王亞楠，鄭 凱

(西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

帶傳動(dòng)裝置在企業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)設(shè)備、機(jī)械加工中應(yīng)用廣泛。而在特定環(huán)境中傳動(dòng)裝置易受突變載荷和傳送帶自身粘彈特性的影響，存在張緊力不足等問(wèn)題[1-3]。張緊裝置是帶傳動(dòng)進(jìn)行正常工作的核心組成部分，其張緊力太小會(huì)增大皮帶的橫向振動(dòng)，過(guò)度張緊又會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)皮帶表面與帶輪之間的并顯著增加整個(gè)附件系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲水平。摩擦力大幅增加，加劇皮帶的磨損，縮短皮帶的使用壽命，影響工業(yè)設(shè)備的正常運(yùn)行[4-5]。因此，如何在保證帶傳動(dòng)系統(tǒng)原有性能的同時(shí)，解決好張緊力不足等問(wèn)題，提高帶傳動(dòng)工作的穩(wěn)定性及可靠性，成為值得研究的問(wèn)題。該文設(shè)計(jì)了一種提高帶傳動(dòng)裝置可靠性的自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)比例反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行帶傳動(dòng)裝置張緊力的自適應(yīng)控制，提高帶傳動(dòng)裝置在載荷不斷變化等特殊條件下的可靠性，擴(kuò)大了帶傳動(dòng)裝置的使用范圍與效率。

1 帶傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)

該文參照《機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T9895-2008)》一般帶傳動(dòng)裝置的技術(shù)條件[6]，其基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示；基本參數(shù)，如表1所示。

圖1 帶傳動(dòng)基本結(jié)構(gòu)

表1 帶傳動(dòng)系統(tǒng)的基本參數(shù)

1.2 張緊力影響因素分析

對(duì)帶傳動(dòng)的張緊力進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析研究，這對(duì)于了解傳動(dòng)帶橫向振動(dòng)特性，減小系統(tǒng)的振動(dòng)，提高皮帶的使用壽命等具有重要意義，影響張緊力因素主要有：

(1)傳動(dòng)帶為彈性體，在電動(dòng)機(jī)張緊力以及摩擦阻力等因素綜合作用下出現(xiàn)彈性變形，從而使得張緊力有所降低；

(2)隨著傳動(dòng)帶工作時(shí)間增加，局部位置出現(xiàn)塑形、蠕變變形，傳動(dòng)帶長(zhǎng)度增加，從而使得張緊力降低。

從上述分析得出，張緊力處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，通過(guò)自動(dòng)張緊裝置實(shí)現(xiàn)張緊力的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而確保傳動(dòng)系統(tǒng)始終具有合適的張緊度。

1.3 張緊裝置的基本假設(shè)

該文將帶傳動(dòng)系統(tǒng)作為連續(xù)體，進(jìn)行了如下假設(shè)[7]：

(1)傳送帶橫向振動(dòng)影響較小忽略不計(jì)；

(2)傳送帶剪切和彎曲應(yīng)力忽略不計(jì)；

(3)忽略傳送帶垂度變化引起的長(zhǎng)度變化；

(4)忽略傳送帶縱向拉伸引起的橫向變形。

2 自動(dòng)張緊裝置的設(shè)計(jì)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)包括檢測(cè)與PLC控制裝置、液壓控制系統(tǒng)、自動(dòng)伸縮裝置等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)張緊裝置結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

在帶式傳動(dòng)裝置啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整主動(dòng)輪與從動(dòng)輪間的距離張緊裝置有一定量的預(yù)緊力，具體的控制原理為[8]：

(1)當(dāng)檢測(cè)到液壓缸壓力超過(guò)所設(shè)上限值時(shí)，表明帶傳動(dòng)裝置張力過(guò)大，則PLC向液壓系統(tǒng)發(fā)出控制指令，液壓缸緩慢收縮，從而減少?gòu)埦o力；

(2)當(dāng)檢測(cè)到液壓缸壓力小于所設(shè)下限值時(shí)，表明帶傳動(dòng)裝置張力過(guò)小，則PLC向液壓系統(tǒng)發(fā)出指令，液壓缸緩慢伸出，增加張緊力；

(3)當(dāng)液壓缸壓力在設(shè)定值范圍區(qū)間時(shí)，則表明帶傳動(dòng)裝置張力在合理范圍內(nèi)。

2.3 液壓控制系統(tǒng)

通過(guò)傳感器對(duì)液壓缸壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后傳輸給PLC，PLC將測(cè)定壓力值與設(shè)定壓力值進(jìn)行比對(duì)，從而確定張緊液壓缸的伸出、回縮、保持不變，利用AMESim繪制了控制系統(tǒng)原理圖[9]，其液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)圖3所建立的仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別得到了和帶傳動(dòng)裝置運(yùn)行狀態(tài)曲線、自動(dòng)張緊裝置的特征曲線，分別如圖4、圖5所示。當(dāng)帶傳動(dòng)裝置運(yùn)行在9.6 s時(shí)，出現(xiàn)了松弛的現(xiàn)象，傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)急劇下降，這時(shí)自動(dòng)張緊裝置在傳感器、PLC、比例反饋環(huán)節(jié)、換向閥的控制下，向張緊液壓缸輸出18.5 Bar的壓力，使其快速?gòu)埦o進(jìn)而保持帶傳動(dòng)裝置的穩(wěn)定傳輸。

圖4 帶傳動(dòng)裝置運(yùn)行狀態(tài)曲線

圖5 自動(dòng)張緊裝置的特征曲線

3 自動(dòng)張緊裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的I/O分配

該設(shè)計(jì)選用三菱系列的FX2N機(jī)型作為控制器，該P(yáng)LC的I/O點(diǎn)數(shù)分配為12輸入、12輸出[10-11]，可以滿足其控制要求，I/O點(diǎn)數(shù)分配見表2所示。

表2 控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)分配表

3.2 控制系統(tǒng)的基本功能

控制程序可參照表2控制系統(tǒng)I/O分配表進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)張緊裝置的停止、無(wú)張緊、自動(dòng)張緊的模式控制，控制模式狀態(tài)一覽表，如表3所示，控制系統(tǒng)的基本功能，如圖6所示。

圖6 PLC控制系統(tǒng)的基本功能

表3 控制模式狀態(tài)一覽表

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)帶傳動(dòng)裝置存在的控制不夠靈活，及易受突變載荷和傳送帶自身粘彈特性的影響，存在張緊力不足等問(wèn)題。文中首先進(jìn)行了自動(dòng)張緊裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立了自動(dòng)張緊裝置的仿真模型，完成了仿真實(shí)驗(yàn)。其次，以FX2N系列PLC為控制核心，闡述了系統(tǒng)的控制要點(diǎn)、控制思路及基本功能。為自動(dòng)張緊裝置的靈活使用及一體化控制創(chuàng)造了條件；不僅提高了帶傳動(dòng)的可靠性，同時(shí)增強(qiáng)了設(shè)備的適用性，具有一定的推廣價(jià)值。