呂季軒

（西安市自來(lái)水有限公司，陜西西安 710038）

0 引言

自來(lái)水廠平流沉淀池常采用桁架式虹吸吸泥機(jī)作為排泥設(shè)備，這種吸泥機(jī)具有操作方便、排泥比較可靠、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)廣泛用于平流沉淀池的排泥。但在生產(chǎn)實(shí)踐中存在一些問(wèn)題，其中，由于桁架跨距較大，行走長(zhǎng)度長(zhǎng)，在導(dǎo)軌面上會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪走偏問(wèn)題，車(chē)輪的走偏會(huì)導(dǎo)致啃軌及脫軌等嚴(yán)重后果，因此有必要對(duì)虹吸式吸泥機(jī)車(chē)輪走偏問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 桁架式虹吸吸泥機(jī)走偏概況

本文以雙邊驅(qū)動(dòng)式吸泥機(jī)為研究對(duì)象，雙邊驅(qū)動(dòng)式吸泥機(jī)驅(qū)動(dòng)輪分別由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，包括電機(jī)和減速機(jī)等，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)裝置均以相同的機(jī)件組成，并且要求同步運(yùn)行。虹吸式吸泥機(jī)車(chē)輪踏面采用圓柱形雙輪緣鑄鋼車(chē)輪，由4 點(diǎn)支撐行走大梁橫跨在平流式沉淀池上，池兩邊均鋪設(shè)鋼軌，從沉淀池的一端運(yùn)行到另一端，邊行走邊吸泥，出現(xiàn)吸泥機(jī)走偏或者啃軌現(xiàn)象的主要原因有以下5 點(diǎn)：

（1）電機(jī)及減速機(jī)故障，導(dǎo)致兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速不同步。

（2）吸泥機(jī)池下結(jié)構(gòu)件與池底、池壁或集水槽等構(gòu)筑物發(fā)生碰撞摩擦。

（3）水下有雜物或兩側(cè)配水不均。

（4）行走輪安裝誤差及磨損嚴(yán)重。（5）軌道安裝誤差超標(biāo)或者池體變形導(dǎo)致軌道變形超標(biāo)。

分析上述5 點(diǎn)原因，引起車(chē)輪走偏的原因可以概括為兩類(lèi)，一類(lèi)是由于電機(jī)或者減速器不同步，或者外力分布不均勻，引起兩側(cè)車(chē)輪行走速度不同而導(dǎo)致車(chē)輪的走偏，這種情況可以看作是運(yùn)動(dòng)誤差引起的車(chē)輪走偏，前三點(diǎn)歸為此類(lèi)；另一類(lèi)是由于行走車(chē)輪安裝誤差、導(dǎo)軌變形、導(dǎo)軌的制造裝配誤差等原因引起的車(chē)輪走偏，這種情況可以看作是幾何誤差引起的車(chē)輪走偏，后兩點(diǎn)可以歸為此類(lèi)。對(duì)于吸泥機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差，往往先測(cè)量電機(jī)和減速機(jī)轉(zhuǎn)速，再停機(jī)后人為調(diào)整車(chē)輪的行走偏差[1]。對(duì)于吸泥機(jī)的幾何誤差，往往是測(cè)量跨度偏差、軌距偏差、對(duì)角線偏差和車(chē)輛輪徑后，人為對(duì)軌道或吸泥機(jī)偏斜角度進(jìn)行調(diào)整[2]，這些方法均耗時(shí)費(fèi)力。本文針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差及車(chē)輪、軌道裝配誤差引起的幾何誤差，提出了改進(jìn)的校正方法。

2 運(yùn)動(dòng)誤差分析及校正

運(yùn)動(dòng)誤差是指按照某一事先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差。在吸泥機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等不同步最終導(dǎo)致吸泥機(jī)運(yùn)動(dòng)不到位產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差。對(duì)于兩側(cè)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速差引起的偏轉(zhuǎn)，可以在車(chē)輪行走方向前方內(nèi)測(cè)，布置高精度壓力傳感器，由于傳感器位置比輪沿靠?jī)?nèi)，如圖1 所示，當(dāng)車(chē)輪有偏移趨勢(shì)后，壓力傳感器首先接觸軌道，采集到壓力信號(hào)后，通過(guò)PLC 進(jìn)行變頻調(diào)速，抵消兩側(cè)速度差，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪走偏的校正。當(dāng)左側(cè)壓力傳感器檢測(cè)到壓力信號(hào)后，左側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，右側(cè)行走輪繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)左側(cè)壓力傳感器無(wú)壓力信號(hào)時(shí)，停止右側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了保證糾偏的可靠性，變頻器應(yīng)具有穩(wěn)定、可靠、功能性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間快、同步精度高等特點(diǎn)，因此應(yīng)選用高精度變頻器。

圖1 壓力傳感器布置示意

3 幾何誤差分析及校正

幾何誤差是吸泥機(jī)輪軌本身的制造和裝配不完善產(chǎn)生的誤差，包括直線軸和旋轉(zhuǎn)軸的誤差，將吸泥機(jī)看作一剛體，剛體在空間直線運(yùn)動(dòng)中，存在6 個(gè)自由度，通過(guò)坐標(biāo)變換原理可得到其誤差數(shù)學(xué)模型。

假設(shè)導(dǎo)軌方向?yàn)閄 軸向，在水平面內(nèi)，與X 軸向垂直的即Y 軸向，豎直面內(nèi)與X、Y 軸向均垂直的為Z 軸向。吸泥機(jī)沿軌道行走，即沿X 軸行走，其在X 軸的偏移，用符號(hào)δx（x）。由于導(dǎo)軌系統(tǒng)制造、安裝的不完善，車(chē)輪在X 向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡可能偏離直線，它包括在Y 方向的偏移δy（x）和Z 方向的偏移δz（x），下角標(biāo)表示誤差運(yùn)動(dòng)的方向。同樣，由于導(dǎo)軌的不完善，會(huì)使車(chē)輪在沿導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生繞三根軸回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角誤差δx（x），δy（x），δz（x）。ε 表示轉(zhuǎn)角誤差，下標(biāo)x、y、z 分別表示轉(zhuǎn)軸的方向，括號(hào)內(nèi)的x 表示車(chē)輪沿X 方向運(yùn)動(dòng)。如圖2 所示。

圖2 車(chē)輪的幾何誤差

在軌道基座上建立原始坐標(biāo)系O-XYZ，在吸泥機(jī)車(chē)輪上建立O1-X1Y1Z1，吸泥機(jī)啟動(dòng)前，設(shè)兩個(gè)坐標(biāo)系是重合的，吸泥機(jī)朝X 軸向運(yùn)動(dòng)。吸泥機(jī)位移誤差特征變換矩陣為：

吸泥機(jī)沿X 軸運(yùn)動(dòng)距離X1后，應(yīng)到達(dá)點(diǎn)（X1，1，1），但由于幾何誤差的存在，其運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)是（x1′、y1′、z1′），其位移變換矩陣為：

將式（2）展開(kāi)，可得：

式（3）～式（5）表示在幾何誤差作用下車(chē)輪的實(shí)際坐標(biāo)。由于車(chē)輪走偏主要是Y 向偏移，最終吸泥機(jī)行走過(guò)程中的幾何誤差可表述為線性方程：

通過(guò)式（6）可以計(jì)算出車(chē)輪在Y 方向的偏移量。

運(yùn)用傳感器采集到車(chē)輪行走數(shù)據(jù)，通過(guò)誤差項(xiàng)公式，借助PLC 控制模塊插補(bǔ)計(jì)算和校正執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)吸泥機(jī)走偏校正，檢測(cè)周期設(shè)定為每經(jīng)過(guò)2 min 自動(dòng)檢測(cè)一次，通過(guò)補(bǔ)償，保證車(chē)輪沿軌道行走的軸向偏角保持在很小的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸泥機(jī)走偏的校正，從而減少事故發(fā)生的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可知，吸泥機(jī)走偏和啃軌的原因是由運(yùn)動(dòng)誤差或者幾何誤差造成，為了避免啃軌產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，分析產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差和幾何誤差的原因，建立了相應(yīng)的幾何誤差數(shù)學(xué)模型，通過(guò)PLC、高精度變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和插補(bǔ)計(jì)算后進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)吸泥機(jī)進(jìn)行糾偏，相對(duì)于人為糾偏，該方法大大提高了吸泥機(jī)糾偏效率。