刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化研究

魏大棟

（山西科興能源發(fā)展有限公司，山西 高平 048400）

引言

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其不僅承擔(dān)煤炭的落煤和輸送任務(wù)，而且是采煤機(jī)和液壓支架的連接點(diǎn)，即為采煤機(jī)提供軌道，為液壓支架推移提供定位功能。當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)入下一截割面時(shí)，液壓支架推移中部槽刮板輸送機(jī)向煤壁方向移近一個(gè)步距，從而形成S 彎區(qū)域。對(duì)于S 彎區(qū)域而言，彎曲角度選取不當(dāng)極易導(dǎo)致刮板輸送機(jī)負(fù)載增大、對(duì)設(shè)備沖擊嚴(yán)重及能耗增加等問題，從而降低綜采工作面的生產(chǎn)效率[1]。針對(duì)上述問題，本文將開展刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化研究，最終達(dá)到提高綜采工作面生產(chǎn)效率、降低能耗等目的。

1 刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本節(jié)將在簡(jiǎn)單概述刮板輸送機(jī)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)備形成S 彎區(qū)域的機(jī)理，最終完成刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。具體闡述如下：

1.1 刮板輸送機(jī)基本結(jié)構(gòu)

一般刮板輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機(jī)基本結(jié)構(gòu)（單位：mm）

刮板輸送機(jī)除了圖1 中的基本結(jié)構(gòu)外，在實(shí)際生產(chǎn)中還需為其匹配張緊裝置、推移裝置等部件，以保證刮板輸送機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

1.2 S 彎區(qū)域形成機(jī)理

從整體上分析，S 彎區(qū)域形成的主要機(jī)理為：當(dāng)采煤機(jī)在某個(gè)位置截割完成后，前部已經(jīng)完成截割任務(wù)的刮板輸送機(jī)在液壓支架推溜作用下給予刮板輸送機(jī)中部槽一個(gè)面向煤壁的推溜力，從而保證前部刮板輸送機(jī)貼向煤壁；與此同時(shí)，后方正在參與截割任務(wù)的刮板輸送機(jī)還處于原來水平位置。因此，可以說刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域是當(dāng)前煤層高效、自動(dòng)化開采不可避免的現(xiàn)狀。S 彎區(qū)域的形成不僅對(duì)刮板輸送機(jī)本身的運(yùn)行造成影響，而且會(huì)對(duì)采煤機(jī)的截割效率、沖擊載荷和傳動(dòng)部件受力及液壓支架的推溜數(shù)等造成影響。為解決上述問題，關(guān)鍵在于對(duì)S 彎區(qū)域彎曲角的合理確定。

1.3 S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)刮板輸送機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，即從理論上講，刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角的合理角度為1°～3°。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中由于各方面的因素導(dǎo)致無法將水平彎曲角精確控制在1°～3°的合理范圍之內(nèi)[3]。因此，對(duì)于S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化系統(tǒng)而言，其不僅具備對(duì)實(shí)時(shí)水平彎曲角的監(jiān)測(cè)功能，而且需根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)水平彎曲角進(jìn)行調(diào)控。因此，S彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化系統(tǒng)包括負(fù)載監(jiān)控子系統(tǒng)和水平彎曲角調(diào)控子系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

由圖2 可知，刮板輸送機(jī)負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)刮板輸送機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；S 彎區(qū)域水平彎曲角調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)對(duì)采煤機(jī)、液壓支架及刮板輸送機(jī)等參數(shù)實(shí)時(shí)采集并讀取的基礎(chǔ)上，結(jié)合S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化算法得出最佳的水平彎曲角，并通過負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)中機(jī)頭、機(jī)尾控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)水平彎曲角的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。

總的來講，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化的核心在基于有效優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾的控制[4]。對(duì)于控制功能，本系統(tǒng)采用PLC控制器完成控制功能，結(jié)合實(shí)際需求為其配置PLC控制器的具體型號(hào)為西門子的S7-300 系列PLC 控制器，并為其匹配的配套模塊如表1 所示。

表1 與S7-300 PLC 控制器配套的模塊

2 刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化算法

選取高效且穩(wěn)定的優(yōu)化算法是保證能夠得到最佳S 彎區(qū)域水平彎曲角的關(guān)鍵。結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中常用且應(yīng)用較為廣泛的優(yōu)化算法，本系統(tǒng)采用蝙蝠優(yōu)化算法為基礎(chǔ)對(duì)水平彎曲角進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，為了保證優(yōu)化結(jié)果的優(yōu)越性和實(shí)際應(yīng)用效果，在基礎(chǔ)蝙蝠優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上引入權(quán)重和t-分布完成對(duì)優(yōu)化算法的改進(jìn)，從而得到水平彎曲角的優(yōu)化策略。

根據(jù)所引入權(quán)重的不同，改進(jìn)后的蝙蝠優(yōu)化算法包括ABAM、BCBA、BAO 和MBA 四種優(yōu)化算法。基于MATLAB 對(duì)上述四種不同優(yōu)化算法對(duì)刮板輸送機(jī)處于同一狀態(tài)下優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 不同改進(jìn)蝙蝠優(yōu)化算法對(duì)應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果

由表2 可知，四種優(yōu)化算法在刮板輸送機(jī)處于同一狀態(tài)下對(duì)應(yīng)水平彎曲角的優(yōu)化均值相差不大，均在0.66°左右；區(qū)別在于，不同優(yōu)化算法對(duì)應(yīng)水平彎曲角優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)差差異明顯，其中，BAO 優(yōu)化算法的標(biāo)準(zhǔn)差最大，MBA 優(yōu)化算法的標(biāo)準(zhǔn)差最小[5]。因此，本系統(tǒng)將采用MBA 改進(jìn)蝙蝠優(yōu)化算法對(duì)刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

3 刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角優(yōu)化效果

0.66 °為采用MBA 蝙蝠優(yōu)化算法后所得的刮板輸送機(jī)S 彎區(qū)域水平彎曲角度的最佳值；而在水平彎曲角優(yōu)化系統(tǒng)未采用之前，S 彎區(qū)域水平彎曲角一致按照平均值1.5°運(yùn)行。對(duì)兩種不同水平彎曲角對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流值進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 不同水平彎曲角對(duì)應(yīng)電機(jī)電流值

由表3 可知，采用優(yōu)化后水平彎曲角0.66°對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾電流值均小于水平彎曲角為1.5°的情況。而且經(jīng)實(shí)踐表明：

1）在工作面的同種生產(chǎn)工況下，對(duì)水平彎曲角進(jìn)行優(yōu)化后每天可節(jié)約電費(fèi)0.24 萬元，每年按照300 d計(jì)算，則一年可節(jié)約電費(fèi)約72 萬元。

2）鏈輪組件是由于水平彎曲角過大而常發(fā)生故障的部件。在優(yōu)化前，鏈輪組件平均使用壽命為6 個(gè)月；而優(yōu)化后工作6 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)鏈輪組件表面僅磨損8 mm，推算優(yōu)化后鏈輪組件使用壽命可延長(zhǎng)至18個(gè)月。

4 結(jié)論

刮板輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其不僅承擔(dān)落煤和運(yùn)煤任務(wù)，而且與采煤機(jī)和液壓支架配合使用，對(duì)綜采工作面的安全、高效生產(chǎn)意義重大。本文重點(diǎn)針對(duì)刮板輸送機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中不可避免的S彎區(qū)域水平彎曲角過大所導(dǎo)致的能耗增大、設(shè)備使用壽命降低的問題，基于MBA 改進(jìn)蝙蝠優(yōu)化算法的S彎區(qū)域水平彎曲優(yōu)化系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐表明：

1）水平彎曲角優(yōu)化后，刮板輸送機(jī)每年可節(jié)約電費(fèi)約72 萬元；

2）水平彎曲角優(yōu)化后，刮板輸送機(jī)鏈輪組件的使用壽命可延長(zhǎng)至18 個(gè)月。