刮板輸送機(jī)CST 控制特性仿真分析

毛化文

（晉能控股浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架稱(chēng)為綜采工作面的“三機(jī)”，其不僅為采煤機(jī)的牽引提供軌道，而且與液壓支架互聯(lián)形成整體。在當(dāng)前煤炭工業(yè)和綜采技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)期，刮板輸送機(jī)對(duì)重載啟動(dòng)、功率平衡及過(guò)載保護(hù)提出了更高的要求，繼而對(duì)其軟啟動(dòng)性能的要求更高[1]?？煽剀泦?dòng)裝置（英文縮寫(xiě)為“CST”）作為可應(yīng)用于刮板輸送機(jī)且較為理想的軟啟動(dòng)裝置，我國(guó)針對(duì)該項(xiàng)級(jí)數(shù)的研究還處于起步階段，導(dǎo)致CST 軟件依然依靠進(jìn)口完成。因此，開(kāi)展刮板輸送機(jī)CST 控制特性的研究非常有必要。

1 可控啟動(dòng)裝置概述

可控軟啟動(dòng)裝置是集合多級(jí)齒輪減速器、離合器的液壓與電氣相結(jié)合的軟啟動(dòng)裝置，其可實(shí)現(xiàn)設(shè)備在大慣性重負(fù)載的工況下平滑啟動(dòng)。一般的，CST裝置主要包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)及液壓控制系統(tǒng)。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)CST 裝置的各個(gè)組成部分及控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究。

CST 裝置的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括輸入供給部、輸出部、液黏離合器和齒輪傳動(dòng)部件等；液壓控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的原理如圖1 所示。

圖1 CST 液壓控制系統(tǒng)原理

CST 液壓控制原理如下：液壓系統(tǒng)得到相關(guān)指令后首先對(duì)伺服閥的導(dǎo)通量和閥芯的方向進(jìn)行控制，從而可對(duì)環(huán)形油缸的壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制。在上述壓力的作用下調(diào)整液黏離合器的輸出扭矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CST 輸出扭矩和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整的目的[2]。

鑒于CST 進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為每臺(tái)CST 配置潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)，主要包括常規(guī)的離心泵、熱交換器、溫度傳感器及油箱等。CST 所配置的電氣控制系統(tǒng)可對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而得出相應(yīng)的控制指令傳送至液壓控制系統(tǒng)，故電氣控制系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)[3]。

在上述四個(gè)組成部分的支撐下，CST 可應(yīng)用于刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)定比減速、軟啟動(dòng)、功率平衡、卡鏈過(guò)載保護(hù)、故障診斷、故障報(bào)警等功能。目前，應(yīng)用于刮板輸送機(jī)的CST 基于PID 控制算法進(jìn)行控制，一般可通過(guò)單電機(jī)或雙電機(jī)兩種方式控制。本文重點(diǎn)對(duì)單電機(jī)和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的CST 控制特性進(jìn)行仿真分析。

2 CST 控制系統(tǒng)AMESim 模型的搭建

本文將基于AMESim 軟件搭建CST 控制系統(tǒng)的模型，并對(duì)其控制特性進(jìn)行仿真分析。本節(jié)重點(diǎn)基于AMESim 搭建CST 控制系統(tǒng)的模型。CST 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、CST 主機(jī)及其刮板輸送機(jī)的負(fù)載。

電動(dòng)機(jī)位于CST 和刮板輸送機(jī)負(fù)載中間，本文對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)具體型號(hào)為YBSS-1000 的三相異步電動(dòng)機(jī)。選用AMESim 軟件中的鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型為刮板輸送機(jī)CST 電動(dòng)機(jī)的模型。

本項(xiàng)目CST 是由德國(guó)公司生產(chǎn)的，具體型號(hào)為KP-45V。該型CST 中對(duì)應(yīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為四級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)，結(jié)合AMESim 中的模型庫(kù)完成齒輪減速器的模型。同樣，根據(jù)CST 液壓控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的液壓元器件并結(jié)合AMESim 的模型庫(kù)搭建模型，液壓控制系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的徑向柱塞泵型號(hào)為HAVER9.5，電液伺服閥的型號(hào)為D631，溢流閥的型號(hào)為DBD 型。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可將刮板輸送機(jī)的負(fù)載分為空段刮板鏈的負(fù)載和重段刮板鏈的負(fù)載。根據(jù)二者之間的原理差異，重段刮板鏈的負(fù)載較空段刮板鏈多一個(gè)阻尼。實(shí)際生產(chǎn)中，刮板輸送機(jī)CST 的控制核心為PID 控制器，且對(duì)應(yīng)的控制方式包括單電機(jī)和雙電機(jī)兩種方式[4]。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)與單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要差異在于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)所布置的兩臺(tái)電機(jī)分別位于刮板輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾兩個(gè)位置；而且，兩臺(tái)CST 對(duì)應(yīng)的速度和控制壓力等參數(shù)均一致。值得注意的是，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)下對(duì)應(yīng)的CST 控制系統(tǒng)需要解決兩個(gè)電機(jī)功率不匹配的問(wèn)題。

上述單電機(jī)和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CST 控制系統(tǒng)仿真模型搭建完畢后，根據(jù)各個(gè)機(jī)械部件、液壓元器件及刮板輸送機(jī)的參數(shù)及工況信息對(duì)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行一一設(shè)置[5]。

3 刮板輸送機(jī)CST 控制特性仿真分析

本節(jié)分別對(duì)單電機(jī)和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CST 控制系統(tǒng)的控制特性進(jìn)行仿真分析，具體闡述如下：

3.1 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CST 控制特性仿真分析

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CST 控制系統(tǒng)所采用的PID 控制器比例環(huán)節(jié)的系數(shù)為5.5，積分環(huán)節(jié)的系數(shù)為1/4.75，微分環(huán)節(jié)的系數(shù)為0.05。本次仿真時(shí)間設(shè)定為40 s，重點(diǎn)對(duì)負(fù)載分別為30%和40%的情況下CST的啟動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 所示，當(dāng)負(fù)載為30%時(shí)，在CST 的作用下刮板輸送機(jī)鏈輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速在大約17.6 s 后與實(shí)際啟動(dòng)曲線(xiàn)相一致，并在后續(xù)進(jìn)入平穩(wěn)加速運(yùn)行階段。當(dāng)負(fù)載為40%時(shí)，采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的正常啟動(dòng)。

圖2 不同負(fù)載對(duì)應(yīng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)CST 控制特性仿真結(jié)果

3.2 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CST 控制特性仿真分析

針對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的CST 控制特性的研究，重點(diǎn)對(duì)功率不平衡的因素進(jìn)行研究。經(jīng)仿真分析，并總結(jié)得出如表1 所示的結(jié)果。

由表1 可知，刮板輸送機(jī)在不同負(fù)載情況下啟動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的CST 控制系統(tǒng)需要對(duì)刮板輸送機(jī)機(jī)頭進(jìn)行延時(shí)啟動(dòng)后才能保證機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)的功率處于平衡狀態(tài)。而且，當(dāng)刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)頭延長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中并不能一味地通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)頭延長(zhǎng)時(shí)間保證機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)功率的平衡，需針對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)增設(shè)功率PID 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)功率的平衡調(diào)節(jié)控制。

表1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)CST 功率不平衡因素仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

刮板輸送機(jī)在承擔(dān)物料中轉(zhuǎn)運(yùn)輸任務(wù)的同時(shí)，還承擔(dān)著采煤機(jī)的牽引方向和液壓支架的推溜任務(wù)。隨著工作面采煤技術(shù)和設(shè)備自動(dòng)化水平的提升，刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸量急劇增大，從而對(duì)其重載啟動(dòng)能力提出了更高的要求。為擺脫CST 進(jìn)口的現(xiàn)狀，急需開(kāi)展關(guān)于刮板輸送機(jī)CST 的相關(guān)理論研究，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破，保證煤礦的安全、高效生產(chǎn)。