帶式輸送機(jī)時(shí)變負(fù)載智能控制的研究

徐英鵬

（永定莊煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機(jī)作為散裝物料運(yùn)輸?shù)闹饕b備，因其運(yùn)距遠(yuǎn)、運(yùn)量大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及運(yùn)輸成本低等特點(diǎn)，成為煤礦及其附屬企業(yè)的重要運(yùn)輸手段之一[1]。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求量越來越大，同時(shí)，隨著科技的進(jìn)步及制造業(yè)的快速發(fā)展，帶式輸送機(jī)運(yùn)力越來越大，運(yùn)輸距離越來越遠(yuǎn)。煤礦采掘受班組調(diào)度、地質(zhì)環(huán)境、開采設(shè)備狀態(tài)等因素的影響，運(yùn)輸物料負(fù)載具有時(shí)變特征，而帶式輸送機(jī)在運(yùn)力設(shè)計(jì)時(shí)，考慮過載的安全裕度，防止由驅(qū)動(dòng)功率不足導(dǎo)致的輸送帶磨損、撕裂等惡性事故發(fā)生，帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)功率會(huì)按照最大負(fù)載恒定運(yùn)行，造成能源的巨大浪費(fèi)[2]。因此，進(jìn)行帶式輸送機(jī)智能控制研究，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸物料的實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的智能決策，控制系統(tǒng)的智能控制尤為重要。

1 輸送帶負(fù)載的分析

帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗功率P與運(yùn)行阻力F及輸送帶帶速v有如下關(guān)系：

其中，運(yùn)行阻力主要包括輸送帶壓陷阻力、輸送帶彎曲阻力、物料變形阻力、落料區(qū)物料與輸送帶摩擦阻力、提升阻力及其他阻力。

輸送帶在運(yùn)行過程中，由于受到物料的重力及托輥的支撐力作用，輸送帶會(huì)產(chǎn)生凹陷，由于輸送帶黏彈性特征，壓陷接觸區(qū)域?yàn)榉菍?duì)稱狀態(tài)[3]，其動(dòng)態(tài)接觸狀態(tài)如圖1 所示。

由圖1 可以看出，輸送帶與托輥靜態(tài)接觸弧長為2a，當(dāng)輸送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，趨入段接觸長度為d，分離段接觸長度為c，同時(shí)輸送帶應(yīng)力與應(yīng)變曲線分別對(duì)應(yīng)σ 和ε。

圖1 輸送帶與托輥動(dòng)態(tài)接觸曲線

因此，根據(jù)上述輸送帶壓陷模型，輸送帶在運(yùn)行過程中壓線段的不對(duì)稱形變，托輥對(duì)輸送帶的壓陷力合力為一個(gè)垂直向下的力P1和一個(gè)滾阻力偶M[4]。得出輸送帶在與某一托輥接觸周期T段，所消耗的功W為：

式中：M為壓陷阻力偶；φ 為托輥在T/2 內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度。

因此，輸送帶所受壓陷阻力F為：

式中：R為托輥半徑。

輸送帶運(yùn)行過程中，輸送帶的承載分支與回程分支在輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾發(fā)生持續(xù)彎折，輸送帶彎曲阻力主要是輸送帶在機(jī)頭和機(jī)尾彎曲過程產(chǎn)生的阻力[4]。

帶式輸送機(jī)運(yùn)送散裝物料，常常將承載分支散裝物料截面設(shè)計(jì)為U 型或V 型，物料在運(yùn)行過程中，保持該形狀而導(dǎo)致的互相之間的擠壓和摩擦產(chǎn)生的阻力為物料變形阻力[5]。

目前，對(duì)于礦用帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力大多采用經(jīng)驗(yàn)公式，一般地采用下式作為輸送帶主要阻力，

式中：F為主要阻力；L為輸送帶長度；θ 為輸送帶傾角；qR為托輥單位米質(zhì)量；qG為單位米物料質(zhì)量；qB為單位米輸送帶質(zhì)量；f為模擬摩擦系數(shù)；g為重力加速度。

散裝物料從導(dǎo)料槽落在輸送帶時(shí)，由于散裝物料速度方向?yàn)榇怪庇谳斔蛶?，與輸送帶運(yùn)動(dòng)方向不一致，因此，輸送帶通過摩擦力對(duì)散裝物料做功，對(duì)其進(jìn)行加速。對(duì)于帶式輸送機(jī)而言，此項(xiàng)做功計(jì)入附加阻力范疇，為落料區(qū)物料與輸送帶摩擦阻力。附加阻力FN經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：C為輸送帶長度比例系數(shù)；

2 控制策略的建立

對(duì)輸送帶各落料區(qū)投入物料進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用電子皮帶秤反饋輸送帶負(fù)載時(shí)變信息。

當(dāng)運(yùn)量Q一定時(shí)，輸送帶處于較小帶速情況下消耗功率最低，但是實(shí)際工況中，給煤量不穩(wěn)定，若帶速太低很容易導(dǎo)致堆煤、溢煤情況的發(fā)生。因此需建立運(yùn)量Q與速度、煤料截面積的關(guān)系為：

式中：S為煤料截面積；v為帶速；ρ 為煤料密度。

當(dāng)運(yùn)量一定值時(shí)，帶速與煤料截面積成反比，同時(shí)，功率消耗P與帶速成正比，即當(dāng)帶速取安全范圍內(nèi)最小值，功率消耗最低。在帶式輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，帶速不可能根據(jù)給煤量一直調(diào)整，因此，根據(jù)某型號(hào)帶式輸送機(jī)實(shí)際情況，將帶速分為九個(gè)階梯擋位進(jìn)行控制，具體帶速劃分如圖2 所示。

圖2 帶速階梯圖

3 控制響應(yīng)的仿真

根據(jù)上述控制策略，控制帶式輸送機(jī)最優(yōu)帶速時(shí)，采用變頻器調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于給煤量的時(shí)變特征，如果采用實(shí)時(shí)測(cè)量值控制輸送機(jī)帶速會(huì)造成較大的滯后，因此控制方案采用模糊PID控制，通過對(duì)給煤量的不斷學(xué)習(xí)及提前預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)輸送帶最優(yōu)帶速運(yùn)行。

采用MATLAB 的模糊邏輯工具箱及其Simulink模塊，對(duì)帶式輸送機(jī)自適應(yīng)模糊PID 控制進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制仿真模型

將輸送帶工況輸入系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行仿真，得到帶速響應(yīng)曲線如圖4 所示。

圖4 帶速響應(yīng)對(duì)比圖

對(duì)采用模糊PID 控制的帶速響應(yīng)曲線與傳感器反饋計(jì)算帶速響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比，模糊PID 控制帶速超調(diào)量小，且6.8 s 即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，采用模糊PID 控制方法可滿足帶式輸送機(jī)階梯帶速控制的要求。

4 結(jié)論

1）帶式輸送機(jī)主要阻力為由煤料裝載引起的托輥對(duì)輸送帶壓陷阻力及帶式輸送機(jī)布置高度起伏引起的煤料提升阻力；

2）當(dāng)帶式輸送機(jī)運(yùn)量Q一定時(shí)，影響輸送機(jī)功率的主要因素為帶速；

3）對(duì)時(shí)變帶速進(jìn)行階梯化劃分可在滿足帶式輸送機(jī)節(jié)能的同時(shí)提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

4）通過對(duì)輸送帶控制系統(tǒng)仿真分析，得出模糊PID 控制可對(duì)輸送機(jī)帶速有效控制，且超調(diào)小、快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)。