◎ 徐子鋒，任書杰，王帥國，趙 征，韓曉燁，王康興

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

耐磨鋼板因其耐磨性、成本低、易于加工等優(yōu)勢，被廣泛用于散糧發(fā)運(yùn)設(shè)備的殼體與關(guān)鍵性部位。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于大量物料的沖擊與內(nèi)部其他部件的摩擦，耐磨鋼板部分會(huì)出現(xiàn)過度磨損，且在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，這種磨損很難預(yù)測。因此，設(shè)備維護(hù)人員只能在物料發(fā)生撒漏堆積后，才能發(fā)現(xiàn)鋼板出現(xiàn)了穿孔性損傷。這一問題不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)成本、人力成本的增加，也不利于安全生產(chǎn)。

1 散糧機(jī)械易破損部件介紹

1.1 殼體部分

殼體是散糧機(jī)械設(shè)備的重要組成部分，以刮板機(jī)為例。刮板機(jī)是一種常用的糧食輸送設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。刮板機(jī)以多塊耐磨鋼板采用焊接或翻邊法蘭連接組成，內(nèi)部采用翻版鏈條在內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)物料。驅(qū)動(dòng)方式通常采用變頻器驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速箱，并配備有斷鏈、堵塞等保護(hù)裝置。

圖1 刮板機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在刮板機(jī)中，直接與物料接觸的部分為鏈條和殼體。其中，鏈條由耐磨鋼材鍛造成型，在殼體內(nèi)部有鏈條的兩側(cè)刮板帶動(dòng)糧食運(yùn)動(dòng)，如圖2 所示。殼體是將物料保持在機(jī)械內(nèi)部的關(guān)鍵，刮板鏈條帶動(dòng)物料在殼體鋼板上摩擦，殼體材料目前主流采用10 mm 耐磨鋼板，在大量的物料摩擦下，鋼板的材料極易產(chǎn)生磨損。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著刮板鏈條的運(yùn)轉(zhuǎn)，其長度會(huì)慢慢增長，從而與底部殼體產(chǎn)生摩擦。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的震動(dòng)、物料的不均勻、鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長沒有及時(shí)張緊，當(dāng)這幾個(gè)因素同時(shí)作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鏈條摩擦到側(cè)面殼體。

圖2 鏈條結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 翻版部分

翻版部分的應(yīng)用場景主要在電子翻版的活動(dòng)部件，這一設(shè)備的功能是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)翻版，讓糧食在不同流程的情況下去往不同地點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 翻版結(jié)構(gòu)示意圖

翻版作為活動(dòng)部件，在運(yùn)行中會(huì)直接接觸物料，物料經(jīng)由重力沖擊其與殼體的接觸部分。當(dāng)翻版被物料摩擦產(chǎn)生形變后，其與殼體的配合便不再緊密，當(dāng)配合縫隙過大時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)物料撒漏，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)不同物料的混質(zhì)，引發(fā)質(zhì)量問題。

1.3 滑動(dòng)門部分

滑動(dòng)門是散糧系統(tǒng)常用機(jī)械，大多設(shè)計(jì)在倉底與倉頂，其結(jié)構(gòu)為電機(jī)帶動(dòng)一塊裝有齒條的耐磨鋼板，在專門的框架中做橫向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到控制開合的目的，如圖4 所示。倉底的滑動(dòng)門在工作中承擔(dān)控制物料出倉的作用，倉頂?shù)幕瑒?dòng)門常常位于刮板機(jī)下方，起著控制物料進(jìn)倉的作用。

圖4 滑動(dòng)門結(jié)構(gòu)示意圖（氣動(dòng)）

在實(shí)際生產(chǎn)中，倉底的滑動(dòng)門主要受到物料的壓力，僅在開關(guān)門階段受到摩擦，但摩擦程度不足以對(duì)鋼材造成損壞。倉頂?shù)幕瑒?dòng)門在工作中大部分情況是關(guān)閉狀態(tài)，在刮板機(jī)運(yùn)行時(shí)成為刮板機(jī)底部殼體的一部分，受到物料、掛壁鏈條摩擦。

2 破損原因分析

2.1 物料的摩擦

在實(shí)際生產(chǎn)中，大量的物料摩擦殼體、滑動(dòng)門、翻版，導(dǎo)致特定部位鋼板越來越薄直至穿孔。當(dāng)鋼板出現(xiàn)穿孔，物料會(huì)因?yàn)閴毫臋C(jī)械內(nèi)部擠壓出來。當(dāng)物料被擠壓出破損穿孔處，穿孔處會(huì)發(fā)生形變，破損擴(kuò)大，導(dǎo)致更多物料泄漏出來。此外，隨著耐磨鋼板的損壞，以其作為外殼的機(jī)械設(shè)備失去原有的機(jī)械支撐，產(chǎn)生物理形變，從而擴(kuò)大損壞范圍。

2.2 同設(shè)備其他部件的摩擦

由于物料擠壓、熱脹冷縮、其他部件形變等因素，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)配合不緊密，導(dǎo)致刮板機(jī)的殼體與鏈條之間出現(xiàn)摩擦，造成鋼板的損壞往往相較于物料摩擦造成的損壞更為嚴(yán)重，更易出現(xiàn)穿孔、形變等。

2.3 自然銹蝕

露天設(shè)備因?yàn)轱L(fēng)吹日曬，會(huì)出現(xiàn)外部保護(hù)油漆脫落的情況，使得鋼材直接裸露在空氣、雨水中，導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)銹蝕，繼而出現(xiàn)形變、穿孔等問題。自然銹蝕產(chǎn)生的損壞具有以下特點(diǎn)。①時(shí)間方面。相比物料摩擦、與其他部位的摩擦，自然銹蝕造成結(jié)構(gòu)性損壞的速度要慢得多。②位置方面。自然銹蝕產(chǎn)生的損壞集中在設(shè)備外層，損壞由內(nèi)而外，與物料摩擦、與其他部位的摩擦剛好相反。因此，自然銹蝕產(chǎn)生的損壞在初期更容易被現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)。

2.4 原因總結(jié)

在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼材破損往往不是一種原因單獨(dú)導(dǎo)致的。以翻版為例，翻版鋼材的損壞主要是物料摩擦與同設(shè)備其他部件摩擦共同作用導(dǎo)致的；以刮板機(jī)為例，由于刮板機(jī)體積較大，多放置在室外。因此，刮板機(jī)鋼材的損壞多由3 種原因共同導(dǎo)致。

3 系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)原理分析

結(jié)合上文關(guān)于損壞原因與損壞位置的分析，本文明確了其中存在的問題，得出了損壞位置與損壞形式存在共性，即損壞位置集中在以耐磨鋼板為原料所組成的外殼或是翻版，其表現(xiàn)形式為一整塊的長方形鋼板；損壞形式表現(xiàn)為長方形鋼材的穿孔、形變，實(shí)際上是結(jié)構(gòu)方面的不完整。

針對(duì)以上問題，本文提出以下改進(jìn)思路，對(duì)整塊耐磨鋼板完整度進(jìn)行監(jiān)控，主要包括以下方面。

（1）利用電阻監(jiān)控鋼材的平均厚度。厚度作為鋼材的重要指標(biāo)，檢測方法有很多，考慮到成本與實(shí)際效果可采用電阻測量法。鋼材作為金屬材料是一種良好的導(dǎo)體，一塊鋼材在切割完成后，其內(nèi)在的基本屬性就會(huì)保持恒定，包括電阻值。

其中，R為電阻，ρ為導(dǎo)體電阻率，L為導(dǎo)體長度，A為導(dǎo)體截面積。鋼板作為導(dǎo)體時(shí)，在加工完成后，其導(dǎo)體電阻率和導(dǎo)體長度便固定下來。此時(shí)，若鋼材出現(xiàn)磨損，就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體截面積減小，表現(xiàn)在電阻值方面，即電阻值的增加。

（2）利用導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控鋼材的實(shí)際狀態(tài)。將鋼材分割為5 mm×5 mm（參照大豆這一物料的直徑，不同物料可采用不同的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)），在分區(qū)邊緣布置細(xì)金屬絲（本設(shè)計(jì)中采用銅絲），各金屬絲之間相互絕緣組成金屬網(wǎng)絡(luò)，如圖5 所示。當(dāng)鋼材出現(xiàn)穿孔、大程度形變時(shí)，附著在鋼材表面的金屬絲會(huì)發(fā)生斷裂。因?yàn)殇摬谋痪W(wǎng)絡(luò)覆蓋，橫排金屬絲可以標(biāo)記破損處的橫軸，豎排金屬絲可以標(biāo)記破損處的縱軸，從而得出破損處的坐標(biāo)。

圖5 金屬網(wǎng)絡(luò)示意圖

因此，考慮到糧食系統(tǒng)粉塵防爆問題，利用導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控鋼材的實(shí)際狀態(tài)作為本設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

系統(tǒng)可分為鋼材表面金屬網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)系統(tǒng)、中控室3 個(gè)部分。

（1）金屬網(wǎng)絡(luò)通過金屬絲的覆蓋將破損信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為破損信息的接收端，將破損信號(hào)傳遞給單片機(jī)系統(tǒng)[1]。

（2）單片機(jī)系統(tǒng)作為系統(tǒng)的接收端，同時(shí)也是發(fā)送端。其中，接收端接收來自金屬網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，并計(jì)算出破損點(diǎn)的位置。繼而將破損位置信息發(fā)送至后端中控室，作為發(fā)送端。

（3）中控室接收到破損位置信息，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，若破損位置對(duì)應(yīng)的機(jī)械有生產(chǎn)作業(yè)流程則彈出是否需要暫停的窗口。若存在多處、大面積破損，則自動(dòng)暫停生產(chǎn)工作流程。同時(shí)，通知現(xiàn)場維修人員確認(rèn)故障情況并進(jìn)行維修。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 金屬絲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

金屬絲網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)可分為以下5 層：①底絕緣層。這一層直接接觸鋼板，將其他層與鋼板隔離開來，最重要的是起到鋼板絕緣的作用。②橫金屬絲層。將0.3 mm 直徑的銅絲，以每根間隔5 mm 的方式橫向排列在底絕緣層上，并加以固定，此層的作用在于當(dāng)鋼材有損壞時(shí)，提供損壞點(diǎn)的橫軸坐標(biāo)。③中絕緣層。在橫金屬絲層上方布置中絕緣層，中絕緣層可隔離橫金屬絲層與下一層，縱金屬絲層可起到相互隔離、絕緣的作用。④縱金屬絲層。將0.3 mm 直徑的銅絲，以每根間隔5 mm 的方式縱向排列在中絕緣層上，此層的作用在于當(dāng)鋼材有損壞時(shí)，提供損壞點(diǎn)的縱軸坐標(biāo)，并與橫金屬絲層配合得到具體的破損點(diǎn)坐標(biāo)[2-3]。⑤外保護(hù)層。此層為最外層，起到絕緣與保護(hù)的作用，需要其有一定的耐腐蝕能力，以有效保護(hù)金屬網(wǎng)絡(luò)與底部耐磨鋼板免受自然腐蝕的影響。具體材質(zhì)可由機(jī)械的布置和機(jī)械用途決定，結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。

圖7 金屬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.4 單片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中以單片機(jī)為核心，將金屬絲網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)相連接，利用單片機(jī)完成對(duì)破損點(diǎn)位置的確認(rèn)。具體設(shè)計(jì)采用51 單片機(jī)，配合外部電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集與計(jì)算，最終發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4.1 單片機(jī)核心

如圖8 所示，本設(shè)計(jì)采用AT89C52 單片機(jī)，包括40 個(gè)引腳。其中，有32 個(gè)通用I/O 引腳，將其中16個(gè)連接橫金屬絲、16 個(gè)連接縱金屬絲，接著檢測其電平狀態(tài)來確定具體通斷情況[4]。

圖8 單片機(jī)核心原理圖

3.4.2 下載電路原理

此部分電路為輔助電路，用于使用USB 線連接電腦時(shí)，將程序下載至單片機(jī)中，具體原理圖如圖9 所示。

圖9 USB 下載電路圖

3.4.3 電源模塊

此部分的作用是將5 V 電壓轉(zhuǎn)為3.3 V 電壓直接為系統(tǒng)供電，具體原理圖如圖10 所示。

圖10 5 V 轉(zhuǎn)為3.3 V 電源模塊圖

3.4.4 無線發(fā)送模塊

通過NRF24LO1 無線收發(fā)模塊，可以將計(jì)算得到的破損點(diǎn)位置信息以坐標(biāo)的形式發(fā)送出去。此模塊可直接購買成品，通過接口連接系統(tǒng)，如圖11 所示。

圖11 NRF24LO1 模塊接口圖

3.5 算法分析

將通用引腳按位置排布分為2 組：X 組和Y 組，其中，X 組引腳為P1.0～P1.7、P3.0～P3.7 引腳；Y組引腳為P2.0～P2.7、P4.0～P4.7。分別與金屬絲層的縱金屬絲、橫金屬絲相連接，連接方式如圖12 所示。

圖12 金屬絲網(wǎng)絡(luò)接線圖

由圖12 可知，金屬絲層兩端一邊與單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳相連，另一端連接VCC，5 V 電壓。一般來說，單片機(jī)5 V 電壓為高電平信號(hào)，當(dāng)金屬絲正常時(shí)，電壓5 V 為高電平；當(dāng)金屬絲因?yàn)槟p出現(xiàn)損壞時(shí)，金屬絲斷裂，電壓0 V 為低電平。在程序中，以P1.0 引腳為例，金屬絲完整時(shí)，P1.0=1；金屬絲出現(xiàn)損壞斷路時(shí)，P1.0=0。

程序先依次判斷X 組各引腳電平情況，若X 組各引腳電平情況正常，再依次判斷Y 組各引腳電平情況；若Y 組各引腳電平情況正常，5 000 ms 后，進(jìn)入下一次判斷循環(huán)。

當(dāng)循環(huán)掃描判斷的過程中出現(xiàn)低電平，以P1.0 為例，IF（P1.0=0）條件成立，則在此基礎(chǔ)上繼續(xù)判斷Y 組電平；若Y 組電平全部為高電平，則進(jìn)入下一次的循環(huán)判斷[5]。若Y 組電平判斷中出現(xiàn)低電平，以P2.7 為例，IF（P2.7=0），則直接輸出（1，7）坐標(biāo)，坐標(biāo)對(duì)應(yīng)鋼材破損點(diǎn)具體位置，程序流程圖如圖13 所示。坐標(biāo)信息會(huì)以無線形式發(fā)送，中控室接收到信息開始報(bào)警，并提示工作人員進(jìn)行檢查。

圖13 程序流程圖

4 結(jié)語

本文從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，找出了實(shí)際生產(chǎn)中鋼材容易出現(xiàn)的問題，并設(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)為核心的鋼材實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到電路設(shè)計(jì)，再到算法分析，論證了系統(tǒng)的原理與具體實(shí)施辦法，有效解決了糧食機(jī)械外殼、翻版等以耐磨鋼板為原材料的機(jī)械部件在使用過程中的損壞問題，有利于港口、糧庫等提升服務(wù)質(zhì)量，減少人力成本，增加企業(yè)競爭力。