礦井刮板輸送機(jī)液壓自動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

趙 凱

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053)

0 引 言

煤礦機(jī)械是采煤、裝煤、運(yùn)煤等工作的重要依靠。刮板輸送機(jī)主要是運(yùn)輸煤、物料等，隨著開采量的增大，礦井刮板輸送機(jī)逐步朝著大功率、大運(yùn)距、大載荷的方向發(fā)展，其工作效率直接影響著煤礦開采效率。刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于負(fù)載較大且容易急起急停使其極易出現(xiàn)掉鏈、卡鏈等故障，制約著礦井的正常生產(chǎn)運(yùn)行[1]。筆者通過(guò)分析影響鏈條張力的因素對(duì)刮板輸送機(jī)的自動(dòng)張緊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為礦井刮板輸送機(jī)高效工作提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)張緊系統(tǒng)工作原理及模擬參數(shù)選定

1.1 工作原理

不同類型的刮板輸送機(jī)擁有不同組成形式，但其存在相同結(jié)構(gòu)，都有機(jī)頭部、機(jī)尾部、刮板鏈、推移裝置、溜槽等。自動(dòng)張緊系統(tǒng)是刮板輸送機(jī)刮板鏈調(diào)節(jié)的重要裝置，張緊系統(tǒng)的好壞直接影響設(shè)備正常運(yùn)行，系統(tǒng)主要由電液控制單元、伸縮機(jī)尾、自動(dòng)張緊液壓系統(tǒng)組成。自動(dòng)張緊液壓系統(tǒng)由壓力傳感器、位移傳感器、控制閥門、收縮(伸出)閥及推移液壓缸等組成，收縮(伸出)閥通過(guò)識(shí)別電液控制單元下發(fā)指令進(jìn)行液壓油方向調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)油缸的收縮與伸出[2]。

刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，壓力傳感器可對(duì)液壓缸無(wú)桿側(cè)壓力進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)存在偏差時(shí)，及時(shí)進(jìn)行收縮、伸出的調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。其中當(dāng)傳感器檢測(cè)值低于設(shè)定值下限時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)伸出閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，活塞伸出，當(dāng)傳感器檢測(cè)值高于上限值時(shí)低于收縮閥進(jìn)行操作，使活塞縮回。液壓缸對(duì)的活塞桿與機(jī)尾的移動(dòng)部分相互連接，當(dāng)液壓缸活塞做出相應(yīng)動(dòng)作時(shí)，機(jī)尾移動(dòng)部位發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)，調(diào)節(jié)機(jī)頭機(jī)尾鏈輪的距離，實(shí)現(xiàn)鏈條自動(dòng)張緊。系統(tǒng)重復(fù)如上的工作，使設(shè)備運(yùn)行安全。刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)原理圖

1.2 模擬參數(shù)選定

首先對(duì)液壓缸活塞的直徑進(jìn)行分析，根據(jù)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的高強(qiáng)度環(huán)境，根據(jù)實(shí)際情況選定系統(tǒng)壓力為25 MPa，活塞的直徑表示為：

式中：T為液壓系統(tǒng)的推力，設(shè)定系統(tǒng)最大推力為611 kN；η為液壓機(jī)械效率，文中選定0.9，根據(jù)計(jì)算可知液壓缸的活塞直徑為132 mm，考慮到實(shí)際直徑取值表，選定活塞直徑為140 mm。對(duì)活塞桿的伸縮速度進(jìn)行分析，在實(shí)際工作中如果刮板輸送機(jī)速度過(guò)大則會(huì)造成沖擊損壞，所以為了降低沖擊磨損，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，活塞的速度選定為5 cm/s，而液壓缸的最大流量根據(jù)公式：

式中：Q為液壓缸的最大流量，L/min；D為活塞的直徑，mm；V為液壓缸的伸縮速度，cm；根據(jù)計(jì)算可知最大流量為90 L/min。

根據(jù)計(jì)算情況進(jìn)行仿真模擬，選定仿真軟件AMESim，對(duì)仿真模擬的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，選定仿真時(shí)間為10 s，仿真的采樣周期為0.1 s，得到收縮工況下的液壓缸無(wú)桿側(cè)的應(yīng)力速度變化曲線如圖2所示。

圖2 收縮工況下的液壓缸無(wú)桿側(cè)的應(yīng)力速度變化曲線

如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力呈現(xiàn)大幅度波動(dòng)，當(dāng)時(shí)間為0.1 s時(shí)壓力最大，最大值為256 bar，當(dāng)時(shí)間為3 s時(shí)壓力值最小，最小值為128 bar，波動(dòng)幅度為100%，在時(shí)間4 s后壓力逐步趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)壓力為154 bar，而液壓缸無(wú)桿側(cè)速度呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的情況，當(dāng)時(shí)間為4 s時(shí)速度穩(wěn)定為0。根據(jù)以上分析可以看出液壓缸的無(wú)桿側(cè)壓力波動(dòng)幅度太大，使得系統(tǒng)較為不穩(wěn)定，所以對(duì)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

基于遺傳算法PID對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)每個(gè)特征進(jìn)行編碼后雜交，得出不同的優(yōu)化解，對(duì)計(jì)算出的解進(jìn)行對(duì)比分析，得出最優(yōu)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)的控制單元主要為收縮伸出閥，均為電液換向閥，只能存在全開、全關(guān)，而不能實(shí)現(xiàn)半開半關(guān)狀態(tài)，所以首先需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，本文選定擁有伺服系統(tǒng)精度和高性價(jià)比的電液比例換向閥，其不僅可實(shí)現(xiàn)換向，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制?；赑ID自動(dòng)液壓系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 基于PID自動(dòng)液壓系統(tǒng)控制流程圖

如圖3所示，算法以目標(biāo)值為目標(biāo)，根據(jù)液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，同時(shí)根據(jù)PID的整定參數(shù)對(duì)液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力值和換向閥進(jìn)行精準(zhǔn)控制，電液比例換向閥的開口度直接影響著桿側(cè)流量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞速度、伸縮量的控制[4]。

對(duì)優(yōu)化方案建立仿真模型并重新設(shè)置，將PID的輸入量設(shè)定為比例系數(shù)0.3～0.6，積分時(shí)間為0～0.1 s，微分時(shí)間為0～0.1 s輸出量，同樣為需要進(jìn)行優(yōu)化控制的目標(biāo)量，由于遺傳算法的參數(shù)有著明顯的影響，所以參數(shù)值的設(shè)定應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選定，對(duì)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出三種參數(shù)的最佳分別為比例系數(shù)0.54，積分時(shí)間為0.059 s，微分時(shí)間同樣為0.067 s，將參數(shù)代入到仿真模型，模型仿真步長(zhǎng)設(shè)定為0.05 s，仿真時(shí)間設(shè)定為8 s，得到收縮工況下液壓缸無(wú)桿側(cè)的應(yīng)力變化曲線如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后液壓缸無(wú)桿側(cè)的應(yīng)力變化曲線

由圖4可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力波動(dòng)明顯減小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間由優(yōu)化前的4 s降低為3 s，液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力達(dá)到平穩(wěn)的壓力為148 bar，同時(shí)液壓缸無(wú)桿側(cè)的速度曲線波動(dòng)的幅度也有了明顯的降低，此時(shí)雖然液壓缸無(wú)桿側(cè)的壓力距離設(shè)定的上限值有一定的差距，但其高于設(shè)定的最小值，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)化達(dá)到了理想的效果[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)，給出了刮板輸送機(jī)自動(dòng)液壓張緊系統(tǒng)液壓部件的參數(shù)計(jì)算公式和設(shè)定值。對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究發(fā)現(xiàn)，液壓缸的無(wú)桿側(cè)壓力波動(dòng)幅度太大，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，提出了基于遺傳算法PID的優(yōu)化方案。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后方案進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的系統(tǒng)液壓缸無(wú)桿側(cè)的應(yīng)力有了明顯減少，顯著降低了因刮板輸送機(jī)因啟動(dòng)時(shí)輸送鏈松弛導(dǎo)致的脫落、跑偏事故發(fā)生概率，提高運(yùn)行效率。