皮带输送机稳定性研究

胡晓杰

（山西潞安工程有限公司， 山西 长治 046102）

引言

随着运输距离、速度和载荷的增加，皮带输送机的离心问题变得越来越严重。皮带输送机离心是指皮带输送机沿输送带长度方向的中心线偏离滚筒中心线的现象，这是皮带输送机在运行过程中最常见的问题[1-3]。该问题会增加操作阻力，使材料容易损坏。当存在严重偏差时，会撕裂皮带输送机的皮带，必须停止生产，因此对经济效率有显著影响。如今皮带输送机系统正朝着更大容量、更远距离、更高速度、更高精度的方向发展，因此，皮带输送机离心问题的影响也更大。深入研究皮带输送机的偏转机理和在较高速度下的运动稳定性控制是十分必要的。只有这样，才能提高皮带输送机的水平力、摩擦力和工作效率，从而降低皮带输送机的运行成本。

本研究根据皮带输送机运行系统的实际结构，建立了其集总参数模型，分析了皮带输送机运行偏差机理的表征。研究了皮带输送机的速度、动载荷和滚筒离心对皮带输送机稳定性的影响。为了提高皮带输送机的稳定性，采用模糊自适应控制器对滚筒离心进行控制。

1 皮带输送机系统的建模

皮带输送机系统包括用于驱动输送机的滚筒，用于引导皮带输送机运动的两个滚筒，用于输送物料的皮带输送机，如图1 所示。力模型和速度模型如图2所示，vb、vp分别为皮带输送机与滚筒的切线速度；F为动载荷，定义为皮带输送机上物料的质量作用于滚筒上，Ft和Fa为皮带输送机的切向力和轴向力。

图1 实际结构和压板辊系统模型

图2 冲击滚筒系统的力和速度

在无动载荷F 的理想运行条件下，压板辊的离心角α 为0，其中压板辊与皮带输送机的水平力分量Fa为0，即vb=v。然而，在皮带输送机上物料的各种动载荷F 冲击滚筒时，滚筒的离心角α 可能不为0。

在动载荷F 的影响下，假设压板辊的离心角为α，则Ft和Fa的力分量计算为：

其中，压板辊的水平力Fa倾向于向轴向推动皮带输送机，导致皮带输送机不稳定。因此，皮带输送机的速度受滚筒离心的影响，确定如下：

2 结果分析

2.1 皮带输送机跑偏机理的表征

为了研究皮带输送机跑偏机理的表征，选取F={0，50，100}N、vb={0 ～10}m/s、vp={0 ～10}m/s、α={0 ～10}°等一系列皮带输送机的动态参数进行仿真分析。参数对皮带输送机运行偏差机理影响的仿真结果如下页图3 所示。

压板辊离心的影响可以忽略不计，然而水平力强烈受压板辊偏心的影响，特别是在提高皮带输送机的动态负载F 的基础上，如图3-2 所示。因此，这意味着压板辊的离心量增加一个小值，就足以使皮带输送机运行不稳定。皮带输送机的稳定性不仅受水平力Fa的影响，还受水平速度vx的影响。

图3 切向力、轴向力和速度对皮带输送机运行偏差机理的影响

图3-3 中，在vp和vb参数的各种模拟条件下，随着压板辊离心率的增加，水平速度vx迅速增加。因此，在只改变滚筒离心量很小的情况下，水平速度vx也迅速增加，增加皮带输送机速度时，使皮带输送机不稳定。因此，皮带输送机运行的稳定性在很大程度上取决于滚筒的离心，特别是在皮带输送机高动载荷和高速度的情况下。为了提高皮带输送机的稳定性和性能，应控制滚筒的离心。

2.2 皮带输送机的稳定性控制

模糊控制包括“模糊化界面”“模糊推理系统”和“去模糊化界面”。首先，将模糊化中的模糊值转化为语言变量。然后，模糊规则根据推理规则使用模糊推理系统。最后，通过去模糊化，语言变量被转换回清晰的值。角偏差α=e 和动态负荷F=ec是模糊控制的反馈信号，通过定义的语言变量和If函数规则计算和确定控制力。

控制结果的轴向力Fa如图4-1 显示，当滚筒辊的离心率增加，轴向力Fa与控制相比大大减少；无控制在两个不同的负载条件下50 N 和100 N，皮带输送机特别是F 值是相对较小的α=0°～4°影响力较小。此外，图4-2 的控制结果也表明，在vb和vp的不同速度下，特别是α=0°～6°时，控制水平速度vx随压板辊离心率的增加而缓慢增加。因此，当皮带输送机速度和压路机滚筒离心距增大时，通过稳定性控制，水平速度vx和轴向力Fa显著减小。结果表明，与无控制相比，皮带输送机系统的稳定性得到了提高。

图4 皮带输送机稳定性控制结果

3 结论

1）滚筒离心对皮带输送机的稳定性影响较大，特别是在皮带输送机负载大、速度快的情况下。

2）离心滚筒辊控制的模糊控制，轴向力和水平速度是无关紧要的，改变增加滚筒辊的离心时，特别是在α=0°时，皮带输送机系统的稳定性明显得到改善。