帶式輸送機(jī)液壓張緊裝置設(shè)計和控制研究

孟建興

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下運送物料的設(shè)備，隨著生產(chǎn)力發(fā)展，帶式輸送機(jī)朝著大容量、長距離方向發(fā)展，張緊裝置性能好壞直接影響帶式輸送機(jī)的安全運行和使用壽命。帶式輸送機(jī)張緊裝置經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：固定式絞車的張緊力不能自動調(diào)節(jié)，十分依賴人工操作；自動絞車初步實現(xiàn)了張緊力可調(diào)且?guī)в辛酥苿友b置，但是在輸送機(jī)啟動和制動時張緊效果不佳；液壓絞車能夠?qū)崿F(xiàn)張緊力動態(tài)跟蹤，無論在平穩(wěn)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(jī)的液壓張緊裝置，將模糊控制與PID 控制結(jié)合，達(dá)到了張緊力最佳的控制效果。

1 液壓張緊裝置的整體設(shè)計

液壓張緊裝置的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、部件設(shè)計和功能設(shè)計等內(nèi)容，液壓張緊裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要部件包括液壓絞車、油箱、液壓馬達(dá)、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(shè)計要點和功能設(shè)計要點。

1.1 液壓絞車

液壓絞車由液壓馬達(dá)、制動器、聯(lián)軸器、減速器、開式齒輪和卷筒等構(gòu)成，其工作過程可描述為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生驅(qū)動力，經(jīng)過一系列機(jī)械部件傳動從而帶動卷筒轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)矩可按照濕式離合器構(gòu)造原理進(jìn)行設(shè)計。卷筒是液壓絞車的關(guān)鍵部件，設(shè)計時通過有限元方法重點分析應(yīng)力和應(yīng)變情況。由于卷筒通過鋼絲繩與多個部件進(jìn)行連接，因此設(shè)計時應(yīng)選取較大的安全系數(shù)，避免因卷筒強(qiáng)度不足而造成的事故。

圖1 液壓張緊裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作過程

液壓系統(tǒng)的工作過程可分為啟動、張力上升、張力保持、停機(jī)四個階段。啟動階段：首先打開啟動開關(guān)和安全卸荷電磁閥，油泵電機(jī)從空載啟動，將液壓電液泵至三位四通換向閥內(nèi)，當(dāng)張緊油缸內(nèi)充滿液壓油后，液壓系統(tǒng)向帶式輸送機(jī)發(fā)送啟動信號，液壓系統(tǒng)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(xù)流動在各個閥門中，膠帶的張力在這個階段不斷上升，當(dāng)滿足輸送帶對張力的要求后液壓系統(tǒng)的所有閥門就會關(guān)閉，使膠帶上的張力穩(wěn)定。張力保持階段：張力上升到足夠輸送機(jī)穩(wěn)定運行就不再上升，為了保持住此張力，系統(tǒng)將采用傳感器持續(xù)采集膠帶的張力，當(dāng)檢測到張力下降后將啟動張緊油缸和油泵電機(jī)增加膠帶張力，此過程為動態(tài)調(diào)節(jié)過程。停機(jī)階段：輸送帶向液壓系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號后，制動器的摩擦力增大，當(dāng)輸送帶停止后所有液壓閥回到初始狀態(tài)。

1.3 應(yīng)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(tài)下安全停車，系統(tǒng)還設(shè)置了“斷電”和“斷帶”兩種緊急狀態(tài)的應(yīng)急流程。當(dāng)液壓張緊裝置斷電后，將向輸送機(jī)發(fā)送“斷電”信號，輸送機(jī)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(yán)重，因此當(dāng)張緊裝置斷帶后將立即停止運行并發(fā)出報警信號。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)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(jī)電流信號發(fā)送給核心控制板，控制器將實際膠帶張力與給定張力進(jìn)行比較，通過PID 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)出增大或減小張力的控制信號給蓄能器和液壓馬達(dá)，蓄能器和液壓馬達(dá)分別驅(qū)動張緊油缸和絞車卷筒，對張緊小車進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jīng)過濾波調(diào)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(hù)、啟動完成、停止完成、電磁閥控制；輸入信號有撥碼開關(guān)、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(jìn)行性能分析和控制器設(shè)計，首先建立三通閥控制液壓缸特性方程進(jìn)行分析。為了簡化模型，假設(shè)閥控液壓缸的負(fù)載為單自由度系統(tǒng)，采用線性化方法分析穩(wěn)定工作點附近的運動特性[1-4]。

假設(shè)兩個節(jié)流窗口流量系數(shù)相等，忽略液體壓縮性，閥位移和負(fù)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(shù)、閥芯位移量、流量壓力系數(shù)和負(fù)載壓力。

假設(shè)管道內(nèi)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(cè)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(jìn)油腔活塞面積、活塞位移、泄露系數(shù)、有效體積彈性模量和進(jìn)油腔容量。

忽略膠帶的慣性、粘性阻尼和彈性，將所有質(zhì)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(zhì)量、黏性阻尼系數(shù)、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(tǒng)動力元件的傳遞函數(shù)，從而建立控制模型，為模糊PID 控制奠定基礎(chǔ)。

4 模糊PID 控制在液壓拉緊裝置的應(yīng)用

PID 是一種適用于線性時不變系統(tǒng)的控制器，對于能夠建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，確定了比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD后，就能對系統(tǒng)進(jìn)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(qū)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(shù)為時變的。由于上述原因，建立的控制系統(tǒng)模型往往不準(zhǔn)確，常規(guī)PID 控制不能達(dá)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(jù)不同的偏差和偏差率動態(tài)調(diào)整KP、KI和KD，讓控制模型動態(tài)適應(yīng)液壓系統(tǒng)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(shù)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(yīng)的模糊化量。根據(jù)模糊關(guān)系R，和推理合成規(guī)則得到模糊集合U，進(jìn)行模糊判決后得到模糊控制器的查詢表。計算機(jī)根據(jù)查詢表和比例隱私修正PID 參數(shù)，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(jié)語

本文在以STM32F103 微控制器為核心設(shè)計張緊裝置電氣控制系統(tǒng)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(chǔ)上，將模糊控制和傳統(tǒng)PID 控制相結(jié)合，將模糊PID 控制應(yīng)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(jī)啟動和停機(jī)階段具有良好的動態(tài)響應(yīng)，提高了帶式輸送機(jī)的安全性和可靠性，延長了膠帶的壽命。