基于PID的刮板輸送機張緊系統的優化分析

曹智斌

（晉能控股煤業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備中的重要設備，在現代化礦山建設的大背景下，刮板輸送機的高效運行直接決定著煤礦能否實現高產高效的目標[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，這就需要刮板輸送機的張緊機構對伸長量進行補償，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與效率[3-4]。由于傳統張緊機構不能夠實時對刮板連狀態進行檢測，這就需要對刮板輸送機的張緊機構進行優化設計。

1 刮板輸送機張緊系統的結構及工作原理

張緊控制液壓系統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，實現對刮板鏈的液壓控制。刮板輸送機的張緊系統在刮板輸送機的開機過程中起著尤為重要的作用。張緊系統的組成主要是由機械伸縮機構和液壓控制部分來共同協調完成的。伸縮機尾通常在刮板輸送機刮板鏈由于長時間運轉導致刮板鏈松動時，通過調整伸縮液壓缸使得刮板鏈重新達到要求的張力范圍內。液壓控制部分主要是由液壓組件與控制器元件組成。當需要調整刮板鏈張力時，液壓閥等通過調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的工作原理圖。刮板輸送機在使用時要根據相關標準設定張力。當設定值確定后，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定值時，液壓控制器調整油路方向及大小，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解，保證刮板鏈處于刮板輸送機高效工作的張力范圍內。

圖1 刮板輸送機張緊系統工作原理

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，同時刮板鏈自身結構及物化性質也有一定的影響。

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定就導致刮板鏈上的貨載量不穩定，就會引起刮板鏈受到的運行阻力不穩定以致張力不斷發生變化。

2）預緊力的大小。刮板輸送機在安裝完成后通常會根據經驗對張緊機構進行調節，使得刮板鏈有一定的預緊力。預緊力的大小設定一般是根據采煤機采煤量進行設置。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）驅動裝置的布置。目前現有的刮板輸送機驅動裝置有單驅動和雙驅動，驅動布置的位置不同，就會影響到刮板鏈的張力情況。單段驅動和雙端驅動就會使得刮板鏈的張力點發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生在機尾鏈輪與鏈條的分離位置。

3 基于遺傳算法的PID優化方案

傳統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進行調節，刮板輸送機張緊系統在自動調節時存在一定的誤差調節。通過對刮板輸送機張緊系統采用遺傳算法的PID調節方式能夠優化沒有中間調節狀態的控制系統方案。

使用遺傳算法的PID控制系統，能夠根據刮板輸送機的鏈條的張力情況，通過轉化成比例系數、對積分時間和微分時間進行優化，進而對機尾的張緊系統進行調節，并且在處理的整個過程中遺傳算法的控制系統有很大的容錯率，能夠將傳感器的信號與最佳解的信號進行優化對比，質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，實現對液壓油的流量調節，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傳來的壓力信號與PID參數進行實時整定，進行分析比例、積分與微分之間的線性關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整閥門的開口大小以控制液壓油缸內的進油量，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的優化控制，見圖2。

圖2 自動張緊液壓系統優化控制原理圖

4 結論

引入以電液比例換向閥為基礎的遺傳算法為理論的PID電液控制技術，對刮板輸送機的張緊機構的控制系統進行調節，能夠有效地減弱張緊系統在伸長或者縮短時液壓油不穩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，可以在實際使用過程中在0~3 s內減小液壓波動約70%，充分說明了基于遺傳算法的PID控制系統能夠在刮板輸送機上使用，進而充分發揮張緊系統對刮板鏈的伸縮。