全自動清污機孔口定位設(shè)計

劉曉蓉

(華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450015)

0 引言

耙斗式清污機主要由起升機構(gòu)、行走機構(gòu)、耙斗開閉機構(gòu)和翻板開閉機構(gòu)組成。起升機構(gòu)、耙斗開閉機構(gòu)和翻板開閉機構(gòu)在全自動過程中均為固定式觸發(fā)運行模式，即一個機構(gòu)運行到限位位置后，觸發(fā)另一個機構(gòu)運行。大車行走過程比較復(fù)雜，要在整個行程范圍內(nèi)對各個孔口實施自動定位停車，待所有抓污工作結(jié)束后，大車自動返回起始位置，從而完成整個自動運行過程。因此，各孔口準(zhǔn)確定位是自動過程實現(xiàn)的關(guān)鍵，如果定位誤差超出允許范圍，耙斗下降時就會卡阻在壩面軌道入口處，導(dǎo)致欠載，進而使耙斗停止下行，自動跳轉(zhuǎn)到下一順序機構(gòu)運行，輕則造成該孔口無法清污，重則引發(fā)意外事故。所以，孔口精確定位是全自動清污過程的重要環(huán)節(jié)。

1 全自動清污機行走驅(qū)動配套設(shè)備

采用PQ2X30耙斗式清污機作為孔口定位的試驗設(shè)備，壩面孔口軌道與耙斗單邊間隙為8 mm，由此要求停車誤差小于8 mm。選擇不同的行走驅(qū)動配置，觀察、測量大車停機過程，以此選擇行走驅(qū)動配套設(shè)備的最佳配置方案。

首先選擇2臺異步繞線式電動機作為清污機的行走驅(qū)動配套設(shè)備，電動機型號YZRE132M2－6，功率為4 kW，轉(zhuǎn)速為905 r/min，電動機轉(zhuǎn)子串接頻敏電阻器，型號BP1－006/10006;設(shè)置2個接近開關(guān)，一個接通觸發(fā)電動機斷電，另一個接通觸發(fā)制動器抱閘，開關(guān)型號E2E－X20MD1－M1。

為掌握行走電動機斷電后自由滑行至零速和制動滑行至零速的狀況，筆者進行了如下試驗。

(1)第1個試驗。先設(shè)置1個接近開關(guān)感應(yīng)塊，接近開關(guān)被其感應(yīng)時，引發(fā)電動機斷電。在制動器打開的情況下，清污機以最大行走速度行駛，突然斷電，測量自由停車的滑行距離，測試結(jié)果見表1。在環(huán)境溫度為16℃時，第1次測試自由滑行距離為550 mm，以后n次測試自由滑行距離為590 mm。在環(huán)境溫度為23℃時，第1次測試自由滑行距離為620 mm，以后n次試驗自由滑行距離為750 mm。

(2)第2個試驗。設(shè)置2個感應(yīng)塊，第1個感應(yīng)塊的設(shè)置情況如前所述。第2個感應(yīng)塊使另一接近開關(guān)感應(yīng)，發(fā)出制動抱閘信號，測試制動抱閘后清污機制動滑行距離。在環(huán)境溫度為16℃時，第2個感應(yīng)塊放置在第1個感應(yīng)塊前550mm的位置，在環(huán)境溫度為23℃時，放置在第1個感應(yīng)塊前620 mm的位置，測試結(jié)果見表1。由此可以看出，在不同溫度的情況下，第1次測試和第n次測試制動抱閘后滑行距離差異較大。

表1 溫度與滑行距離測試

環(huán)境溫度為16℃時，在自由滑行最短距離550 mm的位置設(shè)定第2個感應(yīng)塊制動抱閘，測得環(huán)境溫度為23℃條件下大車制動抱閘后的滑行距離為50～80 mm。由以上試驗可以得出如下結(jié)論:這種行走驅(qū)動配置停車準(zhǔn)確率極差，無法達到自動準(zhǔn)確定位停車之目的。

若使清污機行走不受溫度和行走次數(shù)的影響，就必須改變清污機行走的驅(qū)動配置方式，保證每次停機前行進速度一致，用以確保停機后滑行距離相對一致。為避免客觀因素影響，應(yīng)盡量減小斜坡時間和制動滑行距離，當(dāng)然還要考慮慣性沖擊對清污機運行穩(wěn)定性的影響。那么，大車驅(qū)動方案必須選用調(diào)頻且多段速控制。

筆者在電氣控制設(shè)計時，設(shè)置了2個接近開關(guān)，一個作為減速控制信號(后稱減速感應(yīng)塊)，減速運行后的頻率設(shè)為5Hz;另一個作為電動機斷電控制信號(停機感應(yīng)塊)。變頻器加/減速的斜坡曲線有2種:線性適用于需要平穩(wěn)傳動或緩慢加/減速的場合;S－曲線型適用于傳送易碎物品的傳送機或其他需要平穩(wěn)改善速度的場合。為縮短減速時間和減小變速慣性，選擇線性加/減速斜坡，減速時間設(shè)定為3s。

2 定位方案設(shè)計

2.1 接近開關(guān)感應(yīng)范圍

定位方案選用2個歐姆龍E2E－X20MD1－M1接近開關(guān)，該開關(guān)可感應(yīng)金屬材料，感應(yīng)距離為20 mm。它除了可以完成行程控制和限位保護外，還是一種非接觸型的檢測裝置，可用來檢測零件尺寸和測試設(shè)備的運行速度，也可用于變頻計數(shù)器、變頻脈沖發(fā)生器、液面控制和加工程序的自動銜接等。其特點是工作可靠、壽命長、功耗低、復(fù)定位精度高、操縱頻率高及適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等。接近開關(guān)的感應(yīng)范圍如圖1所示。

圖1 歐姆龍E2E－X20MD1－M1接近開關(guān)檢測距離特性

感應(yīng)距離為20 mm，其額定檢測距離約為80%(16 mm)，是接近開關(guān)穩(wěn)定區(qū)，接近開關(guān)顯示為綠燈;其余80%～100%的檢測范圍(16～20 mm)為不穩(wěn)定區(qū)域，接近開關(guān)顯示為紅燈。所以，接近開關(guān)和感應(yīng)塊之間的垂直距離必須介于0～16 mm之間。另外，對于檢測感應(yīng)塊的形狀，需要根據(jù)相關(guān)要求設(shè)計外形尺寸，尺寸過大和過小都不合適，其要求如圖2所示。對鐵質(zhì)感應(yīng)塊而言，其邊長在45 mm以上時，才具備穩(wěn)定的檢測質(zhì)量?？傊?，接近開關(guān)和感應(yīng)塊的距離越近，外界環(huán)境影響越小，定位準(zhǔn)確率越高。在實際安裝過程中，接近開關(guān)和感應(yīng)塊要留有一定間隙，以防大車行進過程中與感應(yīng)塊發(fā)生剮蹭。感應(yīng)塊最好制作成活動塊，以便調(diào)整修正位置。

圖2 歐姆龍E2E－X20MD1－M1接近開關(guān)檢測物體敏感性曲線

2.2 接近開關(guān)感應(yīng)塊安裝位置設(shè)計與計算

為使清污機運行平穩(wěn)、準(zhǔn)確停車和提高工作效率，應(yīng)盡量縮短低速運行時間，需要對2個感應(yīng)塊的安裝位置進行理論計算。

設(shè)定減速時間t=3 s，行走電動機額定頻率fe=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速 ne=905 r/min，車輪直徑D=500 mm，減速機傳動比i=114;大車減速后最小頻率fmin=5Hz，最小轉(zhuǎn)速nmin=90.5r/min。清污機從最大速度到停止的減速過程如圖3所示。

圖3 行駛速度與減速停機時間控制關(guān)系

設(shè)定大車正常行駛頻率fmax=40 Hz，速度為vmax;減速后頻率fmin=5 Hz，最小速度為vmin。

式中:i為傳動比;ne為額定轉(zhuǎn)速。

大車行駛頻率從fmax=40 Hz減速到fmin=5 Hz，所用時間

t2－t1為從減速感應(yīng)塊到制動感應(yīng)塊的時間(即勻速行駛時間設(shè)定為6s)，那么大車運行從t=0減速到t=t2時間段行駛的路程為

大車電動機頻率從5 Hz降為0 Hz，即t3－t2時間段所用時間值為

大車停機后，運行頻率從5Hz降為0Hz，即t3－t2時間段滑行路程為

從s2得到了停機感應(yīng)塊的安裝位置。又因接近開關(guān)直徑為30 mm，將其安裝在耙斗下滑滑道中心位置(安裝在其他位置響應(yīng)加減s')，那么，停機塊感應(yīng)塊應(yīng)安裝在尚未到孔口中心相距(30/2+s2+s'－實際感應(yīng)范圍調(diào)整量)的位置上。當(dāng)清污機行走到該位置時，接近開關(guān)被感應(yīng)，該脈沖信號傳送到可編程序控制器(PLC)程序中，該信號脈沖使電動機斷電，清污機運行頻率在0.3 s內(nèi)從5 Hz降為0 Hz滑行3 mm停止，制動器此時抱閘。從s1的計算可以確定減速感應(yīng)塊和停車感應(yīng)塊之間的安裝距離為300 mm。這樣就減小了低速運行時間，提高了工作效率。在不同的孔口和溫度環(huán)境下多次驗證，完全達到準(zhǔn)確停車要求，誤差小于2 mm。

圖4 車輪與軌道間隙

3 制造、安裝精度對自動定位的影響

3.1 行走車輪與行走軌道間隙

清污機車輪輪緣與軌道之間留有一定間隙(如圖4所示)，它的存在消除了軌道安裝鋪設(shè)后遺留的直線度和平行度誤差，消除了設(shè)備本體機架和車輪存在的制造誤差，避免了清污機在行走時車輪和軌道發(fā)生干涉，這也是門式起重機等設(shè)備的常用方式。當(dāng)清污機需要自動定位且對定位精度要求較高時，這個間隙也給清污機自動定位埋下隱患，如圖5所示。以停機接近開關(guān)為基準(zhǔn)位，每次該開關(guān)感應(yīng)時清污機都會停止在準(zhǔn)確位置，一旦有意外外力影響(如雜物或軌道不平等)，清污機機架會在間隙允許的范圍內(nèi)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。因停機感應(yīng)塊位置是固定的，所以，B點位置相對確定，以B點為中心發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，設(shè)機架轉(zhuǎn)動時C點發(fā)生垂直于大車軌道的相對位移10 mm，則對于A點的耙斗軌道則會發(fā)生約30 mm的順軌道方向的位移，從而導(dǎo)致清污機本體耙斗滑道和壩上的耙斗軌道不能對應(yīng)，造成自動定位失效。所以，全自動清污機應(yīng)進一步提高設(shè)計、水平和制作精度，盡量減小消缺空間。

圖5 清污機機體轉(zhuǎn)動示意圖

3.2 耙斗安裝水平度的影響

耙斗起升鋼絲繩的調(diào)整。雙吊點起升鋼絲繩懸吊的耙斗兩側(cè)是否與滑道水平，直接影響清污機孔口定位的誤差范圍。從清污機到壩底長度達幾十米，如果2個吊點的鋼絲繩長短相差5 mm或者2個定滑輪安裝錯位都會造成耙斗平衡梁傾斜，導(dǎo)致耙斗前耙齒向一側(cè)偏移，造成耙斗與壩面軌道一側(cè)間隙減小，對位誤差范圍縮小，對位難度加大，極易卡在壩面軌道入口處，造成欠載停止下行。安裝時需調(diào)整2條鋼絲繩長度，保證耙斗與軌道兩側(cè)間隙相同。對起升部分雙電動機驅(qū)動的機型來說，除調(diào)整鋼絲繩長度外，最好將電動機設(shè)置為電氣或機械同步，防止耙斗水平梁傾斜。

4 結(jié)束語

全自動清污機孔口定位是現(xiàn)場調(diào)試中比較棘手的問題。需要根據(jù)現(xiàn)場情況具體分析研究，反復(fù)推敲、摸索。全自動清污機的準(zhǔn)確自動定位，不但對清污機的機械、電氣設(shè)計提出了很高要求，同時也對清污機的生產(chǎn)制造、安裝及軌道鋪設(shè)等方面都提出了更加嚴(yán)格的要求。具體體現(xiàn)在四大機構(gòu)運行的各個方面，尤其大車行走和四大機構(gòu)運行動作的銜接，這需要機械、電氣專業(yè)的完美融合，只有這樣，才能達到全自動清污機行動準(zhǔn)確、銜接通暢、工作安全的目的。

［1］劉曉蓉.全自動清污機程序設(shè)計［J］.華電技術(shù)，2013，35(8):9－10.