帶式輸送機時變負載智能控制的研究

徐英鵬

（永定莊煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037001）

引言

帶式輸送機作為散裝物料運輸?shù)闹饕b備，因其運距遠、運量大、環(huán)境適應性強及運輸成本低等特點，成為煤礦及其附屬企業(yè)的重要運輸手段之一[1]。近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求量越來越大，同時，隨著科技的進步及制造業(yè)的快速發(fā)展，帶式輸送機運力越來越大，運輸距離越來越遠。煤礦采掘受班組調(diào)度、地質環(huán)境、開采設備狀態(tài)等因素的影響，運輸物料負載具有時變特征，而帶式輸送機在運力設計時，考慮過載的安全裕度，防止由驅動功率不足導致的輸送帶磨損、撕裂等惡性事故發(fā)生，帶式輸送機驅動功率會按照最大負載恒定運行，造成能源的巨大浪費[2]。因此，進行帶式輸送機智能控制研究，實現(xiàn)運輸物料的實時測量、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的智能決策，控制系統(tǒng)的智能控制尤為重要。

1 輸送帶負載的分析

帶式輸送機驅動系統(tǒng)消耗功率P與運行阻力F及輸送帶帶速v有如下關系：

其中，運行阻力主要包括輸送帶壓陷阻力、輸送帶彎曲阻力、物料變形阻力、落料區(qū)物料與輸送帶摩擦阻力、提升阻力及其他阻力。

輸送帶在運行過程中，由于受到物料的重力及托輥的支撐力作用，輸送帶會產(chǎn)生凹陷，由于輸送帶黏彈性特征，壓陷接觸區(qū)域為非對稱狀態(tài)[3]，其動態(tài)接觸狀態(tài)如圖1 所示。

由圖1 可以看出，輸送帶與托輥靜態(tài)接觸弧長為2a，當輸送帶運動時，趨入段接觸長度為d，分離段接觸長度為c，同時輸送帶應力與應變曲線分別對應σ 和ε。

圖1 輸送帶與托輥動態(tài)接觸曲線

因此，根據(jù)上述輸送帶壓陷模型，輸送帶在運行過程中壓線段的不對稱形變，托輥對輸送帶的壓陷力合力為一個垂直向下的力P1和一個滾阻力偶M[4]。得出輸送帶在與某一托輥接觸周期T段，所消耗的功W為：

式中：M為壓陷阻力偶；φ 為托輥在T/2 內(nèi)轉過的角度。

因此，輸送帶所受壓陷阻力F為：

式中：R為托輥半徑。

輸送帶運行過程中，輸送帶的承載分支與回程分支在輸送機機頭和機尾發(fā)生持續(xù)彎折，輸送帶彎曲阻力主要是輸送帶在機頭和機尾彎曲過程產(chǎn)生的阻力[4]。

帶式輸送機運送散裝物料，常常將承載分支散裝物料截面設計為U 型或V 型，物料在運行過程中，保持該形狀而導致的互相之間的擠壓和摩擦產(chǎn)生的阻力為物料變形阻力[5]。

目前，對于礦用帶式輸送機運行阻力大多采用經(jīng)驗公式，一般地采用下式作為輸送帶主要阻力，

式中：F為主要阻力；L為輸送帶長度；θ 為輸送帶傾角；qR為托輥單位米質量；qG為單位米物料質量；qB為單位米輸送帶質量；f為模擬摩擦系數(shù)；g為重力加速度。

散裝物料從導料槽落在輸送帶時，由于散裝物料速度方向為垂直于輸送帶，與輸送帶運動方向不一致，因此，輸送帶通過摩擦力對散裝物料做功，對其進行加速。對于帶式輸送機而言，此項做功計入附加阻力范疇，為落料區(qū)物料與輸送帶摩擦阻力。附加阻力FN經(jīng)驗公式為：

式中：C為輸送帶長度比例系數(shù)；

2 控制策略的建立

對輸送帶各落料區(qū)投入物料進行實時監(jiān)測，采用電子皮帶秤反饋輸送帶負載時變信息。

當運量Q一定時，輸送帶處于較小帶速情況下消耗功率最低，但是實際工況中，給煤量不穩(wěn)定，若帶速太低很容易導致堆煤、溢煤情況的發(fā)生。因此需建立運量Q與速度、煤料截面積的關系為：

式中：S為煤料截面積；v為帶速；ρ 為煤料密度。

當運量一定值時，帶速與煤料截面積成反比，同時，功率消耗P與帶速成正比，即當帶速取安全范圍內(nèi)最小值，功率消耗最低。在帶式輸送機實際運行時，帶速不可能根據(jù)給煤量一直調(diào)整，因此，根據(jù)某型號帶式輸送機實際情況，將帶速分為九個階梯擋位進行控制，具體帶速劃分如圖2 所示。

圖2 帶速階梯圖

3 控制響應的仿真

根據(jù)上述控制策略，控制帶式輸送機最優(yōu)帶速時，采用變頻器調(diào)節(jié)帶式輸送機驅動系統(tǒng)。由于給煤量的時變特征，如果采用實時測量值控制輸送機帶速會造成較大的滯后，因此控制方案采用模糊PID控制，通過對給煤量的不斷學習及提前預測，實現(xiàn)輸送帶最優(yōu)帶速運行。

采用MATLAB 的模糊邏輯工具箱及其Simulink模塊，對帶式輸送機自適應模糊PID 控制進行仿真，仿真模型如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制仿真模型

將輸送帶工況輸入系統(tǒng)，對其進行仿真，得到帶速響應曲線如圖4 所示。

圖4 帶速響應對比圖

對采用模糊PID 控制的帶速響應曲線與傳感器反饋計算帶速響應曲線進行對比，模糊PID 控制帶速超調(diào)量小，且6.8 s 即可達到穩(wěn)態(tài)。因此，采用模糊PID 控制方法可滿足帶式輸送機階梯帶速控制的要求。

4 結論

1）帶式輸送機主要阻力為由煤料裝載引起的托輥對輸送帶壓陷阻力及帶式輸送機布置高度起伏引起的煤料提升阻力；

2）當帶式輸送機運量Q一定時，影響輸送機功率的主要因素為帶速；

3）對時變帶速進行階梯化劃分可在滿足帶式輸送機節(jié)能的同時提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

4）通過對輸送帶控制系統(tǒng)仿真分析，得出模糊PID 控制可對輸送機帶速有效控制，且超調(diào)小、快速達到穩(wěn)態(tài)。