煤礦刮板輸送機自動張緊裝置的優(yōu)化研究

李衛(wèi)紅

（呂梁市煤炭信息調(diào)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(gòu)，同時也是刮板輸送機系統(tǒng)上最容易出現(xiàn)故障、導(dǎo)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(dǎo)致刮板鏈產(chǎn)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(xiàn)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(wěn)定性，煤礦井下刮板輸送機均設(shè)置有自動張緊裝置，用于自動控制輸送鏈內(nèi)的張力，確保輸送機系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，但所使用的自動張緊系統(tǒng)存在著故障率高、反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)備。刮板輸送機在工作時需將刮板固定在刮板鏈條上，驅(qū)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(xiàn)將溜槽內(nèi)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(huán)運行，來完成對井下物料的連續(xù)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(tǒng)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(dǎo)致刮板輸送機在運輸時出現(xiàn)卡鏈甚至是掉鏈的現(xiàn)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(tǒng)在收縮工況下，設(shè)置仿真分析時間為10s，設(shè)置系統(tǒng)的采樣周期為0.1s[2]，經(jīng)過仿真可得出液壓缸無桿側(cè)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(xiàn)有刮板輸送機張緊裝置液壓原理圖

圖2 執(zhí)行油缸無桿腔的壓力變化曲線

由圖2所示，張緊裝置在執(zhí)行工作過程中，執(zhí)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(dǎo)致無桿腔側(cè)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(tǒng)開始泄流，導(dǎo)致無桿腔壓力迅速的降低，當在3s時系統(tǒng)完成收縮，此時因無桿腔側(cè)的壓力小于設(shè)定值，收縮閥復(fù)位，伸出閥開始工作，指導(dǎo)活塞桿伸出到指定位置。

在整個收縮期間，無桿腔側(cè)的液壓油被不斷的壓縮，進而使與之接觸的管路產(chǎn)生膨脹，此時液控單向閥反向開啟，造成無桿腔一側(cè)的液壓油壓力下降過快，形成極大泄油量，當無桿腔側(cè)的壓力降低系統(tǒng)設(shè)定值后，系統(tǒng)又開始補油，從而導(dǎo)致了在活塞桿收縮階段液壓系統(tǒng)的壓力的波動，給整個液壓系統(tǒng)造成極大的沖擊與振動，造成刮板鏈的張力發(fā)生很大的變化，嚴重影響張緊系統(tǒng)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(yōu)化方案

遺傳算法是一種可以對復(fù)雜問題或者系統(tǒng)進行優(yōu)化的全局優(yōu)化的算法系統(tǒng)，其具有邏輯性強、算法簡單的優(yōu)點。

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

刮板輸送機自動張緊系統(tǒng)基于遺傳算法的PID優(yōu)化控制原理如圖3所示[3]，該優(yōu)化方案利用整定好的參數(shù)對液壓缸無桿腔的液壓油的壓力與系統(tǒng)設(shè)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(cè)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(yōu)化[4]。

圖3 刮板輸送機液壓張緊裝置優(yōu)化原理圖

4 優(yōu)化后刮板輸送機自動張緊裝置的仿真分析

根據(jù)優(yōu)化方案，將液壓系統(tǒng)中的電液換向閥換成電液比例換向閥，將其導(dǎo)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(shù)設(shè)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(zhí)行油缸在收縮階段進行仿真分析，并設(shè)置仿真時長為8s，仿真時的步長為0.05s，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)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(yōu)化后，可以精確地控制流入液壓缸內(nèi)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(tǒng)釋放壓力的實際時間，從而使優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(yōu)化后的應(yīng)用效果

該礦對刮板輸送機張緊裝置的液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)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(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)自投入使用以來表現(xiàn)出了良好的減震緩沖效果，刮板輸送機系統(tǒng)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(dǎo)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(jié)論

本文利用基于遺傳算法的PID優(yōu)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(tǒng)，利用AMESim仿真分析軟件對優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)進行仿真分析，結(jié)果表明采用優(yōu)化后的液壓控制系統(tǒng)能夠?qū)⑹湛s時壓力的波動幅度降低約65%，從而降低了張緊系統(tǒng)在收縮時鏈條的動張力的波動。優(yōu)化后的張緊裝置在，確保了刮板輸送機在工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性，提高了刮板鏈的使用壽命。