閆文博

（晉能控股集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037003）

引言

隨著刮板輸送機(jī)不斷朝著重型化方向發(fā)展，作為輸送機(jī)運(yùn)行核心的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性越來越成為影響刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵因素。煤礦井下工作環(huán)境惡劣、刮板輸送機(jī)工作時(shí)的工況多變，在不同工況下刮板輸送機(jī)具有不同的動(dòng)態(tài)特性，造成刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)鏈條張力和運(yùn)行阻力不斷變化。當(dāng)鏈條張力過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鏈條垂度過大，影響刮板輸送機(jī)鏈輪和鏈環(huán)的正常嚙合，造成脫齒等現(xiàn)象；當(dāng)鏈條張力過大時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致鏈輪和鏈條嚙合時(shí)的嚙合力劇增，影響鏈輪和鏈環(huán)的嚙合可靠性與鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。因此，需要在刮板輸送機(jī)內(nèi)設(shè)置自動(dòng)張緊裝置，以滿足在不同工作狀態(tài)下刮板輸送機(jī)自動(dòng)根據(jù)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的工作情況自動(dòng)調(diào)整鏈條的張力狀況，確保刮板輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對(duì)現(xiàn)有張緊控制系統(tǒng)的缺陷，提出了將模糊PID 控制與鏈傳動(dòng)控制相結(jié)合的理論，設(shè)計(jì)了新型的自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)，對(duì)其工作情況進(jìn)行了分析，以進(jìn)一步提升刮板輸送機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性，提高刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。

1 刮板輸送機(jī)張緊控制系統(tǒng)的工作原理

刮板輸送機(jī)的自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)主要是通過控制張緊機(jī)構(gòu)來調(diào)整兩個(gè)鏈輪之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈條內(nèi)張緊力的可靠調(diào)節(jié)，其控制原理如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊系統(tǒng)在工作時(shí)首先由張力傳感器對(duì)鏈條內(nèi)的張力進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)并輸出張力監(jiān)測(cè)信號(hào)SA、SB，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行濾波處理，獲取實(shí)際值，然后由信號(hào)比較器Ⅰ計(jì)算二者與系統(tǒng)設(shè)定值之間的差值，再由信號(hào)比較器Ⅱ計(jì)算出差值是否超過了系統(tǒng)運(yùn)行的誤差值，然后輸出最終的觸發(fā)信號(hào)eA、eB，分別用于控制張緊油缸A 和張緊油缸B 的動(dòng)作。在實(shí)際控制時(shí)，若觸發(fā)信號(hào)為1，則控制執(zhí)行油缸推出；若觸發(fā)信號(hào)為0，則控制執(zhí)行油缸保持靜止不動(dòng)；若觸發(fā)信號(hào)為-1，則控制執(zhí)行油缸收回。

圖1 刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)的工作原理

2 刮板輸送機(jī)張緊控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)中電液伺服系統(tǒng)的工作原理[2]如圖2 所示。

圖2 電液伺服控制系統(tǒng)的控制原理

由圖2 分析可知：

式中：Ue為系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)電壓信號(hào)；Ur為設(shè)定的張緊力所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；Uf為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值的反饋電壓信號(hào)。

因此，活塞桿位移的傳遞函數(shù)xA（s）可表示為：

式中：UA（s）為系統(tǒng)輸出電壓傳遞函數(shù)；Kbv為電液比例溢流閥的增益；Gbv（s）為伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，Gbv（s）=Kbv+1；A 為執(zhí)行油缸進(jìn)油腔的面積；S 為被測(cè)點(diǎn)鏈條的張力；MA為系統(tǒng)的質(zhì)量摩擦力；C 為執(zhí)行油缸進(jìn)油腔的容積；K 為電子放大器增益；βec為系統(tǒng)的有效體積剛度系數(shù)；Cip為執(zhí)行油缸的內(nèi)泄露系數(shù)。

3 基于模糊PID 控制的張緊裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)

刮板輸送機(jī)因其工作特性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在實(shí)際工作中，其在刮板輸送機(jī)端部和尾部的摩擦力極大，且鏈傳動(dòng)系統(tǒng)鏈條的非線性分布也較為明顯，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工作時(shí)具有顯著的非線性和瞬變特性，因此為了提高控制系統(tǒng)對(duì)張力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和精確性，提出了將模糊PID 控制與現(xiàn)有控制方式相結(jié)合的思想。利用模糊控制特性對(duì)刮板輸送機(jī)的張力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，其控制原理如圖3 所示。

圖3 基于模糊PID 控制的張緊控制原理

4 基于模糊PID 控制的自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)仿真分析

本文以某礦所采用的刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，其采用了雙驅(qū)動(dòng)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，張緊裝置位于刮板輸送機(jī)的尾部，根據(jù)實(shí)際工作情況，利用Simulink 仿真分析軟件[3]建立基于模糊PID 控制的刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)的控制方塊圖，對(duì)刮板輸送機(jī)在不同工況下工作時(shí)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)對(duì)鏈條內(nèi)張力的調(diào)節(jié)情況進(jìn)行仿真分析，研究該張緊控制系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。基于模糊PID 控制的刮板輸送機(jī)張緊控制系統(tǒng)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 基于模糊PID 控制的張緊控制傳遞方塊圖

圖4 中，U（k）為系統(tǒng)模糊整定后的輸出控制信號(hào)；λ 為增益放大系數(shù)；Imax為調(diào)節(jié)控制電流；e（τ1+τ2）s/S表示控制電路的延時(shí)特性的傳遞函數(shù)；τ1+τ2=80 ms；Ki為控制系統(tǒng)檢測(cè)電路的增益；AC為執(zhí)行油缸有桿腔和無桿腔的面積差，取0.021 m2；KξF為控制電路的放大增益系數(shù)。

為了對(duì)該張緊控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行分析，本文選擇了刮板輸送機(jī)在實(shí)際工作中的最差啟動(dòng)條件——直接啟動(dòng)情況下的控制效果進(jìn)行研究，結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 傳統(tǒng)張緊控制系統(tǒng)鏈條張力控制效果

圖6 模糊PID 張緊控制系統(tǒng)鏈條張力控制效果

由仿真分析結(jié)果可知，采用模糊PID 張緊控制系統(tǒng)后，在直接啟動(dòng)下，其調(diào)節(jié)時(shí)間由優(yōu)化前的約0.45 s提升到了現(xiàn)在的約0.15 s，調(diào)節(jié)效率提升了約66.7%，穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)的張力由最初的30 kN 降低到了現(xiàn)在的20 kN，張力降低了約33.3%，且在調(diào)整過程中鏈條張力的波動(dòng)顯著降低。由此可以看出，該新型刮板輸送機(jī)張緊控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)速度快、可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，完全可滿足刮板輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有刮板輸送機(jī)自動(dòng)張緊控制系統(tǒng)的缺陷，提出了一種新的基于模糊PID 控制的刮板輸送機(jī)張緊裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用Simulink 仿真分析軟件對(duì)直接啟動(dòng)工況下的調(diào)整情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：

1）采用模糊PID 張緊控制系統(tǒng)后，在直接啟動(dòng)下其調(diào)節(jié)時(shí)間由優(yōu)化前的約0.45 s 提升到了現(xiàn)在的約0.15 s，調(diào)節(jié)效率提升了約66.7%；

2）采用模糊PID 張緊控制系統(tǒng)后，在直接啟動(dòng)下鏈條穩(wěn)定后的張力下降了33.3%，顯著降低了刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)鏈條嚙合時(shí)的接觸力，降低了鏈輪和鏈環(huán)的磨損，提升了刮板輸送機(jī)的工作可靠性和使用壽命。