煤礦刮板輸送機自動張緊裝置的優化研究

李衛紅

（呂梁市煤炭信息調度中心，山西 呂梁 033000）

刮板輸送鏈是刮板輸送機的運動牽引機構，同時也是刮板輸送機系統上最容易出現故障、導致刮板輸送機失效的部位。刮板輸送機的啟動、停止及輸送機上載重情況的變化均會導致刮板鏈產生一定的伸長和張緊，因此在工作中若不能及時對輸送鏈的伸長或者張緊進行補償，輸送鏈的張緊力就會迅速下降，甚至造成刮板輸送機出現卡鏈、掉鏈等情況，嚴重地影響刮板輸送機的正常工作[1]。

為了確保刮板輸送機正常工作時輸送鏈張力的穩定性，煤礦井下刮板輸送機均設置有自動張緊裝置，用于自動控制輸送鏈內的張力，確保輸送機系統的穩定工作，但所使用的自動張緊系統存在著故障率高、反應速度慢、沖擊力大、啟動時易跑偏、脫落等缺點。因此如何提高刮板輸送機自動張緊裝置工作時的可靠性是煤礦迫切需要解決的難題。

1 刮板輸送機結構及工作原理

刮板輸送機是一種用于井下輸送物料的撓性牽引設備。刮板輸送機在工作時需將刮板固定在刮板鏈條上，驅動電機通過液力耦合器及傳動裝置帶動鏈輪組運動，從而使與之嚙合的鏈條不斷的運行，由鏈條帶動刮板，實現將溜槽內的物料從機尾傳遞到機頭。在整個運行期間，刮板輸送鏈圍繞著鏈輪不斷的循環運行，來完成對井下物料的連續輸送。

2 刮板輸送機自動張緊裝置仿真分析

刮板輸送機系統的液壓原理圖，如圖1所示。

利用AMESIM仿真分析軟件對其進行仿真分析，因刮板輸送機在實際工作過程中最常見的異常工況為刮板鏈的張緊力迅速下降，導致刮板輸送機在運輸時出現卡鏈甚至是掉鏈的現象。因此，自動張緊裝置最常使用的工況為油缸收縮，將刮板鏈進行拉緊，本文針對刮板輸送機自動張緊系統在收縮工況下，設置仿真分析時間為10s，設置系統的采樣周期為0.1s[2]，經過仿真可得出液壓缸無桿側的壓力、活塞桿的位移、速度曲線及推力曲線，如圖2所示。

圖1 現有刮板輸送機張緊裝置液壓原理圖

圖2 執行油缸無桿腔的壓力變化曲線

由圖2所示，張緊裝置在執行工作過程中，執行油缸收縮時是先收縮再伸長的過程。在最初時，液壓缸有桿腔的油液的壓力尚未達到液控單向閥的打開壓力，從而導致無桿腔側的工作壓力不斷增加，當有桿腔油液的壓力達到液控單向閥的開啟壓力時系統開始泄流，導致無桿腔壓力迅速的降低，當在3s時系統完成收縮，此時因無桿腔側的壓力小于設定值，收縮閥復位，伸出閥開始工作，指導活塞桿伸出到指定位置。

在整個收縮期間，無桿腔側的液壓油被不斷的壓縮，進而使與之接觸的管路產生膨脹，此時液控單向閥反向開啟，造成無桿腔一側的液壓油壓力下降過快，形成極大泄油量，當無桿腔側的壓力降低系統設定值后，系統又開始補油，從而導致了在活塞桿收縮階段液壓系統的壓力的波動，給整個液壓系統造成極大的沖擊與振動，造成刮板鏈的張力發生很大的變化，嚴重影響張緊系統的正常工作和刮板鏈的使用壽命，同時也嚴重影響著刮板輸送機的正常工作。

3 基于遺傳算法的 PID優化方案

遺傳算法是一種可以對復雜問題或者系統進行優化的全局優化的算法系統，其具有邏輯性強、算法簡單的優點。

因刮板輸送機張緊裝置的液壓控制系統控制活塞桿收縮的關鍵開關是電液換向閥，其僅是一個簡單的開關閥，要么全開，要么全閉，沒有一個可控的中間狀態，因此利用遺傳算法的PID思想，對原有的液壓控制系統進行優化，將電液換向閥換成電液比例換向閥，實現對液壓油流量的精確控制。

刮板輸送機自動張緊系統基于遺傳算法的PID優化控制原理如圖3所示[3]，該優化方案利用整定好的參數對液壓缸無桿腔的液壓油的壓力與系統設定的壓力的差值進行比例、積分與微分的線性組合來形成控制量，最終作用于電液比例換向閥上，通過精確的控制閥的開口度來控制通過液壓缸有桿側的液壓油的流量，從而控制活塞的移動速度，完成對收縮工況性能的優化[4]。

圖3 刮板輸送機液壓張緊裝置優化原理圖

4 優化后刮板輸送機自動張緊裝置的仿真分析

根據優化方案，將液壓系統中的電液換向閥換成電液比例換向閥，將其導入到AMESIM仿真分析軟件中，采用遺傳算法整定后的PID的控制參數設置為Kp=5.41×10-1,Ti=5.91×10-2,Td=6.65×10-3，將其帶入仿真分析模型，對執行油缸在收縮階段進行仿真分析，并設置仿真時長為8s，仿真時的步長為0.05s，仿真結果如圖4所示。

圖4 優化后液壓缸無桿腔的壓力曲線

由圖4可知，在采用基于遺傳算法的PID優化后，可以精確地控制流入液壓缸內油液的流量，從而使活塞桿的運行速度降低了約60%，延長了系統釋放壓力的實際時間，從而使優化后的液壓系統在收縮時壓力的波動幅度降低了約65%，從而降低了張緊系統在收縮時鏈條的動張力的波動，確保了刮板輸送機在工作過程中的穩定性和可靠性，提高了刮板鏈的使用壽命。

5 煤礦自動張緊裝置優化后的應用效果

該礦對刮板輸送機張緊裝置的液壓系統進行了優化，將電液換向閥換成電液比例換向閥，并對控制程序按理論分析進行了優化，優化后的系統自投入使用以來表現出了良好的減震緩沖效果，刮板輸送機系統在啟動過程中的波動和沖擊顯著降低，因啟動時輸送鏈松弛導致的打滑、跑偏、脫離事故率降低了85%以上，達到了非常好的改善效果。

6 結論

本文利用基于遺傳算法的PID優化思想，提出了一種新的采用電液比例換向閥的自動張緊裝置控制系統，利用AMESim仿真分析軟件對優化后的液壓系統進行仿真分析，結果表明采用優化后的液壓控制系統能夠將收縮時壓力的波動幅度降低約65%，從而降低了張緊系統在收縮時鏈條的動張力的波動。優化后的張緊裝置在，確保了刮板輸送機在工作過程中的穩定性和可靠性，提高了刮板鏈的使用壽命。