刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的智能化控制

衛(wèi)賢濤

（山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司， 山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的必需設(shè)備，承擔(dān)著物料的運(yùn)輸任務(wù)，充當(dāng)著采煤機(jī)導(dǎo)軌以及輔助液壓支架推移的角色，該設(shè)備是實現(xiàn)工作面高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。刮板鏈作為刮板輸送機(jī)的牽引機(jī)構(gòu)，在實際生產(chǎn)中鏈條的張緊力處于動態(tài)變化，為保證鏈條不會出現(xiàn)掉鏈、卡鏈等事故的發(fā)生，需根據(jù)刮板鏈條張力的變化智能、自動地對刮板鏈條長度進(jìn)行調(diào)整[1]。本文著重研究刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的智能化控制，為提高綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性奠定基礎(chǔ)。

1 張緊系統(tǒng)組成與性能要求

刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)是刮板輸送機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其主要功能是對刮板鏈條的調(diào)整。張緊系統(tǒng)的性能直接決定刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸性能。刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)主要由伸縮機(jī)尾、電液控制單元以及自動張緊液壓系統(tǒng)組成。其中，伸縮機(jī)尾由機(jī)尾架、鏈輪組件、推移機(jī)架、過渡槽、固定部分、推移液壓缸等組成[2]。

自動張緊液壓系統(tǒng)主要由液壓油缸、液壓閥、傳感器以及其他控制閥組成。電液控制單元根據(jù)壓力傳感器和位移傳感器所采集的數(shù)據(jù)由控制閥控制油缸及液壓閥實現(xiàn)對刮板鏈條長度的調(diào)整。

張緊液壓系統(tǒng)為刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵分系統(tǒng)，根據(jù)實際生產(chǎn)中刮板鏈條張緊力的變化，由張緊系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)的收縮閥（減壓閥）控制液壓油缸活塞進(jìn)入有桿側(cè)（進(jìn)入無桿側(cè)）完成伸縮和收縮動作。為保證張緊系統(tǒng)的性能，要求液壓系統(tǒng)具有較高的效率、較高的功率利用率以及較大的調(diào)速范圍和靈敏的調(diào)速性能等特點(diǎn)。結(jié)合實際生產(chǎn)的需求，要求自動張緊液壓系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足表1。

表1 張緊液壓系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求

2 自動張緊液壓系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 自動張緊液壓系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)某型張緊液壓系統(tǒng)液壓元器件的參數(shù)，見表2，基于AMESim 軟件搭建液壓系統(tǒng)仿真模型。

表2 張緊液壓系統(tǒng)液壓元器件參數(shù)

根據(jù)表2 中的參數(shù)對AMESim 的模型對應(yīng)元器件模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對刮板輸送機(jī)伸出工況和收縮工況下活塞桿及液壓缸無桿側(cè)的壓力進(jìn)行仿真分析。

2.2 張緊液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真需求設(shè)置仿真時間為10 s，仿真步長為0.1 s。

2.2.1 伸出工況仿真分析

要求張緊液壓系統(tǒng)液壓缸無桿側(cè)的壓力低于設(shè)定壓力值[3]，因此，將液壓缸無桿側(cè)的壓力設(shè)定為0，對其在伸出工況下活塞桿的速度和液壓缸無桿側(cè)的壓力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下頁圖1 所示。

如圖1 所示，液壓缸無桿側(cè)的壓力從0 均勻緩慢增大至150 bar（15 MPa），耗時長約為4.2 s，對應(yīng)活塞桿的伸出速度迅速增大至0.056 m/s，并在無桿側(cè)壓力增大至設(shè)定壓力150 bar后停止伸出。經(jīng)仿真，在伸出工況下，活塞桿的伸出速度及無桿側(cè)壓力變化變化均勻。

圖1 伸出工況仿真結(jié)果

2.2.2 收縮工況仿真分析

要求張緊液壓系統(tǒng)液壓缸無桿側(cè)的壓力高于設(shè)定壓力值，因此，將液壓缸無桿側(cè)的壓力設(shè)定為250 bar（25 MPa），對其在收縮工況下活塞桿的速度和液壓缸無桿側(cè)的壓力進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 收縮工況仿真結(jié)果

如圖2 中活塞桿伸出速度所示，在刮板輸送機(jī)收縮工況下活塞桿呈現(xiàn)收縮和伸出兩個方面的運(yùn)動。造成上述問題的主要原因為由于液壓缸無桿側(cè)的壓力較高，使得乳化液被壓縮，繼而導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈性變形和管路膨脹，使得系統(tǒng)在3 s 內(nèi)存在泄油和補(bǔ)油的往復(fù)動作，從而對系統(tǒng)造成沖擊[4]。

綜上所述，刮板張緊液壓系統(tǒng)在伸出工況下的工作滿足系統(tǒng)要求，而在收縮工況下會對系統(tǒng)造成沖擊，進(jìn)而影響刮板鏈條的使用壽命，降低刮板張緊系統(tǒng)的可靠性。

3 自動張緊智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

經(jīng)上文仿真分析可知，造成刮板張緊液壓系統(tǒng)在收縮工況下出現(xiàn)振蕩，繼而對系統(tǒng)造成沖擊的主要原因是其管路膨脹或機(jī)械構(gòu)建彈性變形所導(dǎo)致的[5]。因此，需對張緊控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，確保其能夠適應(yīng)收縮工況下高壓所導(dǎo)致的管路膨脹導(dǎo)致對系統(tǒng)造成沖擊的問題。

3.1 張緊控制系統(tǒng)的優(yōu)化

為解決刮板輸送機(jī)張緊控制系統(tǒng)在收縮工況下的問題，采用遺傳算法的PID 控制器對張緊控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化?；谶z傳算法對PID 控制器中積分系數(shù)、微分系數(shù)以及比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最優(yōu)化后的PID 控制器對電液比例換向閥和液壓缸進(jìn)行控制，最終達(dá)到最佳控制效果。

為能夠減小系統(tǒng)在收縮工況下液壓活塞桿的振蕩和液壓缸內(nèi)的波動問題，基于遺傳算法對PID 控制器中的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，最終整定結(jié)果如下：比例系數(shù)Kp=0.54；積分系數(shù)Ki=0.59；微分系數(shù)Kd=0.67。

3.2 張緊控制系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果驗證

在上文中搭建的AMESim 液壓仿真模型中設(shè)定基于遺傳算法所得的PID 控制器中的比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)。設(shè)定仿真時長為5 s，仿真步長為0.05 s，液壓缸無桿側(cè)的初始壓力值為250 bar，對刮板輸送機(jī)在收縮工況下的活塞桿的收縮速度和液壓缸無桿側(cè)的壓力變化進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如下頁圖3 所示。

如圖3 所示，經(jīng)基于遺傳算法對控制系統(tǒng)中PID 控制器的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，在收縮工況下活塞桿的收縮速度明顯減小，且速度波動幅度也得到明顯減小；與此同時，液壓缸無桿側(cè)壓力波動范圍而也明顯減小。最終，液壓缸無桿側(cè)的壓力維持在148 bar（14.8 MPa）左右，平衡耗時3.4 s。

綜上所述，PID 控制參數(shù)經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后控制系統(tǒng)的超調(diào)量明顯較小，而且有效解決了在收縮工況下對系統(tǒng)造成沖擊的問題。

4 結(jié)論

圖3 張緊控制系統(tǒng)優(yōu)化后收縮工況仿真結(jié)果

1）刮板輸送傳統(tǒng)張緊控制系統(tǒng)在伸出工況下的控制性能能夠滿足系統(tǒng)要求，而在收縮工況下容易對系統(tǒng)造成沖擊；

2）基于遺傳算法對PID 控制器中的比例、積分、微分環(huán)節(jié)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為比例系數(shù)Kp=0.54；積分系數(shù)Ki=0.59；微分系數(shù)Kd=0.67；

3）張緊控制系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后，系統(tǒng)的沖擊問題得到明顯控制，為刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的智能化控制奠定基礎(chǔ)。