张 雷

（河北省机电一体化中试基地，河北 石家庄 050081）

引言

布料车在国内主要应用于钢铁系统和港口码头，是整套皮带输送线的关键设备。它的作用是在输料系统中将上料皮带机上的不同配料卸在指定的料仓里，为达到这一目的，布料车需要沿着上料皮带机运行方向进行正反方向的频繁往复运行。目前大多数布料车的操作都是由人工来完成，工人的专业素质和技术水平直接影响布料结果和效率；且工作现场环境恶劣，粉尘噪音等污染很严重，使得布料过程中存在很多安全隐患。笔者以矿用布料车为研究对象，通过实地考察，将矿山机械与过程控制有机结合，研制出一种操作维修方便、布料高效均匀、自动化程度高、性能稳定的矿用全自动布料车，极大的提高了矿场布料生产的自动化程度和可靠性，具有很好的经济和社会效益。

1 设计原理

矿用全自动布料车是与带式输送机配套使用的卸料设备。输送机上的矿石或煤炭在输送到位后，通过全自动布料车均匀布料到料仓。针对布料车具有重载、大惯性、多料仓选择、启停频繁的特性，选用功能可靠的接近开关，确定各个料仓的位置，结合雷达料位，以实现模糊控制，从而达到布料车自动控制布料位置的生产要求；利用独特的双卸料漏斗设计，配合比例调节阀，动态调整卸料口出料量来实现配料的需求；利用变频电机驱动减速机带动主动轮行走和刹车，再辅助以变频器制动单元，以保证布料车瞬时刹车；利用西门子S7－200smart系列作为控制核心，与触摸屏相结合组成监控一体化的自动控制系统，方便工作人员操作和监控。

2 机械结构系统设计

布料车是与带式输送机配套的关键卸料设备，整套机械结构主要是包括车架、托辊组件、卸料漏斗、驱动装置等组成。如图1所示。

图1 结构示意图

2.1 车架设计

布料车的核心部件是车架，为满足车架在运输及卸料过程中运行稳定、承载强度高的要求，通过对车架进行受力分析，安装了符合国家标准及现场工艺需求设计的结构部件，并将承载的托辊组件、卸料漏斗、驱动装置与车架连接固定，以提高整机作业时的整体稳定性。

2.2 托辊组件设计

托辊组件是与前端的输送带相连，它在很大程度上决定带式输送机的使用效果和使用寿命，它的选择与托辊所受静、动载荷有关。托辊所受的静载荷为

式中，P0为承载托辊静载荷，e为辊子载荷系数，Na为托辊间距，Im为输送能力，V为带速，Nb为每米输送带的质量。

托辊所受动载荷为

式中，P1为承载托辊动载荷，fa为运行系数，fb为冲击系数，fc为工况系数。通过比较静、动载荷的计算值查辊子承载能力表可以确定所需的托辊型号［1］。

2.3 卸料漏斗设计

根据现场生产线需求的特性，将卸料漏斗设计为品字形结构。工作时，物料经过皮带向上传输，当物料运输到小车皮带的最高处时，由于惯性作用落入卸料漏斗中，经过漏斗分流，再通过导向挡板布料到下面料仓，导向挡板的设计需要参考输送物料的种类及大小，通过调整导向挡板的距离和角度来控制流量。

2.4 驱动装置设计

驱动装置一般由电动机、联轴器、减速器、传动滚筒及控制装置组成。

由于布料车的大重量、大惯性的特点，由变频器配制动电阻驱动电动机带动主动轮行走和刹车，电动机选择通用型电机，以便于维护与更换；联轴器是用来连接动力源与工作执行机构的装置。由于制造、安装误差及结构变形等影响，因此要求联轴器具有在一定位移范围内的调节适应能力；减速机的类型很多，根据现场实际情况，选择圆锥－圆柱齿轮减速器，这样可以将输送机与电动机平行布置，从而减小驱动装置的占用空间。

传动滚筒是由动力源驱动并依靠滚筒表面与皮带之间的摩擦力来带动输送皮带运行的部件，有光面和胶面之分。而本设计中采用了一种特殊的传动滚筒——电动滚筒，它是一种将电机和减速机共同置于滚筒体内部的新型驱动装置。与传统的分离式驱动装置相比，电动滚筒具有结构紧凑、传动效率高、噪声低、使用寿命长、运转平稳、工作可靠、密封性好、占据空间小等诸多优点［2］。

3 控制系统设计

布料车自动控制系统的设计包括布料车检测系统、布料车行走控制系统、料仓料位检测系统、控制中心等。

3.1 下位机系统

下位机采用可编程控制器西门子S7－200smart为控制核心，采集布料小车位置、行走速度及料仓料位等参数，操作人员可以通过友好的人机界面控制小车的正反向行走、停止及卸料等动作，其控制方式分为半自动控制及全自动控制。

3.1.1 半自动控制

操作人员观察各个料仓的料位情况，跟据实际需求选择目标料仓及目标料位，可编程控制器接收到指令后，给变频器指令，驱动电机带动小车到达指定的料仓位置开始卸料，当料仓达到所设定的料位时停止卸料，此时一个卸料周期结束，操作人员重新选择料仓。

3.1.2 全自动控制

全自动控制需要操作人员提前设置变频器运行频率、料仓容量和卸料轨迹等参数。系统开始运行后，布料小车在带式输送机上做往复运动，当到达一个料仓时，可编程控制器检测当前料仓料位。如果料位小于设定参数，小车停止移动并开始卸料，卸料完成后，小车保持之前运动方向继续移动；如果料位大于等于设定参数，则小车自动跳过当前料仓向下一个料仓移动。当小车移动到初始料仓或末尾料仓时，自动转换方向，周而复始。程序流程如图2所示［3］。

3.2 上位机系统

上位机系统是在触摸屏上模拟现场布料小车的运行状况，可编程控制器将采集到的参数通过以太网通讯协议上传到触摸屏，在触摸屏上能够显示布料小车和料仓容量等相关数据的实时状态。工作人员可以根据生产需要及物料特性通过触摸屏来设置布料小车的速度，以保证布料小车的匀速性、准确性。提供实时报警、故障停机及报警查询功能，确保系统运行安全可靠，检修方便快捷。

随着矿用全自动布料车的推广及应用，上位机系统可以根据用户的需求，添加相应的辅助功能。例如，历史报表的功能可以记录各个料仓布料的持续时间、种类及料位；班产量的功能可以代替传统的交接班制度，使交接班及班产量的统计更加直观、快捷；事件记录的功能可以将工作人员的所有操作记录下来，管理员通过事件记录的界面可以查询各个电机及变频器启动的时刻，开始自动及停止自动的时刻，从而根据实际工况对操作人员进行统筹管理，最终达到优化生产的目的。

图2 程序流程图

4 结论

将可编程控制器技术应用到布料车中，是典型的高新技术改造传统工业。经过在承德天宝集团铁矿石原料厂使用，全自动布料车不仅可以改善操作人员工作环境，降低运行成本，还能通过精确位置控制来实现多点均匀布料，从而稳定优化生产，提高市场竞争力。

［1］ 彭利刚.带式输送机设计中托辊的计算和选择［J］.煤矿开采，2008，（2）：87－89.

［2］ 侯启勋.井下运输发展概况与趋势［J］.煤矿设计，1998，（5）：13－19.

［3］ 廖常初.S7－200SMART PLC编程及应用［M］.北京：机械工程出版社，2013.