基于PID的刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的優(yōu)化分析

曹智斌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔州朔煤王坪煤電公司，山西 朔州 038300）

引言

刮板輸送機(jī)是采煤設(shè)備中的重要設(shè)備，在現(xiàn)代化礦山建設(shè)的大背景下，刮板輸送機(jī)的高效運(yùn)行直接決定著煤礦能否實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的目標(biāo)[1-2]。當(dāng)刮板輸送機(jī)上負(fù)載有貨物時(shí)，由于負(fù)載的增加會(huì)導(dǎo)致刮板鏈應(yīng)力增加，刮板鏈彈性伸長(zhǎng)，導(dǎo)致刮板鏈會(huì)比空載時(shí)長(zhǎng)，此時(shí)刮板鏈的最小張力點(diǎn)會(huì)降低，甚至有可能達(dá)到零狀態(tài)，這就需要刮板輸送機(jī)的張緊機(jī)構(gòu)對(duì)伸長(zhǎng)量進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償由于貨載量引起的運(yùn)行阻力增加導(dǎo)致的刮板鏈伸長(zhǎng)，以保證刮板輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與效率[3-4]。由于傳統(tǒng)張緊機(jī)構(gòu)不能夠?qū)崟r(shí)對(duì)刮板連狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，這就需要對(duì)刮板輸送機(jī)的張緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

張緊控制液壓系統(tǒng)主要包括電液控制和液壓組件，當(dāng)需要進(jìn)行推移和伸縮時(shí)，液壓缸、自動(dòng)閥等液壓組件共同作用，使得推移動(dòng)作的液壓缸進(jìn)行伸長(zhǎng)和回縮，完成機(jī)尾移動(dòng)部分的推移工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板鏈的液壓控制。刮板輸送機(jī)的張緊系統(tǒng)在刮板輸送機(jī)的開(kāi)機(jī)過(guò)程中起著尤為重要的作用。張緊系統(tǒng)的組成主要是由機(jī)械伸縮機(jī)構(gòu)和液壓控制部分來(lái)共同協(xié)調(diào)完成的。伸縮機(jī)尾通常在刮板輸送機(jī)刮板鏈由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致刮板鏈松動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整伸縮液壓缸使得刮板鏈重新達(dá)到要求的張力范圍內(nèi)。液壓控制部分主要是由液壓組件與控制器元件組成。當(dāng)需要調(diào)整刮板鏈張力時(shí)，液壓閥等通過(guò)調(diào)整回路中的液壓油的流動(dòng)方向，給予液壓缸伸縮動(dòng)作，來(lái)完成伸縮機(jī)尾對(duì)刮板鏈的張緊與收縮。圖1為刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)的工作原理圖。刮板輸送機(jī)在使用時(shí)要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定張力。當(dāng)設(shè)定值確定后，刮板鏈上的張力檢測(cè)信號(hào)會(huì)對(duì)刮板鏈張力進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)反饋的張力值小于刮板鏈起初的設(shè)定值時(shí)，液壓控制器調(diào)整油路方向及大小，給予液壓缸伸出信號(hào)，伸出閥此時(shí)打開(kāi)，液壓缸會(huì)伸長(zhǎng)，使得機(jī)尾向后移動(dòng)，拉動(dòng)刮板鏈進(jìn)行張緊。當(dāng)反饋信號(hào)比設(shè)定值大時(shí)，說(shuō)明刮板鏈此時(shí)過(guò)于張緊，這就需要液壓缸進(jìn)行回縮，此時(shí)收縮閥門(mén)打開(kāi)，油缸進(jìn)行收縮動(dòng)作，機(jī)尾會(huì)向機(jī)頭方向運(yùn)動(dòng)，使得刮板輸送機(jī)機(jī)頭與機(jī)尾之間的鏈輪中心距減小，刮板鏈?zhǔn)湛s完成。刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)旨在通過(guò)刮板鏈的張力變化對(duì)機(jī)頭鏈輪與機(jī)尾鏈輪的中心距進(jìn)行調(diào)解，保證刮板鏈處于刮板輸送機(jī)高效工作的張力范圍內(nèi)。

圖1 刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)工作原理

2 影響張力的因素

刮板輸送機(jī)在工作時(shí)，刮板鏈的張力變化情況會(huì)受到諸多因素的影響，當(dāng)刮板鏈空載時(shí)，刮板鏈?zhǔn)艿阶陨眍A(yù)緊力大小、運(yùn)行阻力及驅(qū)動(dòng)方式的影響，當(dāng)刮板鏈負(fù)載時(shí)，刮板鏈?zhǔn)艿截涊d量大小的影響，同時(shí)刮板鏈自身結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)也有一定的影響。

1）貨載量大小。刮板輸送機(jī)主要用來(lái)對(duì)采煤機(jī)降落的煤塊進(jìn)行運(yùn)輸，當(dāng)刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于煤塊大小不均勻以及煤量的不穩(wěn)定就導(dǎo)致刮板鏈上的貨載量不穩(wěn)定，就會(huì)引起刮板鏈?zhǔn)艿降倪\(yùn)行阻力不穩(wěn)定以致張力不斷發(fā)生變化。

2）預(yù)緊力的大小。刮板輸送機(jī)在安裝完成后通常會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)張緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得刮板鏈有一定的預(yù)緊力。預(yù)緊力的大小設(shè)定一般是根據(jù)采煤機(jī)采煤量進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)預(yù)緊力過(guò)大會(huì)增加鏈條的磨損，預(yù)緊力過(guò)小會(huì)使鏈條與鏈輪的嚙合不重合，所以需要選擇合適的預(yù)緊力。

3）驅(qū)動(dòng)裝置的布置。目前現(xiàn)有的刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置有單驅(qū)動(dòng)和雙驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)布置的位置不同，就會(huì)影響到刮板鏈的張力情況。單段驅(qū)動(dòng)和雙端驅(qū)動(dòng)就會(huì)使得刮板鏈的張力點(diǎn)發(fā)生變化影響刮板鏈的使用壽命。

4）鏈條故障。刮板輸送機(jī)鏈條在生產(chǎn)時(shí)選擇的材料會(huì)影響到使用時(shí)的效果，材料的剛性、硬度都存在一定的影響。鏈條長(zhǎng)時(shí)間使用也會(huì)使得磨損加劇導(dǎo)致斷鏈，煤塊的卡位也會(huì)急劇加大張力，造成刮板鏈斷裂。

上述四種影響因素中，影響最大的就是刮板輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的煤量大小，當(dāng)刮板輸送機(jī)的負(fù)載比較大時(shí)，刮板鏈的最小張力發(fā)生在機(jī)尾鏈輪與鏈條的分離位置。

3 基于遺傳算法的PID優(yōu)化方案

傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)普遍使用的伸出（收縮）閥，此類(lèi)閥體都屬于電液換向閥，此類(lèi)閥體的工作性能都比較單一，要么是全開(kāi)或者是全閉，這就導(dǎo)致了沒(méi)有中間狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)在自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)存在一定的誤差調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)采用遺傳算法的PID調(diào)節(jié)方式能夠優(yōu)化沒(méi)有中間調(diào)節(jié)狀態(tài)的控制系統(tǒng)方案。

使用遺傳算法的PID控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)刮板輸送機(jī)的鏈條的張力情況，通過(guò)轉(zhuǎn)化成比例系數(shù)、對(duì)積分時(shí)間和微分時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)機(jī)尾的張緊系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在處理的整個(gè)過(guò)程中遺傳算法的控制系統(tǒng)有很大的容錯(cuò)率，能夠?qū)鞲衅鞯男盘?hào)與最佳解的信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比，質(zhì)量較差的信號(hào)能夠自動(dòng)進(jìn)行剔除，保證了容錯(cuò)率。遺傳算法的PID控制需要使用電液比例換向閥，電液比例換向閥屬于換向閥與電液伺服閥的一種閥體。電液比例換向閥不僅能夠完成改變液壓油的方向的作用，而且能夠控制閥門(mén)的開(kāi)口大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油的流量調(diào)節(jié)，因此采用這種閥體不僅能夠完成對(duì)液壓油的換向操作，也能夠完成對(duì)液壓油流量控制的效果。通過(guò)刮板輸送機(jī)的一側(cè)傳來(lái)的壓力信號(hào)與PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定，進(jìn)行分析比例、積分與微分之間的線性關(guān)系形成控制信號(hào)對(duì)電液比例換向閥進(jìn)行輸出控制，電液比例換向閥會(huì)調(diào)整閥門(mén)的開(kāi)口大小以控制液壓油缸內(nèi)的進(jìn)油量，進(jìn)而控制液壓油缸的伸縮速度與伸縮量，完成對(duì)整個(gè)張緊系統(tǒng)的優(yōu)化控制，見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)張緊液壓系統(tǒng)優(yōu)化控制原理圖

4 結(jié)論

引入以電液比例換向閥為基礎(chǔ)的遺傳算法為理論的PID電液控制技術(shù)，對(duì)刮板輸送機(jī)的張緊機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠有效地減弱張緊系統(tǒng)在伸長(zhǎng)或者縮短時(shí)液壓油不穩(wěn)定導(dǎo)致的鏈條張力的波動(dòng)，延長(zhǎng)鏈條的使用時(shí)間?；谶z傳算法的PID張緊系統(tǒng)，可以在實(shí)際使用過(guò)程中在0~3 s內(nèi)減小液壓波動(dòng)約70%，充分說(shuō)明了基于遺傳算法的PID控制系統(tǒng)能夠在刮板輸送機(jī)上使用，進(jìn)而充分發(fā)揮張緊系統(tǒng)對(duì)刮板鏈的伸縮。