能檢測到信號，繼電器M2線圈得電自鎖。

圖2 旋轉軸方向檢測梯形圖Fig.2 Ladder chart of direction detecting for rotating shaft

2 應用效果

2.1 試驗設計

設備：制絲生產線雙向帶式輸送機（秦皇島煙草機械有限責任公司），旋轉軸轉速為63.55 r/min，皮帶寬度為900 mm，長度為9 450 mm；旋轉軸方向檢測裝置（自制），其主動齒輪、從動齒輪的模數和齒數均相同，模數為10，齒數為21。

測試方法：①在無料情況下，人工改變帶式輸送機旋轉軸的方向，觀察5 s內PLC控制器接收到波形信號變化；②記錄檢測裝置安裝前、后各3次的維護響應時間，取平均值。

2.2 數據分析

2.2.1 檢測準確率

由圖3可見：①無信號波動時，旋轉軸運行方向為逆時針轉動；當信號出現周期性波動時，旋轉軸運行方向為順時針轉動，因此通過信號的有無即可判定旋轉軸方向。經過多次測試，檢測準確率達到100%。②當旋轉軸順時針轉動時，信號周期為0.94 s，為旋轉軸轉速的倒數。

圖3 旋轉軸檢測信號對比Fig.3 Comparison of detection signals of rotating shaft

2.2.2 維護響應時間

維護響應時間是設備出現異常開始到維護人員到達地點進行維護的時間。改進前主要依靠操作人員巡查發(fā)現異常情況，因此存在偶然性和不確定性，且響應時間較長；安裝該檢測裝置后，維護響應時間由16 min縮短到11 min（表1），能夠及時檢測到異常情況并發(fā)出報警，有效提高了生產效率。

表1 改進前后維護響應時間對比Tab.1 Comparison of maintenance response time before and after modification（min）

3 結論

為實時反饋帶式輸送機的運行狀態(tài)，針對制絲設備的工作特點，設計了一種旋轉軸方向檢測裝置，利用一對嚙合齒輪和兩個單向離合器的相對運動關系，將旋轉軸的運行方向檢測轉換為接近開關信號檢測，并通過PLC控制器進行判斷，實現方向檢測功能。以雙向帶式輸送機為對象進行測試，結果表明：①安裝旋轉軸方向檢測裝置后，能夠準確反饋帶式輸送機的實際運行狀態(tài)，檢測準確率達到100%，維護響應時間縮短5 min；②該裝置在生產線防錯、糾錯控制設計、預防質量事故等方面應用效果良好，可有效提高制絲生產過程控制水平。