趙振華

河北港口集團港口機械有限公司

1 引言

BF皮帶機是下水煤碼頭翻堆線的第一條皮帶機，目的是將煤炭從翻車機底層運輸?shù)睫D(zhuǎn)接塔[1]。為了保證煤炭質(zhì)量及皮帶不被雜質(zhì)撕裂，需要在轉(zhuǎn)接塔的BF皮帶機頭部安裝除鐵器對煤流進行除雜。煤流中的金屬雜質(zhì)在BF皮帶頭部拋料時會被上方的除鐵器勵磁吸引，順著除鐵器皮帶被運輸?shù)搅隙泛竺娴某s斗中[2]。由于除鐵器的存在，料斗上方并不像其他的落料斗那樣為封閉狀態(tài)。如果翻車機司機給料量大或是卸難以控制流量的特殊煤種時，煤流會越過料斗進入后面的除雜斗中(見圖1)。這樣降低了貨運質(zhì)量，耽誤現(xiàn)場生產(chǎn)效率，還需要定期對返場煤進行清理，增加了清煤工的工作強度。為了減少以上情況的發(fā)生，在料斗和除雜斗之間增加了竄斗檢測裝置，編寫檢測程序，添加上位機報警界面，提示司機減量作業(yè)。

1.落料斗 2.除鐵器 3.除雜斗圖1 除鐵器、料斗、除雜斗示意圖

2 解決方案

要實現(xiàn)竄斗檢測裝置設(shè)計，首先要通過計算避開料斗上方除鐵器，確定檢測裝置安裝位置，然后編寫相關(guān)程序并在上位機添加報警界面。

2.1 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

竄斗檢測裝置主要由固定架、煤流擋板、旋轉(zhuǎn)軸、擋板配重、接近開關(guān)、限位擋片等部分組成。其中煤流擋板、擋板配重及限位擋片固定在旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)軸通過固定支架安裝在除雜斗上方，接近開關(guān)豎直固定在固定架上(見圖2)。當(dāng)有煤流越過料斗進入后面的除雜斗時，會首先撞擊煤流擋板帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，進而引起擋片轉(zhuǎn)動，接近開關(guān)的信號改變上傳到PLC，提醒司機減量作業(yè)。

1.旋轉(zhuǎn)桿 2.固定支架 3.可調(diào)節(jié)配重 4.限位擋片 5.接近開關(guān) 6.擋板 7.雜物斗圖2 竄斗檢測裝置設(shè)計示意圖

2.2 檢測裝置設(shè)計計算

根據(jù)現(xiàn)場采集越過料斗后煤流的角度方向數(shù)據(jù)，可以計算出檢測裝置的擋板所需長度、接觸煤流的角度及安裝位置(見圖3)。

1.拋料滾筒 2.防竄斗裝置 3.雜物斗 4.落料斗圖3 煤流越過料斗示意圖

經(jīng)過現(xiàn)場實際采集數(shù)據(jù)，擋板和連接桿各600 mm，擋板接觸煤流的角度為30°，擋板和連接桿質(zhì)量為3 kg，配重力臂為300 mm。根據(jù)擋板和配重力矩平衡，可以計算出檢測裝置配重的質(zhì)量為3 kg。

越過料斗的煤流撞擊擋板引起擋板發(fā)生定軸轉(zhuǎn)動，配重同時隨之轉(zhuǎn)動，對整個碰撞旋轉(zhuǎn)過程進行分析。

為了求得煤流撞擊擋板后，檢測機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的最大角度，需要對整個撞擊過程進行能量分析。定義如下物理量：煤流初始速度v0，撞擊后煤流速度v1(未知)，撞擊后擋板角速度ω0(未知)，擋桿長度l1，配重桿長度l2，煤流重量M，檔桿質(zhì)量m1，擋板質(zhì)量m2，配重桿質(zhì)量m3，配重質(zhì)量m4，擋桿質(zhì)量線密度λ1，擋板質(zhì)量線密度λ2，配重桿質(zhì)量線密度λ3，配重質(zhì)量線密度λ4。

此結(jié)構(gòu)可以看成質(zhì)量離散分布的剛體，設(shè)其總轉(zhuǎn)動慣量為J0，將整體轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)分為4部分，分別為擋桿、擋板、配重桿和配重(見圖4)，那么總轉(zhuǎn)動慣量為：

(1)

圖4 煤流撞擊示意圖

(2)

同理得到擋板的轉(zhuǎn)動慣量為：

(3)

配重桿的轉(zhuǎn)動慣量為：

(4)

配重塊在配重桿的末端1/3處，其轉(zhuǎn)動慣量為：

(5)

設(shè)煤流撞擊擋板前動能為E0，煤流撞擊擋板后動能為E1，撞擊后擋板的瞬時動能為Ek0，根據(jù)能量守恒可得：

E0=E1+Ek0

(6)

根據(jù)能量守恒可得：

(7)

ΔEp=Ep1-Ep0

(8)

根據(jù)能量守恒定律得：

Ek0=ΔEp

(9)

因為：

ΔEp=m1gΔh1+m2gΔh2+m3gΔh3+m4gΔh4

(10)

式中，

(11)

(12)

(13)

(14)

通過上述公式，最終可求得θ≈13°。

通過擋板和配重勢能的變化計算出軸旋轉(zhuǎn)角度的變化，可以在轉(zhuǎn)軸上制作擋片實現(xiàn)檢測裝置側(cè)面接近開關(guān)的通斷[3](見圖5)。根據(jù)現(xiàn)場工況分析，選用直徑為28 mm的接近開關(guān)，設(shè)計擋片寬度為40 mm，將限位安裝在檢測裝置的固定架上，限位擋片處于豎直方向。因為煤流沖擊時轉(zhuǎn)動角度較小，所以L1≈28+40=68 mm，可以計算出限位擋片及連接桿長度L=L1cot13°=294 mm，正常狀態(tài)下限位擋片應(yīng)位于接近開關(guān)正前面，可以確定接近開關(guān)的安裝位置。

圖5 檢測裝置動作前后示意圖

2.3 編寫檢測程序

通過對現(xiàn)場生產(chǎn)觀察發(fā)現(xiàn)，在給料量大或者卸特殊煤種時，煤流會沖擊料斗襯板。煤流在越過料斗進入除雜斗內(nèi)時，會在短時間內(nèi)撞擊擋板數(shù)次。據(jù)此現(xiàn)象編寫報警檢測程序，并屏蔽了雜質(zhì)撞擊擋板發(fā)生誤報的情況。

報警的條件是竄斗煤流撞擊到擋板，傳感器動作3次并且這3次的間隔在10 s內(nèi)。由于煤流中的雜質(zhì)可能會撞擊擋板，但不會在短時間內(nèi)連續(xù)撞擊，所以為避免發(fā)生誤報的情況，傳感器動作1次后10 s內(nèi)沒有第二次動作，便會在重新計數(shù)并清除計時不發(fā)出報警。

2.4 上位機界面制作

現(xiàn)場接近開關(guān)傳感器采集報警數(shù)據(jù)發(fā)送給變電所PLC，通過生產(chǎn)者消費者標(biāo)簽實現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)傳遞給翻車機PLC，并在上位機上設(shè)計報警功能[4]，當(dāng)煤流量過大發(fā)生竄斗時，上位機會彈出提示信息，提醒司機適當(dāng)減量作業(yè)。

3 應(yīng)用情況及實施效果

目前皮帶機煤流竄斗檢測裝置已在秦皇島煤五期的3條BF線上投入使用1年時間，運行過程中程序判定無誤，運行穩(wěn)定，很少出現(xiàn)誤報、漏報等情況，在煤流竄斗時能夠有效地提示司機進行減料作業(yè)。

4 結(jié)語

通過對除鐵器機構(gòu)存在的不足進行分析，對皮帶機煤流竄斗檢測裝置進行改造，在料斗和除雜斗之間增加檢測裝置、編寫檢測程序、添加上位機報警界面，有效提示司機減量作業(yè)，避免竄斗情況的發(fā)生，提高了港口裝卸效率[5]，對類似工程具有一定的參考意義。