羅 民，余 攀，夏 祥，簡著名，張中武，辛子健

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)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(qū)動以連續(xù)方式運輸物料的機械。主要結(jié)構(gòu)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(xù)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(shè)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(xù)的具體數(shù)值。

1 背景技術(shù)

1.1 皮帶輸送機基本結(jié)構(gòu)

皮帶輸送機在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，用于輸送煤炭、包裹、食品等固體物料，是一種依靠摩擦驅(qū)動的，以連續(xù)方式運輸物料的機械，主要結(jié)構(gòu)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(gòu)又是承載機構(gòu)，負載與皮帶之間沒有相對運動。物料由喂料端喂入，落在轉(zhuǎn)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(huán)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(yè)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(jīng)有機硅橡膠壓延或浸漬而成，無毒無味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可用于-70～280 ℃的輸送作業(yè)，厚度通常在1～8 mm。

（3）PVC 聚氯乙烯材料輸送帶，織物層數(shù)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(jié)能、環(huán)保，主要應(yīng)用在食品、煙草、物流、包裝等行業(yè)，厚度一般在1～6 mm。

（4）PU 輸送帶，采用環(huán)保型材料聚氨酯（PU）作為輸送帶的生產(chǎn)原材料，符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，可與食品直接接觸，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，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(zhì)食品的輸送。

皮帶輸送機是輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，使用非常廣泛且數(shù)量龐大，皮帶跑偏是該類輸送設(shè)備最常見的故障。跑偏帶來的危害巨大，不僅影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，嚴重時可能會損毀皮帶，給生產(chǎn)帶來影響，使產(chǎn)品中摻入破損的皮帶碎屑，尤其在散裝食品加工行業(yè)，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(huán)。正常運轉(zhuǎn)情況下不允許皮帶與墻板接觸。

圖1 皮帶輸送機結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)造成粉末物料粘附于托輥，使托輥表面產(chǎn)生不規(guī)則的凹凸，皮帶所受摩擦力由原來的平行于運行方向改變?yōu)榫哂幸欢ù怪狈至?，從而?dǎo)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(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)不是一勞永逸的，平行度會在運轉(zhuǎn)過程中持續(xù)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(cè)糾偏絲桿長度，邊調(diào)節(jié)絲桿邊觀測皮帶糾正情況。

1.3 檢測技術(shù)

目前，皮帶跑偏預(yù)警方式只能依靠設(shè)備維護人員定期巡視監(jiān)測皮帶運行狀態(tài)，或者在關(guān)鍵點位安裝極限位檢測開關(guān)，當(dāng)皮帶兩側(cè)邊緣觸碰到檢測開關(guān)時觸發(fā)報警。

檢測開關(guān)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(cè)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(guān)，當(dāng)皮帶左右偏移按壓到微動開關(guān)便會產(chǎn)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(guān)，光電檢測照射面垂直于皮帶表面，正常情況下左右兩側(cè)的光電開關(guān)都照射不到皮帶表面，只有當(dāng)皮帶往其中一邊偏移時，漫反射光電開關(guān)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(xiàn)有的技術(shù)，均是極限位檢測法，只有當(dāng)皮帶偏移到極限位時才能觸發(fā)報警，而不能對皮帶工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，導(dǎo)致自動糾偏也難以實現(xiàn)。

研制一種數(shù)字量化的檢測系統(tǒng)，得到皮帶邊緣與墻板距離的具體數(shù)值，通過這個值便能計算分析出跑偏程度，進而實現(xiàn)精準(zhǔn)糾偏。數(shù)字化檢測元器件種類繁多且應(yīng)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(zhuǎn)換成具體的數(shù)據(jù)值，且測量精度高，可以達到微米級。結(jié)合企業(yè)的實際工況，決定采用非接觸式檢測，綜合考慮粉塵、環(huán)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(fā)生抖動，激光或超聲波發(fā)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(zhuǎn)化成一個平整寬闊的反射面是設(shè)計研究的關(guān)鍵。

在本設(shè)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(cè)墻板上，可水平方向上左右移動（圖3）。通過調(diào)節(jié)超聲波測距儀鎖緊螺母，可調(diào)節(jié)測距儀感應(yīng)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(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的安裝環(huán)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(nèi)，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(yè)控制PLC，經(jīng)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過檢測裝置測得連續(xù)穩(wěn)定的模擬信號，經(jīng)屏蔽電纜傳輸給PLC 的AI 模塊。正常合理范圍內(nèi)、前后連續(xù)波動幅度不大的數(shù)據(jù)視為有效數(shù)據(jù)，程序自動過濾掉溢出的數(shù)據(jù)、保留有效數(shù)據(jù)。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(shù)值：以往的檢測只能做到畫面顯示一個點，皮帶觸發(fā)了極限位檢測裝置后觸發(fā)這個點變色?，F(xiàn)在能做到用阿拉伯?dāng)?shù)字顯示具體的數(shù)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(shè)備停機保護?，F(xiàn)在可以做到在一定范圍內(nèi)先預(yù)警，達到極限值時觸發(fā)極限報警才停機，給維護人員一定的緩沖時間。

（3）大數(shù)據(jù)分析：實時不間斷記錄L 的數(shù)值，形成坐標(biāo)曲線?？赏ㄟ^分析軟件監(jiān)視皮帶運行情況，對后期工作狀態(tài)作出預(yù)判，并實現(xiàn)保留歷史數(shù)據(jù)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)平滑移動。糾偏輥貼著皮帶內(nèi)表面做扇形運動，伺服電機的推進或回拉距離根據(jù)L 值確定，形成PID 閉環(huán)控制，根據(jù)實際跑偏情況驅(qū)動糾偏裝置對皮帶進行糾正。糾偏輥驅(qū)動皮帶糾偏的力為滾動摩擦力，該摩擦力較小，導(dǎo)致糾偏的幅度較小、效率較低，因此可根據(jù)皮帶寬度和主從動輥的間距，適當(dāng)增加糾偏電機和糾偏輥的數(shù)量。圖7 中提供了4 組糾偏裝置。

圖7 糾偏系統(tǒng)示意

糾偏輥的驅(qū)動方式分為電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動3 種。液壓和氣壓驅(qū)動需要配備額外的液壓裝置和壓縮空氣管路，且液壓系統(tǒng)存在漏液風(fēng)險，食品加工企業(yè)較少使用。應(yīng)用電機驅(qū)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(tǒng)是一種對機械工作過程實現(xiàn)精細化控制的反饋控制系統(tǒng)，用于對機械運動的精密控制。PLC 控制器對系統(tǒng)給定值和反饋裝置檢測的實際運行值進行比較計算，調(diào)節(jié)控制量，控制信號發(fā)送給伺服控制器，伺服控制器按要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為控制伺服電機所需的變頻交流電，驅(qū)動伺服電機執(zhí)行指令動作。該動作最終通過連接機構(gòu)傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，完成設(shè)計所需的動作。

伺服系統(tǒng)有速度控制、轉(zhuǎn)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(yōu)點是反應(yīng)速度快、控制精準(zhǔn)。控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地記錄零位和當(dāng)前位置值，與檢測機構(gòu)形成完善的PID 閉環(huán)控制。

4 結(jié)語

本文設(shè)計研究的皮帶跑偏在線檢測裝置彌補了現(xiàn)有極限位檢測的不足，通過創(chuàng)新設(shè)計的連桿滑輪式檢測機構(gòu)可以精確地測量出皮帶到側(cè)墻板的距離，對跑偏程度進行實時監(jiān)控，起到預(yù)警、報警的作用，同時為糾偏提供數(shù)據(jù)支持。并配合伺服糾偏機構(gòu)形成PID 閉環(huán)控制，實現(xiàn)了自動化精準(zhǔn)糾偏，杜絕輸送皮帶跑偏對設(shè)備及產(chǎn)品的危害，為工業(yè)自動化控制提供一種有效的技術(shù)解決方案。