皮帶輸送機(jī)穩(wěn)定性研究

胡曉杰

（山西潞安工程有限公司， 山西 長治 046102）

引言

隨著運(yùn)輸距離、速度和載荷的增加，皮帶輸送機(jī)的離心問題變得越來越嚴(yán)重。皮帶輸送機(jī)離心是指皮帶輸送機(jī)沿輸送帶長度方向的中心線偏離滾筒中心線的現(xiàn)象，這是皮帶輸送機(jī)在運(yùn)行過程中最常見的問題[1-3]。該問題會(huì)增加操作阻力，使材料容易損壞。當(dāng)存在嚴(yán)重偏差時(shí)，會(huì)撕裂皮帶輸送機(jī)的皮帶，必須停止生產(chǎn)，因此對經(jīng)濟(jì)效率有顯著影響。如今皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)正朝著更大容量、更遠(yuǎn)距離、更高速度、更高精度的方向發(fā)展，因此，皮帶輸送機(jī)離心問題的影響也更大。深入研究皮帶輸送機(jī)的偏轉(zhuǎn)機(jī)理和在較高速度下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性控制是十分必要的。只有這樣，才能提高皮帶輸送機(jī)的水平力、摩擦力和工作效率，從而降低皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行成本。

本研究根據(jù)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立了其集總參數(shù)模型，分析了皮帶輸送機(jī)運(yùn)行偏差機(jī)理的表征。研究了皮帶輸送機(jī)的速度、動(dòng)載荷和滾筒離心對皮帶輸送機(jī)穩(wěn)定性的影響。為了提高皮帶輸送機(jī)的穩(wěn)定性，采用模糊自適應(yīng)控制器對滾筒離心進(jìn)行控制。

1 皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的建模

皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)包括用于驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)的滾筒，用于引導(dǎo)皮帶輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)滾筒，用于輸送物料的皮帶輸送機(jī)，如圖1 所示。力模型和速度模型如圖2所示，vb、vp分別為皮帶輸送機(jī)與滾筒的切線速度；F為動(dòng)載荷，定義為皮帶輸送機(jī)上物料的質(zhì)量作用于滾筒上，F(xiàn)t和Fa為皮帶輸送機(jī)的切向力和軸向力。

圖1 實(shí)際結(jié)構(gòu)和壓板輥系統(tǒng)模型

圖2 沖擊滾筒系統(tǒng)的力和速度

在無動(dòng)載荷F 的理想運(yùn)行條件下，壓板輥的離心角α 為0，其中壓板輥與皮帶輸送機(jī)的水平力分量Fa為0，即vb=v。然而，在皮帶輸送機(jī)上物料的各種動(dòng)載荷F 沖擊滾筒時(shí)，滾筒的離心角α 可能不為0。

在動(dòng)載荷F 的影響下，假設(shè)壓板輥的離心角為α，則Ft和Fa的力分量計(jì)算為：

其中，壓板輥的水平力Fa傾向于向軸向推動(dòng)皮帶輸送機(jī)，導(dǎo)致皮帶輸送機(jī)不穩(wěn)定。因此，皮帶輸送機(jī)的速度受滾筒離心的影響，確定如下：

2 結(jié)果分析

2.1 皮帶輸送機(jī)跑偏機(jī)理的表征

為了研究皮帶輸送機(jī)跑偏機(jī)理的表征，選取F={0，50，100}N、vb={0 ～10}m/s、vp={0 ～10}m/s、α={0 ～10}°等一系列皮帶輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。參數(shù)對皮帶輸送機(jī)運(yùn)行偏差機(jī)理影響的仿真結(jié)果如下頁圖3 所示。

壓板輥離心的影響可以忽略不計(jì)，然而水平力強(qiáng)烈受壓板輥偏心的影響，特別是在提高皮帶輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)負(fù)載F 的基礎(chǔ)上，如圖3-2 所示。因此，這意味著壓板輥的離心量增加一個(gè)小值，就足以使皮帶輸送機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。皮帶輸送機(jī)的穩(wěn)定性不僅受水平力Fa的影響，還受水平速度vx的影響。

圖3 切向力、軸向力和速度對皮帶輸送機(jī)運(yùn)行偏差機(jī)理的影響

圖3-3 中，在vp和vb參數(shù)的各種模擬條件下，隨著壓板輥離心率的增加，水平速度vx迅速增加。因此，在只改變滾筒離心量很小的情況下，水平速度vx也迅速增加，增加皮帶輸送機(jī)速度時(shí)，使皮帶輸送機(jī)不穩(wěn)定。因此，皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性在很大程度上取決于滾筒的離心，特別是在皮帶輸送機(jī)高動(dòng)載荷和高速度的情況下。為了提高皮帶輸送機(jī)的穩(wěn)定性和性能，應(yīng)控制滾筒的離心。

2.2 皮帶輸送機(jī)的穩(wěn)定性控制

模糊控制包括“模糊化界面”“模糊推理系統(tǒng)”和“去模糊化界面”。首先，將模糊化中的模糊值轉(zhuǎn)化為語言變量。然后，模糊規(guī)則根據(jù)推理規(guī)則使用模糊推理系統(tǒng)。最后，通過去模糊化，語言變量被轉(zhuǎn)換回清晰的值。角偏差α=e 和動(dòng)態(tài)負(fù)荷F=ec是模糊控制的反饋信號(hào)，通過定義的語言變量和If函數(shù)規(guī)則計(jì)算和確定控制力。

控制結(jié)果的軸向力Fa如圖4-1 顯示，當(dāng)滾筒輥的離心率增加，軸向力Fa與控制相比大大減少；無控制在兩個(gè)不同的負(fù)載條件下50 N 和100 N，皮帶輸送機(jī)特別是F 值是相對較小的α=0°～4°影響力較小。此外，圖4-2 的控制結(jié)果也表明，在vb和vp的不同速度下，特別是α=0°～6°時(shí)，控制水平速度vx隨壓板輥離心率的增加而緩慢增加。因此，當(dāng)皮帶輸送機(jī)速度和壓路機(jī)滾筒離心距增大時(shí)，通過穩(wěn)定性控制，水平速度vx和軸向力Fa顯著減小。結(jié)果表明，與無控制相比，皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。

圖4 皮帶輸送機(jī)穩(wěn)定性控制結(jié)果

3 結(jié)論

1）滾筒離心對皮帶輸送機(jī)的穩(wěn)定性影響較大，特別是在皮帶輸送機(jī)負(fù)載大、速度快的情況下。

2）離心滾筒輥控制的模糊控制，軸向力和水平速度是無關(guān)緊要的，改變增加滾筒輥的離心時(shí)，特別是在α=0°時(shí)，皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯得到改善。