矿井刮板输送机液压自动系统优化设计*

赵 凯

(西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西 太原 030053)

0 引 言

煤矿机械是采煤、装煤、运煤等工作的重要依靠。刮板输送机主要是运输煤、物料等，随着开采量的增大，矿井刮板输送机逐步朝着大功率、大运距、大载荷的方向发展，其工作效率直接影响着煤矿开采效率。刮板输送机运行过程中，由于负载较大且容易急起急停使其极易出现掉链、卡链等故障，制约着矿井的正常生产运行[1]。笔者通过分析影响链条张力的因素对刮板输送机的自动张紧系统进行设计优化，为矿井刮板输送机高效工作提供一定的理论基础。

1 自动张紧系统工作原理及模拟参数选定

1.1 工作原理

不同类型的刮板输送机拥有不同组成形式，但其存在相同结构，都有机头部、机尾部、刮板链、推移装置、溜槽等。自动张紧系统是刮板输送机刮板链调节的重要装置，张紧系统的好坏直接影响设备正常运行，系统主要由电液控制单元、伸缩机尾、自动张紧液压系统组成。自动张紧液压系统由压力传感器、位移传感器、控制阀门、收缩(伸出)阀及推移液压缸等组成，收缩(伸出)阀通过识别电液控制单元下发指令进行液压油方向调节，从而实现油缸的收缩与伸出[2]。

刮板输送机正常运行过程中，压力传感器可对液压缸无杆侧压力进行检测，并对检测数据与设定的标准值进行对比，当存在偏差时，及时进行收缩、伸出的调节，保证系统稳定运行。其中当传感器检测值低于设定值下限时，此时系统对伸出阀进行调节，活塞伸出，当传感器检测值高于上限值时低于收缩阀进行操作，使活塞缩回。液压缸对的活塞杆与机尾的移动部分相互连接，当液压缸活塞做出相应动作时，机尾移动部位发生相应移动，调节机头机尾链轮的距离，实现链条自动张紧。系统重复如上的工作，使设备运行安全。刮板输送机自动张紧系统原理图如图1所示。

图1 刮板输送机自动张紧系统原理图

1.2 模拟参数选定

首先对液压缸活塞的直径进行分析，根据自动张紧系统的高强度环境，根据实际情况选定系统压力为25 MPa，活塞的直径表示为：

式中：T为液压系统的推力，设定系统最大推力为611 kN；η为液压机械效率，文中选定0.9，根据计算可知液压缸的活塞直径为132 mm，考虑到实际直径取值表，选定活塞直径为140 mm。对活塞杆的伸缩速度进行分析，在实际工作中如果刮板输送机速度过大则会造成冲击损坏，所以为了降低冲击磨损，提升系统运行的稳定性，活塞的速度选定为5 cm/s，而液压缸的最大流量根据公式：

式中：Q为液压缸的最大流量，L/min；D为活塞的直径，mm；V为液压缸的伸缩速度，cm；根据计算可知最大流量为90 L/min。

根据计算情况进行仿真模拟，选定仿真软件AMESim，对仿真模拟的参数进行设定，选定仿真时间为10 s，仿真的采样周期为0.1 s，得到收缩工况下的液压缸无杆侧的应力速度变化曲线如图2所示。

图2 收缩工况下的液压缸无杆侧的应力速度变化曲线

如图2所示，当系统开始运行时，此时的液压缸无杆侧的压力呈现大幅度波动，当时间为0.1 s时压力最大，最大值为256 bar，当时间为3 s时压力值最小，最小值为128 bar，波动幅度为100%，在时间4 s后压力逐步趋于平稳，平稳压力为154 bar，而液压缸无杆侧速度呈现出上下波动的情况，当时间为4 s时速度稳定为0。根据以上分析可以看出液压缸的无杆侧压力波动幅度太大，使得系统较为不稳定，所以对系统应进行优化设计[3]。

2 优化设计分析

基于遗传算法PID对系统进行优化，通过对每个特征进行编码后杂交，得出不同的优化解，对计算出的解进行对比分析，得出最优的参数，实现优化设计。对优化设计方案进行，刮板输送机自动张紧系统的控制单元主要为收缩伸出阀，均为电液换向阀，只能存在全开、全关，而不能实现半开半关状态，所以首先需要对其进行优化，本文选定拥有伺服系统精度和高性价比的电液比例换向阀，其不仅可实现换向，同时可实现流量的调节，实现系统的精准控制。基于PID自动液压系统控制流程图如图3所示。

图3 基于PID自动液压系统控制流程图

如图3所示，算法以目标值为目标，根据液压缸无杆侧的压力对PID的参数进行实时调整，同时根据PID的整定参数对液压缸无杆侧的压力值和换向阀进行精准控制，电液比例换向阀的开口度直接影响着杆侧流量值，实现对活塞速度、伸缩量的控制[4]。

对优化方案建立仿真模型并重新设置，将PID的输入量设定为比例系数0.3～0.6，积分时间为0～0.1 s，微分时间为0～0.1 s输出量，同样为需要进行优化控制的目标量，由于遗传算法的参数有着明显的影响，所以参数值的设定应当适当选定，对设定的参数进行仿真模拟计算，经过计算可以得出三种参数的最佳分别为比例系数0.54，积分时间为0.059 s，微分时间同样为0.067 s，将参数代入到仿真模型，模型仿真步长设定为0.05 s，仿真时间设定为8 s，得到收缩工况下液压缸无杆侧的应力变化曲线如图4所示。

图4 优化后液压缸无杆侧的应力变化曲线

由图4可以看出，经过优化后液压缸无杆侧的压力波动明显减小，系统达到稳定的时间由优化前的4 s降低为3 s，液压缸无杆侧的压力达到平稳的压力为148 bar，同时液压缸无杆侧的速度曲线波动的幅度也有了明显的降低，此时虽然液压缸无杆侧的压力距离设定的上限值有一定的差距，但其高于设定的最小值，系统可以稳定运行，优化达到了理想的效果[5]。

3 结 语

针对传统刮板输送机自动张紧系统稳定性差的问题，设计了刮板输送机自动张紧系统，给出了刮板输送机自动液压张紧系统液压部件的参数计算公式和设定值。对原有系统进行仿真研究发现，液压缸的无杆侧压力波动幅度太大，使系统不稳定，提出了基于遗传算法PID的优化方案。通过对优化后方案进行仿真模拟，发现优化后的系统液压缸无杆侧的应力有了明显减少，显著降低了因刮板输送机因启动时输送链松弛导致的脱落、跑偏事故发生概率，提高运行效率。