帶式輸送機液壓張緊裝置設計和控制研究

孟建興

（晉能控股煤業集團晉圣億欣煤業有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

帶式輸送機是煤礦井下運送物料的設備，隨著生產力發展，帶式輸送機朝著大容量、長距離方向發展，張緊裝置性能好壞直接影響帶式輸送機的安全運行和使用壽命。帶式輸送機張緊裝置經歷了三個發展階段：固定式絞車的張緊力不能自動調節，十分依賴人工操作；自動絞車初步實現了張緊力可調且帶有了制動裝置，但是在輸送機啟動和制動時張緊效果不佳；液壓絞車能夠實現張緊力動態跟蹤，無論在平穩運行階段還是啟動停車階段都能夠快速張緊膠帶。本文研究了一種用于帶式輸送機的液壓張緊裝置，將模糊控制與PID 控制結合，達到了張緊力最佳的控制效果。

1 液壓張緊裝置的整體設計

液壓張緊裝置的設計包括結構設計、部件設計和功能設計等內容，液壓張緊裝置結構如圖1 所示，主要部件包括液壓絞車、油箱、液壓馬達、張緊油缸、傳感器、絞車滾筒、各類閥等，在此重點分析液壓絞車設計要點和功能設計要點。

1.1 液壓絞車

液壓絞車由液壓馬達、制動器、聯軸器、減速器、開式齒輪和卷筒等構成，其工作過程可描述為液壓馬達轉動產生驅動力，經過一系列機械部件傳動從而帶動卷筒轉動，張緊小車在卷筒帶動下運動，改變膠帶上的張力。制動器的工作原理為摩擦片和對偶片在碟形彈簧的壓縮下進行連接，為液壓絞車提供制動力。作為制動器的核心部件，摩擦片和對偶片的許用傳遞轉矩可按照濕式離合器構造原理進行設計。卷筒是液壓絞車的關鍵部件，設計時通過有限元方法重點分析應力和應變情況。由于卷筒通過鋼絲繩與多個部件進行連接，因此設計時應選取較大的安全系數，避免因卷筒強度不足而造成的事故。

圖1 液壓張緊裝置系統結構圖

1.2 工作過程

液壓系統的工作過程可分為啟動、張力上升、張力保持、停機四個階段。啟動階段：首先打開啟動開關和安全卸荷電磁閥，油泵電機從空載啟動，將液壓電液泵至三位四通換向閥內，當張緊油缸內充滿液壓油后，液壓系統向帶式輸送機發送啟動信號，液壓系統啟動階段完成。張力上升階段：啟動階段完成后，液壓油將繼續流動在各個閥門中，膠帶的張力在這個階段不斷上升，當滿足輸送帶對張力的要求后液壓系統的所有閥門就會關閉，使膠帶上的張力穩定。張力保持階段：張力上升到足夠輸送機穩定運行就不再上升，為了保持住此張力，系統將采用傳感器持續采集膠帶的張力，當檢測到張力下降后將啟動張緊油缸和油泵電機增加膠帶張力，此過程為動態調節過程。停機階段：輸送帶向液壓系統發出停機信號后，制動器的摩擦力增大，當輸送帶停止后所有液壓閥回到初始狀態。

1.3 應急處理方案

除了正常的工作流程，為了使輸送帶在液壓張緊裝置故障狀態下安全停車，系統還設置了“斷電”和“斷帶”兩種緊急狀態的應急流程。當液壓張緊裝置斷電后，將向輸送機發送“斷電”信號，輸送機接收到此信號后緩慢降低速度直至停車。相比斷電故障，斷帶的后果更為嚴重，因此當張緊裝置斷帶后將立即停止運行并發出報警信號。

2 控制系統設計

電氣控制系統是液壓張緊裝置的核心，直接決定了張緊力控制效果。如圖2 所示，安裝在輸送帶上的傳感器采集膠帶張力信號、膠帶速度信號和電機電流信號發送給核心控制板，控制器將實際膠帶張力與給定張力進行比較，通過PID 控制器進行調節，發出增大或減小張力的控制信號給蓄能器和液壓馬達，蓄能器和液壓馬達分別驅動張緊油缸和絞車卷筒，對張緊小車進行控制，張緊小車的動作改變輸送帶的張緊力。

圖2 液壓張緊裝置電氣控制結構圖

以STM32F103 微控制器為核心，除了下載電路、電源電路、CAN 總線通信電路和SP11 串口通信電路等，控制板的外圍電路有以下幾種。

1）反饋信號檢測電路：張力信號、速度信號和電流信號經過濾波調理電路后，通過A/D 接口供控制器接收；堆煤、撕裂和跑偏等信號通過I/O 輸入接口。

2）功能控制電路：輸出信號有啟動、停止、斷帶保護、啟動完成、停止完成、電磁閥控制；輸入信號有撥碼開關、功能按鍵。

3）存儲和顯示電路：LED 指示燈、LCD 液晶屏。

3 液壓張緊裝置模型

為了對液壓張緊裝置進行性能分析和控制器設計，首先建立三通閥控制液壓缸特性方程進行分析。為了簡化模型，假設閥控液壓缸的負載為單自由度系統，采用線性化方法分析穩定工作點附近的運動特性[1-4]。

假設兩個節流窗口流量系數相等，忽略液體壓縮性，閥位移和負載變化和流量變化之間無時延，供油壓力恒定且無回油壓力。得到液壓閥流量方程為

式中，Kq、XV、Kc、pL分別為流量放大系數、閥芯位移量、流量壓力系數和負載壓力。

假設管道內部無摩擦、無氣穴，各處壓力相等，液壓油溫度和體積彈性模量不變，活塞兩側的油腔容積相等。得到液壓缸流量qL方程為：

式中，Ap、xp、Ctp、βe、Vt分別為進油腔活塞面積、活塞位移、泄露系數、有效體積彈性模量和進油腔容量。

忽略膠帶的慣性、粘性阻尼和彈性，將所有質量集中于活塞桿后，得到液壓缸輸出力增量方程為：

式中，mt、Bp、K、Fg、FZ分別為活塞質量、黏性阻尼系數、彈簧剛度、油缸輸出力、摩擦阻力。

得到基本方程后，可以得到液壓系統動力元件的傳遞函數，從而建立控制模型，為模糊PID 控制奠定基礎。

4 模糊PID 控制在液壓拉緊裝置的應用

PID 是一種適用于線性時不變系統的控制器，對于能夠建立準確數學模型的控制系統，確定了比例系數KP、積分系數KI和微分系數KD后，就能對系統進行有效控制。但是將PID 控制用于液壓張緊裝置效果不佳，特別是停車和啟動階段，原因是電液伺服閥的摩擦死區和零漂等非線性問題及閥控液壓缸的液壓固有頻率、液壓阻尼比等參數為時變的。由于上述原因，建立的控制系統模型往往不準確，常規PID 控制不能達到最佳控制效果。作為智能PID 控制器的一種，模糊PID 控制器將模糊控制和PID 控制接合起來，根據不同的偏差和偏差率動態調整KP、KI和KD，讓控制模型動態適應液壓系統的時變性和非線性。如下頁圖3 所示，選擇拉緊力期望值與實際拉緊力的偏差及其變化率為模糊PID 控制器的輸入量，PID 參數修正量 ΔKP、ΔKI、ΔKD為輸出量，并將其量化為7 個等級 [-3，···，3]，量化公式見式（1），其中 x 為被量化的精確量，a、b 分別為上下界，y為x 對應的模糊化量。根據模糊關系R，和推理合成規則得到模糊集合U，進行模糊判決后得到模糊控制器的查詢表。計算機根據查詢表和比例隱私修正PID 參數，完成模糊控制的整個過程[5-7]。

圖3 模糊PID 控制自整定框圖

5 結語

本文在以STM32F103 微控制器為核心設計張緊裝置電氣控制系統時，在液壓閥流量方程、液壓缸輸出力增量方程和液壓缸輸出力增量方程基礎上，將模糊控制和傳統PID 控制相結合，將模糊PID 控制應用于張緊力控制。模糊PID 控制的液壓張緊裝置在帶式輸送機啟動和停機階段具有良好的動態響應，提高了帶式輸送機的安全性和可靠性，延長了膠帶的壽命。