刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化研究

魏大棟

（山西科興能源發展有限公司，山西 高平 048400）

引言

刮板輸送機作為綜采工作面的關鍵設備，其不僅承擔煤炭的落煤和輸送任務，而且是采煤機和液壓支架的連接點，即為采煤機提供軌道，為液壓支架推移提供定位功能。當采煤機進入下一截割面時，液壓支架推移中部槽刮板輸送機向煤壁方向移近一個步距，從而形成S 彎區域。對于S 彎區域而言，彎曲角度選取不當極易導致刮板輸送機負載增大、對設備沖擊嚴重及能耗增加等問題，從而降低綜采工作面的生產效率[1]。針對上述問題，本文將開展刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化研究，最終達到提高綜采工作面生產效率、降低能耗等目的。

1 刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化系統總體設計

本節將在簡單概述刮板輸送機基本結構的基礎上，研究設備形成S 彎區域的機理，最終完成刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化系統的總體設計。具體闡述如下：

1.1 刮板輸送機基本結構

一般刮板輸送機的基本結構如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機基本結構（單位：mm）

刮板輸送機除了圖1 中的基本結構外，在實際生產中還需為其匹配張緊裝置、推移裝置等部件，以保證刮板輸送機的高效、穩定運行[2]。

1.2 S 彎區域形成機理

從整體上分析，S 彎區域形成的主要機理為：當采煤機在某個位置截割完成后，前部已經完成截割任務的刮板輸送機在液壓支架推溜作用下給予刮板輸送機中部槽一個面向煤壁的推溜力，從而保證前部刮板輸送機貼向煤壁；與此同時，后方正在參與截割任務的刮板輸送機還處于原來水平位置。因此，可以說刮板輸送機S 彎區域是當前煤層高效、自動化開采不可避免的現狀。S 彎區域的形成不僅對刮板輸送機本身的運行造成影響，而且會對采煤機的截割效率、沖擊載荷和傳動部件受力及液壓支架的推溜數等造成影響。為解決上述問題，關鍵在于對S 彎區域彎曲角的合理確定。

1.3 S 彎區域水平彎曲角優化系統總體設計

根據刮板輸送機的相關標準可知，即從理論上講，刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角的合理角度為1°～3°。但是，在實際生產中由于各方面的因素導致無法將水平彎曲角精確控制在1°～3°的合理范圍之內[3]。因此，對于S 彎區域水平彎曲角優化系統而言，其不僅具備對實時水平彎曲角的監測功能，而且需根據監測結果對水平彎曲角進行調控。因此，S彎區域水平彎曲角優化系統包括負載監控子系統和水平彎曲角調控子系統，其總體結構框圖如圖2 所示。

圖2 刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化系統總體結構框圖

由圖2 可知，刮板輸送機負載監控系統重點對刮板輸送機實時運行狀態進行監測和控制；S 彎區域水平彎曲角調控系統根據對采煤機、液壓支架及刮板輸送機等參數實時采集并讀取的基礎上，結合S 彎區域水平彎曲角優化算法得出最佳的水平彎曲角，并通過負載監控系統中機頭、機尾控制器實現對水平彎曲角的實時優化控制。

總的來講，實現對刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化的核心在基于有效優化算法實現刮板輸送機機頭機尾的控制[4]。對于控制功能，本系統采用PLC控制器完成控制功能，結合實際需求為其配置PLC控制器的具體型號為西門子的S7-300 系列PLC 控制器，并為其匹配的配套模塊如表1 所示。

表1 與S7-300 PLC 控制器配套的模塊

2 刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化算法

選取高效且穩定的優化算法是保證能夠得到最佳S 彎區域水平彎曲角的關鍵。結合工業生產中常用且應用較為廣泛的優化算法，本系統采用蝙蝠優化算法為基礎對水平彎曲角進行優化。同時，為了保證優化結果的優越性和實際應用效果，在基礎蝙蝠優化算法的基礎上引入權重和t-分布完成對優化算法的改進，從而得到水平彎曲角的優化策略。

根據所引入權重的不同，改進后的蝙蝠優化算法包括ABAM、BCBA、BAO 和MBA 四種優化算法。基于MATLAB 對上述四種不同優化算法對刮板輸送機處于同一狀態下優化后的結構進行對比，對比結果如表2 所示。

表2 不同改進蝙蝠優化算法對應的優化結果

由表2 可知，四種優化算法在刮板輸送機處于同一狀態下對應水平彎曲角的優化均值相差不大，均在0.66°左右；區別在于，不同優化算法對應水平彎曲角優化標準差差異明顯，其中，BAO 優化算法的標準差最大，MBA 優化算法的標準差最小[5]。因此，本系統將采用MBA 改進蝙蝠優化算法對刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角進行優化計算。

3 刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角優化效果

0.66 °為采用MBA 蝙蝠優化算法后所得的刮板輸送機S 彎區域水平彎曲角度的最佳值；而在水平彎曲角優化系統未采用之前，S 彎區域水平彎曲角一致按照平均值1.5°運行。對兩種不同水平彎曲角對應刮板輸送機機頭和機尾驅動電機電流值進行比較，對比結果如表3 所示。

表3 不同水平彎曲角對應電機電流值

由表3 可知，采用優化后水平彎曲角0.66°對應刮板輸送機機頭和機尾電流值均小于水平彎曲角為1.5°的情況。而且經實踐表明：

1）在工作面的同種生產工況下，對水平彎曲角進行優化后每天可節約電費0.24 萬元，每年按照300 d計算，則一年可節約電費約72 萬元。

2）鏈輪組件是由于水平彎曲角過大而常發生故障的部件。在優化前，鏈輪組件平均使用壽命為6 個月；而優化后工作6 個月的時間內鏈輪組件表面僅磨損8 mm，推算優化后鏈輪組件使用壽命可延長至18個月。

4 結論

刮板輸送機為綜采工作面的關鍵設備，其不僅承擔落煤和運煤任務，而且與采煤機和液壓支架配合使用，對綜采工作面的安全、高效生產意義重大。本文重點針對刮板輸送機在實際應用過程中不可避免的S彎區域水平彎曲角過大所導致的能耗增大、設備使用壽命降低的問題，基于MBA 改進蝙蝠優化算法的S彎區域水平彎曲優化系統，經實踐表明：

1）水平彎曲角優化后，刮板輸送機每年可節約電費約72 萬元；

2）水平彎曲角優化后，刮板輸送機鏈輪組件的使用壽命可延長至18 個月。