基于PID的刮板輸送機張緊系統(tǒng)的優(yōu)化分析

曹智斌

（晉能控股煤業(yè)集團朔州朔煤王坪煤電公司，山西 朔州 038300）

引言

刮板輸送機是采煤設(shè)備中的重要設(shè)備，在現(xiàn)代化礦山建設(shè)的大背景下，刮板輸送機的高效運行直接決定著煤礦能否實現(xiàn)高產(chǎn)高效的目標[1-2]。當刮板輸送機上負載有貨物時，由于負載的增加會導致刮板鏈應(yīng)力增加，刮板鏈彈性伸長，導致刮板鏈會比空載時長，此時刮板鏈的最小張力點會降低，甚至有可能達到零狀態(tài)，這就需要刮板輸送機的張緊機構(gòu)對伸長量進行補償，補償由于貨載量引起的運行阻力增加導致的刮板鏈伸長，以保證刮板輸送機的正常運轉(zhuǎn)與效率[3-4]。由于傳統(tǒng)張緊機構(gòu)不能夠?qū)崟r對刮板連狀態(tài)進行檢測，這就需要對刮板輸送機的張緊機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 刮板輸送機張緊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

張緊控制液壓系統(tǒng)主要包括電液控制和液壓組件，當需要進行推移和伸縮時，液壓缸、自動閥等液壓組件共同作用，使得推移動作的液壓缸進行伸長和回縮，完成機尾移動部分的推移工作，實現(xiàn)對刮板鏈的液壓控制。刮板輸送機的張緊系統(tǒng)在刮板輸送機的開機過程中起著尤為重要的作用。張緊系統(tǒng)的組成主要是由機械伸縮機構(gòu)和液壓控制部分來共同協(xié)調(diào)完成的。伸縮機尾通常在刮板輸送機刮板鏈由于長時間運轉(zhuǎn)導致刮板鏈松動時，通過調(diào)整伸縮液壓缸使得刮板鏈重新達到要求的張力范圍內(nèi)。液壓控制部分主要是由液壓組件與控制器元件組成。當需要調(diào)整刮板鏈張力時，液壓閥等通過調(diào)整回路中的液壓油的流動方向，給予液壓缸伸縮動作，來完成伸縮機尾對刮板鏈的張緊與收縮。圖1為刮板輸送機張緊系統(tǒng)的工作原理圖。刮板輸送機在使用時要根據(jù)相關(guān)標準設(shè)定張力。當設(shè)定值確定后，刮板鏈上的張力檢測信號會對刮板鏈張力進行檢測，當反饋的張力值小于刮板鏈起初的設(shè)定值時，液壓控制器調(diào)整油路方向及大小，給予液壓缸伸出信號，伸出閥此時打開，液壓缸會伸長，使得機尾向后移動，拉動刮板鏈進行張緊。當反饋信號比設(shè)定值大時，說明刮板鏈此時過于張緊，這就需要液壓缸進行回縮，此時收縮閥門打開，油缸進行收縮動作，機尾會向機頭方向運動，使得刮板輸送機機頭與機尾之間的鏈輪中心距減小，刮板鏈收縮完成。刮板輸送機張緊系統(tǒng)旨在通過刮板鏈的張力變化對機頭鏈輪與機尾鏈輪的中心距進行調(diào)解，保證刮板鏈處于刮板輸送機高效工作的張力范圍內(nèi)。

圖1 刮板輸送機張緊系統(tǒng)工作原理

2 影響張力的因素

刮板輸送機在工作時，刮板鏈的張力變化情況會受到諸多因素的影響，當刮板鏈空載時，刮板鏈受到自身預緊力大小、運行阻力及驅(qū)動方式的影響，當刮板鏈負載時，刮板鏈受到貨載量大小的影響，同時刮板鏈自身結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)也有一定的影響。

1）貨載量大小。刮板輸送機主要用來對采煤機降落的煤塊進行運輸，當刮板輸送機運行時，由于煤塊大小不均勻以及煤量的不穩(wěn)定就導致刮板鏈上的貨載量不穩(wěn)定，就會引起刮板鏈受到的運行阻力不穩(wěn)定以致張力不斷發(fā)生變化。

2）預緊力的大小。刮板輸送機在安裝完成后通常會根據(jù)經(jīng)驗對張緊機構(gòu)進行調(diào)節(jié)，使得刮板鏈有一定的預緊力。預緊力的大小設(shè)定一般是根據(jù)采煤機采煤量進行設(shè)置。當預緊力過大會增加鏈條的磨損，預緊力過小會使鏈條與鏈輪的嚙合不重合，所以需要選擇合適的預緊力。

3）驅(qū)動裝置的布置。目前現(xiàn)有的刮板輸送機驅(qū)動裝置有單驅(qū)動和雙驅(qū)動，驅(qū)動布置的位置不同，就會影響到刮板鏈的張力情況。單段驅(qū)動和雙端驅(qū)動就會使得刮板鏈的張力點發(fā)生變化影響刮板鏈的使用壽命。

4）鏈條故障。刮板輸送機鏈條在生產(chǎn)時選擇的材料會影響到使用時的效果，材料的剛性、硬度都存在一定的影響。鏈條長時間使用也會使得磨損加劇導致斷鏈，煤塊的卡位也會急劇加大張力，造成刮板鏈斷裂。

上述四種影響因素中，影響最大的就是刮板輸送機運轉(zhuǎn)時的煤量大小，當刮板輸送機的負載比較大時，刮板鏈的最小張力發(fā)生在機尾鏈輪與鏈條的分離位置。

3 基于遺傳算法的PID優(yōu)化方案

傳統(tǒng)刮板輸送機普遍使用的伸出（收縮）閥，此類閥體都屬于電液換向閥，此類閥體的工作性能都比較單一，要么是全開或者是全閉，這就導致了沒有中間狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，刮板輸送機張緊系統(tǒng)在自動調(diào)節(jié)時存在一定的誤差調(diào)節(jié)。通過對刮板輸送機張緊系統(tǒng)采用遺傳算法的PID調(diào)節(jié)方式能夠優(yōu)化沒有中間調(diào)節(jié)狀態(tài)的控制系統(tǒng)方案。

使用遺傳算法的PID控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)刮板輸送機的鏈條的張力情況，通過轉(zhuǎn)化成比例系數(shù)、對積分時間和微分時間進行優(yōu)化，進而對機尾的張緊系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，并且在處理的整個過程中遺傳算法的控制系統(tǒng)有很大的容錯率，能夠?qū)鞲衅鞯男盘柵c最佳解的信號進行優(yōu)化對比，質(zhì)量較差的信號能夠自動進行剔除，保證了容錯率。遺傳算法的PID控制需要使用電液比例換向閥，電液比例換向閥屬于換向閥與電液伺服閥的一種閥體。電液比例換向閥不僅能夠完成改變液壓油的方向的作用，而且能夠控制閥門的開口大小，實現(xiàn)對液壓油的流量調(diào)節(jié)，因此采用這種閥體不僅能夠完成對液壓油的換向操作，也能夠完成對液壓油流量控制的效果。通過刮板輸送機的一側(cè)傳來的壓力信號與PID參數(shù)進行實時整定，進行分析比例、積分與微分之間的線性關(guān)系形成控制信號對電液比例換向閥進行輸出控制，電液比例換向閥會調(diào)整閥門的開口大小以控制液壓油缸內(nèi)的進油量，進而控制液壓油缸的伸縮速度與伸縮量，完成對整個張緊系統(tǒng)的優(yōu)化控制，見圖2。

圖2 自動張緊液壓系統(tǒng)優(yōu)化控制原理圖

4 結(jié)論

引入以電液比例換向閥為基礎(chǔ)的遺傳算法為理論的PID電液控制技術(shù)，對刮板輸送機的張緊機構(gòu)的控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，能夠有效地減弱張緊系統(tǒng)在伸長或者縮短時液壓油不穩(wěn)定導致的鏈條張力的波動，延長鏈條的使用時間。基于遺傳算法的PID張緊系統(tǒng)，可以在實際使用過程中在0~3 s內(nèi)減小液壓波動約70%，充分說明了基于遺傳算法的PID控制系統(tǒng)能夠在刮板輸送機上使用，進而充分發(fā)揮張緊系統(tǒng)對刮板鏈的伸縮。