郭亞東

（南陽技師學(xué)院機(jī)電工程系，河南 南陽 473000）

帶式輸送機(jī)在長時(shí)間工作后，輸送帶容易出現(xiàn)老化、帶面磨損等問題[1]，容易導(dǎo)致張力波動(dòng)下受損輸送帶發(fā)生斷帶事故，對伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置與工作人員造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。因此，需要及時(shí)更換輸送帶，這就需要使用伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置，其對于帶式輸送機(jī)的運(yùn)行起著重要的作用[2]。然而將伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置應(yīng)用于工業(yè)以外的其他領(lǐng)域時(shí)，需要對伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置進(jìn)行優(yōu)化改造?；谠摫尘埃瑢ι炜s式輸送卷帶機(jī)械裝置優(yōu)化改造問題進(jìn)行研究。對于該問題的研究，學(xué)者們一直在探索，并進(jìn)行了多方面的改革創(chuàng)新。文章綜合以往研究成果，基于農(nóng)業(yè)作業(yè)對伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，設(shè)計(jì)一種適合農(nóng)業(yè)作業(yè)的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置優(yōu)化改造方法，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全自動(dòng)化的目標(biāo)。

1 伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

1.1 卷筒優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

優(yōu)化改造卷筒，結(jié)構(gòu)方面主要應(yīng)用偏心原理夾緊輸送帶，并應(yīng)用快速分離楔形摩擦角的原理在成卷輸送帶中將卷筒輕松抽出，是一種蝸形卷筒，具體由卷帶芯軸、扳扣、棘輪機(jī)構(gòu)、兩個(gè)偏心壓輥、伸縮板、卷筒外殼及彈簧等構(gòu)成。

將卷帶芯軸與卷筒外殼連接在一起，作為卷筒的主體。利用伸縮板與外殼配合，通過伸縮板繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使伸縮板能夠伸出或縮回卷筒[3]。分別在伸縮板回轉(zhuǎn)軸兩端安裝棘輪機(jī)構(gòu)，并使用扳扣進(jìn)行固定。同時(shí)，安裝棘輪機(jī)構(gòu)后，需要在輸送帶端頭松開時(shí)，可以直接打開棘爪，此時(shí)由于彈簧的作用，伸縮板會(huì)自動(dòng)縮回，使兩個(gè)偏心壓輥分離，輸送帶就會(huì)松開，在成卷輸送帶中即可輕松抽出卷筒。將彈簧與伸縮板另一端連接起來，并將一個(gè)偏心壓輥直接裝配到外殼上，而另一個(gè)偏心壓輥則裝配到伸縮板內(nèi)部[4]。

由于圓柱形卷筒在端頭處會(huì)產(chǎn)生卷徑突變，因此將其設(shè)計(jì)成蝸形，該卷筒收卷半徑的實(shí)際變化規(guī)律具體如式（1）所示：

式中，W是收卷半徑；F是輸送帶厚度；D是基礎(chǔ)半徑；ρ是輸送帶端頭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度[5]。

完成收卷操作后，要從卷帶裝置上取下卷筒與成卷的輸送帶，其中，卷筒需要從輸送帶中抽出，并將其安裝回卷帶裝置上，以便實(shí)施下一次的收卷作業(yè)。

1.2 張緊裝置優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

優(yōu)化改造張緊裝置，設(shè)計(jì)由電液比例節(jié)流閥、拉力傳感器、液壓絞車、蓄能器、液壓泵站、油缸、鋼絲繩、張緊小車以及液壓管道等構(gòu)成的張緊裝置[6]。

在張緊小車上設(shè)置一個(gè)改向滾筒，實(shí)現(xiàn)張緊小車的改向。使用鋼絲繩牽引小車的動(dòng)滑輪，拉動(dòng)鋼絲繩時(shí)，改向滾筒會(huì)被帶動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)張緊小車的改向。

液壓絞車能夠通過其制動(dòng)作用，在蓄能器與油缸的配合下使活塞伸縮，從而吸收沖擊。同時(shí)，液壓泵站實(shí)現(xiàn)絞車馬達(dá)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)卷筒進(jìn)行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)[7]。

在液壓泵站中，設(shè)置電液比例控制系統(tǒng)，與拉力傳感器、油缸共同構(gòu)成壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其動(dòng)態(tài)性能更好。

選擇公稱拉力達(dá)到160 kN 的張緊小車，選用直徑為20 mm的鋼絲繩，選用Φ110×Φ55×2 500規(guī)格的油缸，更能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)送需求。

該張緊裝置的流量計(jì)算公式如下：

式中，α是電液比例節(jié)流閥備用系數(shù)；β是液壓絞車的實(shí)際卷繩速度；χ是油缸的工作壓力；δ是油缸的移動(dòng)速度；ε是液壓泵站馬達(dá)的效率；?是蓄能器的效率[8]。

根據(jù)以上公式的計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)各種液壓油管，包括局部收縮處的油管、短管、高壓管、回油管以及吸油管。

管道內(nèi)徑的計(jì)算公式具體如下：

式中，l是油管允許流速。

各種液壓油管的允許流速具體如下：局部收縮處的油管5.0 m/s~7.0 m/s；短管5.0 m/s~7.0 m/s；高壓管3.0 m/s~5.0 m/s；回油管2.0 m/s~2.5m/s；吸油管1.0 m/s~1.5 m/s。

管道壁厚的計(jì)算公式具體如下：

式中，ι是油管的安全系數(shù)；φ是管材抗拉強(qiáng)度。

其中，各種液壓油管的安全系數(shù)具體如表1所示。

表1 各種液壓油管的安全系數(shù)

1.3 電氣控制裝置優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

優(yōu)化改造電氣控制裝置，設(shè)計(jì)一種由可編程控制器、供電模塊等構(gòu)成的電氣控制裝置。

1）供電模塊的設(shè)計(jì)。選用兩臺電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)液壓泵站的動(dòng)力供應(yīng)，并使用電氣開關(guān)控制兩臺電動(dòng)機(jī)的啟停操作。其中，所選用的電氣開關(guān)為電氣控制柜，由斷路器、阻容吸收器等構(gòu)成[9]。選用三相330 V 交流電對其他電氣元件進(jìn)行供電，并通過變壓器對該交流電的相電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體轉(zhuǎn)換結(jié)果如表2所示。

表2 相電壓轉(zhuǎn)換結(jié)果

其中，36 V 用于油缸與張緊小車的供電；180 V用于PLC 供電；220 V 用于電液比例節(jié)流閥、液壓絞車、蓄能器以及拉力傳感器的供電。選用S7-200 系列的可編程控制器，具體型號為 S7-CPU224XP。通過該可編程控制器對卷帶流程進(jìn)行控制，具體操作流程如下：

①運(yùn)行卷帶程序。

②啟動(dòng)液壓泵站并加載壓力程序。

③當(dāng)壓力過低時(shí)，進(jìn)行泵站補(bǔ)壓，否則正常啟動(dòng)卷帶裝置。

④開始自動(dòng)卷帶。

⑤運(yùn)行張緊力檢測程序，檢測張緊力是否超過設(shè)定值。

⑥當(dāng)實(shí)際張緊力值比設(shè)定值大時(shí)，將電液比例節(jié)流閥直接調(diào)到大流量的控制方向；當(dāng)實(shí)際張緊力值未超過設(shè)定值時(shí)，將確認(rèn)卷帶是否結(jié)束，若卷帶結(jié)束，直接結(jié)束該運(yùn)行程序[10]。

2）設(shè)計(jì)一個(gè)壓力加載與泵站啟動(dòng)程序，具體如下：

①開始運(yùn)行程序。

②啟動(dòng)伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置，確認(rèn)裝置是否過載，若過載，進(jìn)行故障報(bào)警，并停止裝置的運(yùn)行；若不過載，啟動(dòng)張緊電機(jī)與卷帶，張緊電機(jī)與卷帶的輸入輸出地址得電。

③結(jié)束該運(yùn)行程序。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用基于農(nóng)業(yè)作業(yè)的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置優(yōu)化改造設(shè)計(jì)方法，對傳統(tǒng)的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，并進(jìn)行測試，觀察其實(shí)際表現(xiàn)性能。本次測試的目的如下：

1）驗(yàn)證優(yōu)化改造后的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置與農(nóng)業(yè)作業(yè)是否有良好的匹配性。

2）在安裝完該裝置后，利用該裝置實(shí)施農(nóng)業(yè)作業(yè)時(shí)，測試具體卷帶性能，并測試需要多少名實(shí)際操作人員，觀察是否實(shí)現(xiàn)員工勞動(dòng)強(qiáng)度及作業(yè)時(shí)間的降低。

因此，在某農(nóng)作物的收割與運(yùn)輸作業(yè)中利用優(yōu)化改造后的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置輔助某帶式輸送機(jī)進(jìn)行農(nóng)作物輸送。對比分析優(yōu)化前與優(yōu)化后裝置的表現(xiàn)性能，以獲得優(yōu)化改造后確切的性能提升數(shù)據(jù)。

2.2 測試結(jié)果

2.2.1 卷帶性能測試

利用兩種裝置輔助農(nóng)作物輸送時(shí)，測試兩種裝置的卷帶性能，測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 兩種裝置的卷帶性能

根據(jù)圖1 的測試結(jié)果，在進(jìn)行120 m 的卷帶操作時(shí)，優(yōu)化改造后的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置需要的操作時(shí)間更短，說明該機(jī)械裝置更加順滑，卷帶性能更好，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)時(shí)間的縮短，而傳統(tǒng)伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置需要的操作時(shí)間更長。

同時(shí)，在利用優(yōu)化改造后的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置輔助農(nóng)作物輸送時(shí)，該裝置與農(nóng)業(yè)作業(yè)的空間匹配度較好，與現(xiàn)場的環(huán)境較為協(xié)調(diào)，說明優(yōu)化改造后的伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置與農(nóng)業(yè)作業(yè)有著良好的匹配性，適合用于農(nóng)業(yè)作業(yè)，也就是達(dá)到了本次改造設(shè)計(jì)的目的。

2.2.2 操作人員數(shù)量及其勞動(dòng)強(qiáng)度測試

利用兩種裝置輔助農(nóng)作物輸送時(shí)，測試兩種裝置需要的操作人員數(shù)量及其勞動(dòng)強(qiáng)度，具體測試結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3 的測試結(jié)果，優(yōu)化改造后，該機(jī)械可以大幅減少農(nóng)作物輸送時(shí)的操作人員數(shù)量，僅需3 名操作人員就可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物輸送的相關(guān)操作。同時(shí)，使用優(yōu)化改造后的機(jī)械裝置能夠同步降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度與縮短作業(yè)時(shí)間的效果。

表3 操作人員數(shù)量及其勞動(dòng)強(qiáng)度測試結(jié)果

3 結(jié)語

本研究根據(jù)農(nóng)業(yè)作業(yè)的需求，從三方面對傳統(tǒng)伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置進(jìn)行了改造，包括卷筒、張緊裝置以及電氣控制裝置，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)裝置全方位的性能提升，對于伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置的推廣應(yīng)用起到了很大作用，取得了一定效果。但由于研究時(shí)間與研究精力的限制，很多細(xì)節(jié)都沒有顧及到，僅針對一些大的裝置部分實(shí)施了優(yōu)化改造。今后將繼續(xù)對細(xì)節(jié)處進(jìn)行優(yōu)化改造，并進(jìn)行更加深入的研究，使伸縮式輸送卷帶機(jī)械裝置更加適應(yīng)農(nóng)業(yè)作業(yè)，努力將該裝置推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。