摘要：輸送膠帶跑偏是帶式輸送機的常見故障，常會造成物料傾撒或帶邊磨損，縮短輸送帶的使用壽命。鑒于此，設(shè)計了一種基于圖像的自動糾偏裝置，首先采用高清攝像機識別膠帶邊緣，判斷膠帶跑偏信息；然后設(shè)計了電動蝸桿傳動機構(gòu)，進行膠帶糾偏，給出了蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計和驅(qū)動電機參數(shù)設(shè)計；最后設(shè)計了基于PLC的自動糾偏裝置控制系統(tǒng)，可為帶式輸送機的穩(wěn)定運行提供理論和實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機；膠帶；糾偏；圖像

中圖分類號：TM621.7" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.018

0" " 引言

輸送膠帶跑偏是帶式輸送機的常見故障，常會造成物料傾撒或帶邊磨損，縮短輸送帶的使用壽命，因此對跑偏進行及時準確處理是燃煤電站輸煤系統(tǒng)安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定運行的基本保證。

現(xiàn)有不少文獻已經(jīng)分析了帶式輸送機膠帶跑偏的常見原因，并提出了一些糾偏方法及控制措施，有效保障了帶式輸送機的正常運行。文獻[1]詳細論述了立輥糾偏法、外力糾偏法、滾筒糾偏法等當前帶式輸送機糾偏方法的特點；文獻[2]從安裝、運輸以及膠帶質(zhì)量問題等方面分析了輸送膠帶跑偏故障產(chǎn)生的原因，并結(jié)合工作經(jīng)驗提出了一些行之有效的處理對策；文獻[3]深入分析了調(diào)整托輥組位置、滾筒安裝精度、輸送帶張緊度及安裝調(diào)心托輥等糾偏措施；文獻[4]基于蝸桿傳動機構(gòu)、螺旋托輥以及典型托輥架等給出了帶式輸送機自動糾偏裝置的運動簡圖設(shè)計。

本文對比了當前各種糾偏裝置的優(yōu)缺點，在文獻[4]的基礎(chǔ)上詳細設(shè)計了一種基于圖像處理技術(shù)的自動糾偏裝置，并給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析和參數(shù)設(shè)計結(jié)果，可有力提高帶式輸送機的運輸能力，對于燃煤電站輸煤系統(tǒng)輸送膠帶跑偏問題的解決具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。

1" " 膠帶糾偏裝置總體設(shè)計

帶式輸送機膠帶自動糾偏裝置的總體設(shè)計思路如圖1所示，在輸送帶上方安裝高清攝像機對圖像進行采集（圖2），通過膠帶和參照背板之間的明顯色差特征準確判定膠帶的邊緣特征和位置，準確判斷膠帶的實時跑偏量，并能控制電動糾偏裝置進行糾偏。由于帶式輸送機現(xiàn)場運行環(huán)境較差，粉塵較多，為了提高圖像識別效果，在膠帶兩側(cè)各安裝一塊白色背板。

電動糾偏裝置采用蝸桿傳動機構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。

2" " 糾偏裝置參數(shù)設(shè)計

電動糾偏裝置采用蝸桿傳動機構(gòu)，直流伺服電機驅(qū)動。

2.1" " 蝸桿傳動機構(gòu)設(shè)計

正常情況下，機械系統(tǒng)的托輥組需要承受輸送帶和運輸物料的重量，這些重量會施加在托輥上產(chǎn)生正壓力。當出現(xiàn)糾偏運動時，由于托輥與輸送帶之間存在相對滑動，會產(chǎn)生摩擦力Fu。

2.1.1" " 托輥組承受的重量G

圖4為托輥上部物料和托輥截面圖。

整個裝置所受的總重量G為：

G=Sρ[（2N+Mcos β）h2+（N+Mcos β）h1]（1）

式中：S為相鄰?fù)休伡苤g距離，此處為2 m；ρ為煤的密度，為0.8 t/m3；N為托輥長度的一半，托輥長度為500 mm；M為槽部托輥的長度；β為托輥架的槽角（30°）；h2為梯形截面的高度；h1為三角形的截面高度。

h2計算公式為：

h2=sin β×M=sin 30°×500=250 mm（2）

根據(jù)h1=h2=250 mm，計算得到：

G=0.646 4 t≈6 334.72 N（3）

2.1.2" " 糾偏過程中的阻力

對托輥受力進行簡化，如圖5所示。

假設(shè)重量G平均對稱地施加于A、B、C、D四個位置，每個位置的作用力為Fp，由此得：

Fp==1 583.68 N（4）

鋼和橡膠之間的摩擦系數(shù)μ=0.36，摩擦力為：

Fμ=μFp=570.12 N（5）

阻力矩為：

Mμ=2Fμ

+FμL=1 068.98 N·m（6）

式中：L為A處作用力與中心的距離（750 mm）。

2.1.3" " 蝸桿傳動機構(gòu)尺寸計算

糾偏裝置旋轉(zhuǎn)角頻率初定為ω=2 rad/s，則蝸輪轉(zhuǎn)速n為：

n==19.10 r/min（7）

蝸桿選用45鋼，表面淬火，硬度選擇50 HRC，頭數(shù)為Z1=1。蝸輪選擇鑄造錫磷青銅ZCuSn10P1，傳動比為i=50。則蝸輪齒數(shù)Z2為：

Z2=iZ1=50（8）

蝸輪轉(zhuǎn)矩T2為：

T2=Mu=1 068.98 N·m（9）

按照使用壽命10年、每年工作250天、每天工作8 h計算，可得循環(huán)次數(shù)N為：

N=60njLh=22 896 000 次（10）

式中：Lh為工作壽命；j為蝸輪旋轉(zhuǎn)一周，每個輪齒嚙合次數(shù)。

根據(jù)蝸桿傳動設(shè)計準則，按齒面接觸強度設(shè)計，校核彎曲疲勞強度。

KHN=≈0.9（11）

[σH]=KHN[σH′]=241.2 MPa（12）

m2d1≥9KT2

≈1 869.8 mm3（13）

式中：KHN為壽命系數(shù)；[σH′]為許用接觸應(yīng)力，取值268 MPa；m為模數(shù)，取值8 mm；d1為蝸桿分度圓直徑取值80 mm；K為載荷系數(shù)，取值1.15；ZE為材料的彈性影響系數(shù)，取值160。

蝸輪分度圓直徑d2：

d2=mZ2=400 mm（14）

取蝸桿直徑系數(shù)q=10，則蝸桿導(dǎo)程角γ為：

γ=arctan Z1/q=4.5°（15）

2.1.4" " 蝸輪強度校核

螺旋角系數(shù)Yβ=0.968，齒形系數(shù)YF=1.72，計算齒根彎曲應(yīng)力σF。

KFN=≈0.7（16）

[σF]=[σF′]KFN=39.2 MPa（17）

σF=YFYβ=12.23 MPa（18）

式中：KFN為壽命系數(shù)；[σF′]為基本許用彎曲應(yīng)力，根據(jù)蝸輪材料確定為56 MPa；Yβ為螺旋角系數(shù)為0.968；YF為齒形系數(shù)1.72。

計算得σF≤[σF]，滿足彎曲強度。

2.2" " 驅(qū)動電機設(shè)計

選用直流伺服電機，電機功率為5 kW，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，轉(zhuǎn)矩15 Nm。

1）轉(zhuǎn)速：

從前面的計算內(nèi)容可得糾偏裝置托輥支架轉(zhuǎn)速為n=19.10 r/min，此時對應(yīng)的蝸桿轉(zhuǎn)速為n1=954 r/min，選擇傳動比為3的行星減速器，然后計算所需電機轉(zhuǎn)速nMotor：

nMotor=954×3=2 862 r/min（19）

2）扭矩MMotor：

MMotor==7.13 Nm（20）

3）電機容量P：

P=TMu/9 550=2.13 kW（21）

綜上，選擇的電機滿足要求。

3" " 基于PLC的自動糾偏裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)選用視覺監(jiān)測裝置接收糾偏信號，視覺檢測裝置傳輸三種信號給PLC系統(tǒng)。根據(jù)膠帶左右兩側(cè)到標定板邊界的距離確定膠帶是否跑偏，從而對PLC系統(tǒng)輸送膠帶是否跑偏、跑偏為左、跑偏為右三種信號。當輸出為“跑偏為左”信號時，直流伺服電機逆時針旋轉(zhuǎn)，通過蝸輪蝸桿機構(gòu)向右糾偏膠帶。反之，當輸出為“跑偏為右”信號時，直流伺服電機順時針旋轉(zhuǎn)，通過蝸輪蝸桿機構(gòu)向左糾偏膠帶。PLC系統(tǒng)根據(jù)獲取的信號控制電機轉(zhuǎn)動輥組，從而實現(xiàn)膠帶的自動糾偏。圖6為軟件邏輯圖設(shè)計。

基于圖像處理技術(shù)和電動蝸輪機構(gòu)開發(fā)的自動糾偏裝置如圖7所示，圖7（a）為帶式輸送機尚未運行時，通過圖像可清晰識別膠帶的兩側(cè)，圖7（b）為帶式輸送機高速運行時，可清晰識別膠帶跑偏現(xiàn)象。設(shè)定閾值為5 mm，當跑偏達到5 mm時，控制系統(tǒng)自動啟動電動蝸輪機構(gòu)進行糾偏。

4" " 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于圖像處理技術(shù)的帶式輸送機膠帶自動糾偏裝置，在膠帶兩側(cè)各安裝一塊白色背板，通過安裝在膠帶上方的高清攝像機準確識別膠帶的邊緣特征和位置，實時判斷膠帶的跑偏量，并自動啟動電動蝸桿機構(gòu)進行糾偏。經(jīng)現(xiàn)場運行檢驗，可在粉塵較多的環(huán)境中有效識別和糾偏。

[參考文獻]

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[2] 王俊峰.煤礦皮帶機跑偏故障原因及處理[J].機械管理開發(fā)，2018，33（5）：188-189.

[3] 朱立波.帶式輸送機跑偏原因及糾偏措施分析[J].中國機械，2024（12）：107-110.

[4] 姚華龍.帶式輸送機自動糾偏裝置的設(shè)計[J].機械管理開發(fā)，2022，37（10）：34-35.

收稿日期：2024-09-29

作者簡介：劉俊源（1970—），男，四川仁壽人，工程師，從事火力發(fā)電廠熱工技術(shù)工作。