刮板輸送機張緊系統的智能化控制

衛賢濤

（山西煤礦機械制造股份有限公司， 山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機作為綜采工作面的必需設備，承擔著物料的運輸任務，充當著采煤機導軌以及輔助液壓支架推移的角色，該設備是實現工作面高產、高效生產的基礎。刮板鏈作為刮板輸送機的牽引機構，在實際生產中鏈條的張緊力處于動態變化，為保證鏈條不會出現掉鏈、卡鏈等事故的發生，需根據刮板鏈條張力的變化智能、自動地對刮板鏈條長度進行調整[1]。本文著重研究刮板輸送機張緊系統的智能化控制，為提高綜采工作面的生產效率和安全性奠定基礎。

1 張緊系統組成與性能要求

刮板輸送機張緊系統是刮板輸送機系統的關鍵組成部分，其主要功能是對刮板鏈條的調整。張緊系統的性能直接決定刮板輸送機的運輸性能。刮板輸送機張緊系統主要由伸縮機尾、電液控制單元以及自動張緊液壓系統組成。其中，伸縮機尾由機尾架、鏈輪組件、推移機架、過渡槽、固定部分、推移液壓缸等組成[2]。

自動張緊液壓系統主要由液壓油缸、液壓閥、傳感器以及其他控制閥組成。電液控制單元根據壓力傳感器和位移傳感器所采集的數據由控制閥控制油缸及液壓閥實現對刮板鏈條長度的調整。

張緊液壓系統為刮板輸送機張緊系統的關鍵分系統，根據實際生產中刮板鏈條張緊力的變化，由張緊系統通過液壓系統的收縮閥（減壓閥）控制液壓油缸活塞進入有桿側（進入無桿側）完成伸縮和收縮動作。為保證張緊系統的性能，要求液壓系統具有較高的效率、較高的功率利用率以及較大的調速范圍和靈敏的調速性能等特點。結合實際生產的需求，要求自動張緊液壓系統性能指標滿足表1。

表1 張緊液壓系統的性能指標要求

2 自動張緊液壓系統的建模與仿真

2.1 自動張緊液壓系統仿真模型

根據某型張緊液壓系統液壓元器件的參數，見表2，基于AMESim 軟件搭建液壓系統仿真模型。

表2 張緊液壓系統液壓元器件參數

根據表2 中的參數對AMESim 的模型對應元器件模型參數進行設置，并對刮板輸送機伸出工況和收縮工況下活塞桿及液壓缸無桿側的壓力進行仿真分析。

2.2 張緊液壓系統仿真結果分析

根據仿真需求設置仿真時間為10 s，仿真步長為0.1 s。

2.2.1 伸出工況仿真分析

要求張緊液壓系統液壓缸無桿側的壓力低于設定壓力值[3]，因此，將液壓缸無桿側的壓力設定為0，對其在伸出工況下活塞桿的速度和液壓缸無桿側的壓力進行仿真分析，仿真結果如下頁圖1 所示。

如圖1 所示，液壓缸無桿側的壓力從0 均勻緩慢增大至150 bar（15 MPa），耗時長約為4.2 s，對應活塞桿的伸出速度迅速增大至0.056 m/s，并在無桿側壓力增大至設定壓力150 bar后停止伸出。經仿真，在伸出工況下，活塞桿的伸出速度及無桿側壓力變化變化均勻。

圖1 伸出工況仿真結果

2.2.2 收縮工況仿真分析

要求張緊液壓系統液壓缸無桿側的壓力高于設定壓力值，因此，將液壓缸無桿側的壓力設定為250 bar（25 MPa），對其在收縮工況下活塞桿的速度和液壓缸無桿側的壓力進行仿真分析，結果如圖2 所示。

圖2 收縮工況仿真結果

如圖2 中活塞桿伸出速度所示，在刮板輸送機收縮工況下活塞桿呈現收縮和伸出兩個方面的運動。造成上述問題的主要原因為由于液壓缸無桿側的壓力較高，使得乳化液被壓縮，繼而導致部分結構構件的彈性變形和管路膨脹，使得系統在3 s 內存在泄油和補油的往復動作，從而對系統造成沖擊[4]。

綜上所述，刮板張緊液壓系統在伸出工況下的工作滿足系統要求，而在收縮工況下會對系統造成沖擊，進而影響刮板鏈條的使用壽命，降低刮板張緊系統的可靠性。

3 自動張緊智能控制系統的實現

經上文仿真分析可知，造成刮板張緊液壓系統在收縮工況下出現振蕩，繼而對系統造成沖擊的主要原因是其管路膨脹或機械構建彈性變形所導致的[5]。因此，需對張緊控制系統進行優化，確保其能夠適應收縮工況下高壓所導致的管路膨脹導致對系統造成沖擊的問題。

3.1 張緊控制系統的優化

為解決刮板輸送機張緊控制系統在收縮工況下的問題，采用遺傳算法的PID 控制器對張緊控制系統進行優化。基于遺傳算法對PID 控制器中積分系數、微分系數以及比例系數進行調整，最優化后的PID 控制器對電液比例換向閥和液壓缸進行控制，最終達到最佳控制效果。

為能夠減小系統在收縮工況下液壓活塞桿的振蕩和液壓缸內的波動問題，基于遺傳算法對PID 控制器中的系數進行優化整定，最終整定結果如下：比例系數Kp=0.54；積分系數Ki=0.59；微分系數Kd=0.67。

3.2 張緊控制系統的優化結果驗證

在上文中搭建的AMESim 液壓仿真模型中設定基于遺傳算法所得的PID 控制器中的比例系數、微分系數和積分系數。設定仿真時長為5 s，仿真步長為0.05 s，液壓缸無桿側的初始壓力值為250 bar，對刮板輸送機在收縮工況下的活塞桿的收縮速度和液壓缸無桿側的壓力變化進行仿真分析。仿真結果如下頁圖3 所示。

如圖3 所示，經基于遺傳算法對控制系統中PID 控制器的比例、積分、微分三個環節的參數進行優化后，在收縮工況下活塞桿的收縮速度明顯減小，且速度波動幅度也得到明顯減小；與此同時，液壓缸無桿側壓力波動范圍而也明顯減小。最終，液壓缸無桿側的壓力維持在148 bar（14.8 MPa）左右，平衡耗時3.4 s。

綜上所述，PID 控制參數經遺傳算法優化后控制系統的超調量明顯較小，而且有效解決了在收縮工況下對系統造成沖擊的問題。

4 結論

圖3 張緊控制系統優化后收縮工況仿真結果

1）刮板輸送傳統張緊控制系統在伸出工況下的控制性能能夠滿足系統要求，而在收縮工況下容易對系統造成沖擊；

2）基于遺傳算法對PID 控制器中的比例、積分、微分環節系數進行優化，優化結果為比例系數Kp=0.54；積分系數Ki=0.59；微分系數Kd=0.67；

3）張緊控制系統經優化后，系統的沖擊問題得到明顯控制，為刮板輸送機張緊系統的智能化控制奠定基礎。