刮板輸送機(jī)用可控啟動(dòng)傳輸裝置控制系統(tǒng)仿真研究

王亞濱，　廉自生，　崔紅偉

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原　030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原　030024)

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刮板輸送機(jī)用可控啟動(dòng)傳輸裝置控制系統(tǒng)仿真研究

王亞濱1,2，廉自生1,2，崔紅偉1,2

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原030024)

摘要：分析了刮板輸送機(jī)可控啟動(dòng)傳輸裝置啟動(dòng)特性和電液伺服控制特性，介紹了可控啟動(dòng)傳輸裝置及其控制系統(tǒng)的組成和工作原理?；贏MESim仿真軟件，建立了電動(dòng)機(jī)模型、可控啟動(dòng)傳輸裝置模型、刮板輸送機(jī)模型、轉(zhuǎn)速與壓力兩級負(fù)反饋PID閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，對刮板輸送機(jī)正常軟啟動(dòng)工況以及平穩(wěn)運(yùn)行階段負(fù)載突變工況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，通過PID整定的電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)滿足了刮板輸送機(jī)的軟啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)特性要求。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機(jī)； 可控啟動(dòng)傳輸裝置； 電液伺服控制； PID控制

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1459.010.html

0引言

隨著煤礦綜采工作面機(jī)械化程度的提高，刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。刮板輸送機(jī)常采用的軟啟動(dòng)方式包括閥控充液式液力耦合器軟啟動(dòng)、變頻啟動(dòng)、可控啟動(dòng)傳輸裝置(Controlled Starting Transmission，CST)軟啟動(dòng)等[1-3]。CST主要用于帶式輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)的軟啟動(dòng)，具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)速度平穩(wěn)、對電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)。CST通過一套電液伺服控制系統(tǒng)控制伺服閥的輸出壓力，從而控制輸送機(jī)的啟動(dòng)過程。電液伺服控制系統(tǒng)具有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)、功率密度大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[4]。

何鴻志[5]采用串級調(diào)節(jié)速度控制方法分析了正常狀態(tài)下CST實(shí)際運(yùn)行曲線；侯旭瑋[6]研究了CST的啟動(dòng)特性，提出使用PID閉環(huán)控制優(yōu)化系統(tǒng)控制性能；張述坤等[7]采用試湊法確定了帶式輸送機(jī)用CST控制系統(tǒng)的PID參數(shù)?，F(xiàn)有研究多以帶式輸送機(jī)為負(fù)載，缺少以刮板輸送機(jī)為負(fù)載并綜合考慮電動(dòng)機(jī)、CST、刮板輸送機(jī)特性的相關(guān)研究。本文通過分析CST控制刮板輸送機(jī)的過程，利用AMESim仿真軟件建立了電動(dòng)機(jī)、CST、刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)速與壓力2級負(fù)反饋PID閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，對刮板輸送機(jī)正常軟啟動(dòng)及平穩(wěn)運(yùn)行階段負(fù)載突變2種工況進(jìn)行了仿真分析。

1CST及其控制系統(tǒng)組成

1.1CST組成及工作原理

CST是一種多級齒輪減速器，多用于礦山輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)，能保證大慣性負(fù)載的平滑啟動(dòng)。CST主要由齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、液黏離合器、液壓伺服控制系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)、傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

CST正常工作時(shí)，高壓油液經(jīng)徑向柱塞泵、過濾器、伺服閥作用于伺服油缸，從而控制施加于液黏離合器上的壓力，起到控制離合器輸出轉(zhuǎn)矩的作用。CST液壓伺服控制系統(tǒng)如圖2所示。

1-傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); 2-液壓伺服控制系統(tǒng);

1-徑向柱塞泵； 2-過濾器； 3-安全閥； 4-伺服閥；

1.2CST控制系統(tǒng)組成

CST配置有多種傳感器進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，包括輸入轉(zhuǎn)速傳感器、輸出轉(zhuǎn)速傳感器、離合器壓力傳感器、壓差傳感器、離合器溫度傳感器、高壓油溫度傳感器等。其中，正常工作時(shí)，對刮板輸送機(jī)啟動(dòng)控制起調(diào)節(jié)作用的是輸出轉(zhuǎn)速傳感器與離合器壓力傳感器，它們分別反饋CST輸出轉(zhuǎn)速信號和伺服閥輸出壓力信號，構(gòu)成了控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與壓力控制閉環(huán)的反饋環(huán)節(jié)。其余傳感器起監(jiān)測報(bào)警作用，當(dāng)測量值出現(xiàn)異常時(shí)，反饋停機(jī)信號，直接使離合器泄壓，從而保護(hù)減速器和電動(dòng)機(jī)。CST正常工作時(shí)，其控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　CST控制系統(tǒng)

2系統(tǒng)仿真模型

2.1電動(dòng)機(jī)模型

礦用刮板輸送機(jī)CST所配套的電動(dòng)機(jī)是三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。液體黏性摩擦調(diào)速離合器位于異步電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間，接收異步電動(dòng)機(jī)傳來的動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。通常根據(jù)負(fù)載的軸功率和轉(zhuǎn)速要求來選定異步電動(dòng)機(jī)，所選電動(dòng)機(jī)額定功率要大于負(fù)載的軸功率(即負(fù)載的輸入功率)，以保證一定的功率儲(chǔ)備。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)特性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為

(1)

式中：s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s=0.02；n1為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，r/min；f1為異步電動(dòng)機(jī)電流的頻率，f1=50 Hz；p為異步電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)，p=2。

2.2CST主機(jī)模型

CST主機(jī)模型包括齒輪減速器模型、伺服閥模型和液黏離合器模型。

(1) 齒輪減速器模型。CST采用4級齒輪減速機(jī)構(gòu)。其中，第1級為圓錐齒輪減速機(jī)構(gòu)，速比為31∶12；第2，3級均為斜齒圓柱齒輪減速機(jī)構(gòu)，速比分別為67∶61，61∶28；第4級為行星減速機(jī)構(gòu)，行星排特征參數(shù)為4.4。

(2) 伺服閥模型。CST液壓控制系統(tǒng)選用D631伺服控制閥，該伺服閥由先導(dǎo)級、反饋機(jī)構(gòu)和主級構(gòu)成。先導(dǎo)級獲得來自控制器的輸入指令信號，提供主級閥芯移動(dòng)所需要的液壓力。反饋機(jī)構(gòu)通過反饋彈簧，獲得主級閥芯到先導(dǎo)級的實(shí)際位移。主級閥芯控制閥的輸出流量，并為先導(dǎo)級提供機(jī)械反饋。

(3) 液黏離合器模型。根據(jù)液黏離合器傳遞扭矩特性，多個(gè)摩擦副所能傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于額定轉(zhuǎn)矩，則

(2)

式中：T為額定轉(zhuǎn)矩；n為摩擦副數(shù)目(摩擦表面對數(shù))，n=46；K為壓緊力遞減系數(shù)，K=0.77；f為動(dòng)摩擦系數(shù)，f=0.14；F為摩擦面的壓緊力；R為環(huán)形摩擦面的外半徑，R=332 mm；r為環(huán)形摩擦面的內(nèi)半徑，r=256 mm。

在主機(jī)輸出轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到輸入轉(zhuǎn)速，即摩擦離合器動(dòng)、靜摩擦片處于相對滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，液體黏性摩擦離合器的工作機(jī)理是液體黏性傳動(dòng)，即利用圓盤油膜傳遞轉(zhuǎn)矩。此時(shí)整個(gè)液體黏性摩擦調(diào)速離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩為

(3)

式中：μ為油液的動(dòng)力黏度，μ=0.184 8 Pa·s；ω1為主動(dòng)摩擦片角速度，r/min；ω2為被動(dòng)摩擦片角速度，r/min；δ為油膜厚度，mm。

由以上模型可知，液黏傳動(dòng)摩擦調(diào)速離合器在由空載打滑到滿載抱死的過程中，離合器輸出轉(zhuǎn)矩與油膜厚度成反比例變化，如果綜合考慮溫度對油液屬性的影響，離合器輸出轉(zhuǎn)矩將隨輸入壓力信號的增加成非線性趨勢增長，直到離合器動(dòng)靜摩擦片轉(zhuǎn)速差為零，輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。

2.3刮板輸送機(jī)負(fù)載模型

刮板輸送機(jī)有載分支的基本運(yùn)行阻力為

(4)

式中：q為刮板輸送機(jī)單位長度貨載質(zhì)量，q=593 kg/m；c為物料在中部槽中移動(dòng)的阻力系數(shù)，c=0.6；q0為刮板鏈條單位長度質(zhì)量，q0=98 kg/m；c′為刮板鏈條在有載分支中部槽中移動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)，c′=0.4；L為刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)長度，L=229.5 m；“±”根據(jù)刮板鏈條向上運(yùn)輸時(shí)取“+”，反之取“-”。

刮板輸送機(jī)無載分支的基本運(yùn)行阻力為

(5)

式中：c″為刮板鏈條在無載分支中部槽中移動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)，c″=0.4。

刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，負(fù)載由靜止到運(yùn)動(dòng)，其摩擦阻力會(huì)由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，摩擦阻力系數(shù)不同，因此，在啟動(dòng)過程中，負(fù)載扭矩具有啟動(dòng)非線性。在AMESim中，利用集中質(zhì)量模型構(gòu)建負(fù)載。

2.4系統(tǒng)仿真模型

CST控制系統(tǒng)核心元件為電液伺服閥，控制信號由多層閉環(huán)反饋系統(tǒng)提供。本文采用PID控制算法，并利用AMESim仿真軟件對CST控制系統(tǒng)進(jìn)行全局建模，建立了電動(dòng)機(jī)、CST、刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)速與壓力兩級負(fù)反饋PID閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，如圖4所示。

1-刮板輸送機(jī)負(fù)載模型； 2-電動(dòng)機(jī)模型； 3-齒輪減速器模型；

3CST系統(tǒng)仿真分析

CST系統(tǒng)通過PID控制器將信號調(diào)整為伺服閥所能接收的電流信號，從而調(diào)整壓力。根據(jù)伺服閥的動(dòng)態(tài)仿真特性，確定壓力反饋PID控制器比例增益為2，積分增益為0.01，微分增益為0。轉(zhuǎn)速反饋PID控制器的參數(shù)按照Ziegler-Nichols整定法計(jì)算得到初始值，然后利用模型仿真進(jìn)行微調(diào)修正，得到比例增益為5.5，積分增益為4.75，微分增益為0.02。

3.1CST系統(tǒng)輸入信號

刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，若直接啟動(dòng)加速會(huì)產(chǎn)生較大的速度振動(dòng)，為了減小這種由負(fù)載干摩擦阻力引起的振動(dòng)，采用預(yù)啟動(dòng)技術(shù)，加速階段按照S形曲線變化規(guī)律加速[8]。故給定仿真信號為刮板輸送機(jī)理想啟動(dòng)曲線，如圖5所示。其中，T0段為電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)階段，T1段為預(yù)啟動(dòng)階段，T2段為加速啟動(dòng)階段，T3段為穩(wěn)定運(yùn)行階段。

圖5　刮板輸送機(jī)理想啟動(dòng)曲線

3.2正常軟啟動(dòng)工況

給定系統(tǒng)輸入信號，設(shè)定仿真參數(shù)，在正常負(fù)載工況下對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到CST控制特性，如圖6所示。由圖6(a)可知，在預(yù)啟動(dòng)完成后，實(shí)際鏈輪轉(zhuǎn)速完成了對給定信號的跟隨，說明此時(shí)刮板輸送機(jī)已克服負(fù)載阻力并完全啟動(dòng)，從而在進(jìn)入加速啟動(dòng)階段后，輸出鏈輪轉(zhuǎn)速可以按照輸入的“S”曲線變化規(guī)律平穩(wěn)加速。刮板輸送機(jī)完全啟動(dòng)之前，負(fù)載速度始終低于給定速度，偏差信號使得轉(zhuǎn)速PID的輸出信號不斷增大，伺服閥壓力輸出信號相應(yīng)增大(圖6(b))，CST輸出轉(zhuǎn)矩隨之增大，直到滿足負(fù)載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，刮板輸送機(jī)完全跟隨啟動(dòng)(圖6(c))。仿真結(jié)果表明，通過PID整定的電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度滿足工作需求。

(a) 給定鏈輪轉(zhuǎn)速信號與實(shí)際輸出信號

(b) 轉(zhuǎn)速PID輸出信號與伺服閥壓力輸出信號

(c) CST輸出特性

3.3負(fù)載突變工況

當(dāng)仿真運(yùn)行到50 s時(shí)，刮板輸送機(jī)已平穩(wěn)啟動(dòng)，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，假定此時(shí)負(fù)載發(fā)生突變，由輕載變?yōu)橹剌d，修改刮板輸送機(jī)模型仿真參數(shù)，并運(yùn)行仿真，得到負(fù)載突變工況下CST控制特性，如圖7所示。由圖7可知，負(fù)載加大導(dǎo)致鏈輪處負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，大于CST輸出轉(zhuǎn)矩，液黏離合器打滑，輸出轉(zhuǎn)速下降(圖7(a))，轉(zhuǎn)速PID輸入偏差信號增大，輸出信號相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致壓力PID輸入偏差信號增大，輸出壓力控制信號增大，伺服閥壓力輸出相應(yīng)增大(圖7(b))，使得離合器和CST輸出轉(zhuǎn)矩增大，直至與負(fù)載轉(zhuǎn)矩重新平衡(圖7(c))。整個(gè)調(diào)整過程持續(xù)時(shí)間約為10 s，10 s后系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

(a) 給定鏈輪轉(zhuǎn)速信號與實(shí)際輸出信號

(b) 轉(zhuǎn)速PID輸出信號與伺服閥壓力輸出信號

(c) CST輸出特性

4結(jié)語

利用AMESim仿真軟件對刮板輸送機(jī)CST轉(zhuǎn)速與壓力2級負(fù)反饋PID閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，直觀反映出CST控制系統(tǒng)工作時(shí)的控制特性。仿真結(jié)果表明，在正常軟啟動(dòng)和負(fù)載突變工況下，通過PID整定的電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)均可平穩(wěn)運(yùn)行，且最終不存在穩(wěn)態(tài)誤差，滿足刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)特性控制的穩(wěn)定性要求。同時(shí)，仿真結(jié)果為CST軟啟動(dòng)性能的預(yù)測和PID電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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Simulation research on control system of CST for scraper conveyor

WANG Yabin1,2，LIAN Zisheng1,2，CUI Hongwei1,2

(1.College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment, Taiyuan 030024, China)

Abstract：Start characteristics and electro-hydraulic servo control characteristics of CST for scraper conveyor were analyzed, compositions and working principles of both CST and its control system were introduced. Based on AMESim software, simulation model that includes motor model, CST model, scraper conveyor model, two levels negative feedback PID closed-loop control system model of rotational speed and pressure were established. Two kinds of start working conditions of the scraper conveyor were simulated, including normal soft start condition and load mutation condition during smooth running stage. The simulation results indicate that the PID modified electro-hydraulic servo closed-loop control system can satisfy requirements of soft start functions and dynamic performances of scraper conveyor.

Key words:scraper conveyor; controlled starting transmission; electro-hydraulic servo control; PID control

文章編號：1671-251X(2016)07-0039-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.010

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-05-23；責(zé)任編輯：胡嫻。

基金項(xiàng)目：山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MJ2014-06)。

作者簡介：王亞濱(1991-)，男，山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化，E-mail:tylgwyb@163.com。

中圖分類號：TD634.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-07-05 14:59

王亞濱，廉自生，崔紅偉.刮板輸送機(jī)用可控啟動(dòng)傳輸裝置控制系統(tǒng)仿真研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(7)：39-43.