刮板輸送機(jī)直線度影響因素分析及控制技術(shù)研究

任劍軍

（山西汾西瑞泰正中煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031300）

0 引言

隨著先進(jìn)煤炭開采設(shè)備的不斷應(yīng)用，煤炭開采設(shè)備的綜合機(jī)械化、自動(dòng)化以及智能化水平等均有所提升，對(duì)煤炭設(shè)備可靠性及運(yùn)行穩(wěn)定性等提出更高要求[1-2]。在采煤工作面開采煤炭時(shí)，采煤機(jī)在電牽引裝置帶動(dòng)下沿著刮板輸送機(jī)中部槽往返移動(dòng)，不斷對(duì)煤炭進(jìn)行截割[3-5]。刮板輸送機(jī)沿著采面傾向布置，通過(guò)液壓缸與液壓支架底座連接，由支架控制器負(fù)責(zé)刮板輸送機(jī)中部槽不斷向前推移[6]。《煤礦安全規(guī)程》對(duì)煤炭開采時(shí)煤壁、液壓支架以及刮板輸送直線度有明確要求，受到刮板輸送機(jī)與液壓支架連接裝置間隙等因素影響，導(dǎo)致采面刮板輸送機(jī)直線度較差，需要進(jìn)行人工干預(yù)[7]。提升刮板輸送機(jī)直線度控制能力以及控制水平，有助于煤炭高效回采。眾多研究學(xué)者對(duì)直線度檢測(cè)、控制技術(shù)等展開研究，并取得較為顯著的應(yīng)用成果[8]。文中就結(jié)合以往研究成果，對(duì)刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)、直線度影響因素等進(jìn)行分析，并提出直線度控制技術(shù)。

1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及直線度影響因素分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

刮板輸送機(jī)是采面主要開采設(shè)備之一，承擔(dān)煤炭運(yùn)輸并為采煤機(jī)提供往返移動(dòng)軌道，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度精準(zhǔn)控制，可減少采煤機(jī)割煤時(shí)阻力、降低煤炭運(yùn)輸阻力及設(shè)備磨損。刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成包括機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)尾及其他的附屬設(shè)備等，具體如圖1 所示。機(jī)頭部分包括液力偶合器、電機(jī)、機(jī)頭推移支撐梁及機(jī)頭鏈輪、半滾筒等；機(jī)身包括中部槽、刮板、啞鈴銷等，具體如圖1-2 所示；機(jī)尾部分包括鏈輪、半滾筒、推移支撐梁等，若刮板輸送機(jī)采用雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，則機(jī)尾也包括動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。

圖1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

中部槽是一種幾何尺寸固定、形狀規(guī)則的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備對(duì)稱性?？蛇x擇中部槽幾何中線點(diǎn)連線描述刮板輸送機(jī)機(jī)尾形態(tài)，具體如圖2 所示。

圖2 刮板輸送機(jī)機(jī)身形態(tài)表征曲線示意圖

1.2 直線度影響因素分析

1.2.1 液壓缸系統(tǒng)動(dòng)作誤差

推溜及移架是否到位會(huì)直接影響刮板輸送機(jī)直線度，在液壓缸動(dòng)作過(guò)程中存在的誤差會(huì)直接影響刮板輸送機(jī)直線度控制。液壓泵站用以提供液壓缸動(dòng)作乳化液，換向閥實(shí)現(xiàn)液壓缸伸縮動(dòng)作轉(zhuǎn)換，液壓缸則實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)推移。在液壓缸動(dòng)作時(shí)，常用固定時(shí)長(zhǎng)供液方式實(shí)現(xiàn)定時(shí)移架及推溜，但是換向閥、液壓缸容易出現(xiàn)乳化液泄漏，進(jìn)而對(duì)液壓缸位移量產(chǎn)生影響。同時(shí)采面底板平整度較差，當(dāng)出現(xiàn)有較大起伏時(shí)也容易導(dǎo)致液壓油缸實(shí)際位移量達(dá)不到期望位移量。

1.2.2 連接耳間隙誤差

中部槽通過(guò)液壓缸連接液壓支架底座，從而構(gòu)成液壓支架-中部槽組合，移架及推溜均依靠多個(gè)液壓支架-中部槽組合實(shí)現(xiàn)。中部槽與液壓缸間連接一般通過(guò)連接耳實(shí)現(xiàn)，由于連接耳與液壓缸間存在間隙，在推溜及移架期間會(huì)增大刮板輸送機(jī)直線度誤差。

1.2.3 中部槽聯(lián)動(dòng)誤差

中部槽間布置的啞鈴結(jié)構(gòu)可允許各節(jié)中部槽間形成一定偏轉(zhuǎn)角，同時(shí)約束各中部槽位置，避免機(jī)身過(guò)度彎曲導(dǎo)致推溜、刮板鏈移動(dòng)期間出現(xiàn)卡死情況。

布置啞鈴銷可提升刮板輸送機(jī)適應(yīng)性，但是也會(huì)在中部槽位置產(chǎn)生一定制約，如圖3 所示。刮板輸送機(jī)機(jī)身某一節(jié)中部槽位置調(diào)整時(shí)，鄰近的若干節(jié)中部槽位置也會(huì)發(fā)生變化，即出現(xiàn)聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。采煤機(jī)經(jīng)過(guò)多循環(huán)截割后，由于中部槽聯(lián)動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致刮板輸送機(jī)機(jī)身彎曲。

圖3 中部槽啞鈴銷位置示意圖

2 刮板輸送機(jī)直線度控制技術(shù)

2.1 控制技術(shù)方案

文中所提的直線度控制技術(shù)方案是通過(guò)補(bǔ)償液壓缸系統(tǒng)動(dòng)作誤差、連接耳間隙誤差、中部槽聯(lián)動(dòng)誤差實(shí)現(xiàn)的。具體構(gòu)建的控制方案如圖4 所示，選用模糊自適應(yīng)PID 控制器實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度調(diào)節(jié)及控制。通過(guò)液壓缸流量控制模型實(shí)現(xiàn)調(diào)直誤差，具體將誤差數(shù)據(jù)分別輸入銷耳間隙誤差補(bǔ)償模型、聯(lián)動(dòng)效應(yīng)誤差補(bǔ)償模型等，后將數(shù)據(jù)與刮板輸送機(jī)直線度誤差一并輸入位移-流量轉(zhuǎn)換模型，得到液壓缸累積供液量Qio，并對(duì)Qio持續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)模糊推理算法對(duì)PID控制器輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終通過(guò)控制液壓系統(tǒng)供液量實(shí)現(xiàn)液壓缸伸縮量調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)中部槽位置調(diào)整目的，從而實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度控制。

2.2 直線度控制仿真分析

用Matlab 構(gòu)建模擬模型進(jìn)行仿真，構(gòu)建的仿真模型中刮板輸送機(jī)總長(zhǎng)20 m，劃分20 段（即單段中部槽長(zhǎng)度1 m），在PID 控制中kP0=30、ki0=19、kd0=8，最終獲取得到調(diào)直前后對(duì)比效果如圖5 所示。從圖5 看出，刮板輸送機(jī)實(shí)際形狀與目標(biāo)形狀間偏差控制在2mm以內(nèi)，調(diào)直效果較為顯著。

圖5 刮板輸送機(jī)調(diào)直前后對(duì)比效果

3 試驗(yàn)分析

采用Visual Studio 設(shè)計(jì)刮板輸送機(jī)直線度控制系統(tǒng)操作界面、顯示界面及通信模塊等，同時(shí)執(zhí)行部件采用PLC S7-200 系列PLC 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、模糊自適應(yīng)PID 控制等功能。

重復(fù)8 次后刮板輸送機(jī)調(diào)直效果如圖6 所示，每次試驗(yàn)刮板輸送機(jī)實(shí)際形狀與目標(biāo)形狀間偏差均值如表1 所示。

表1 刮板輸送機(jī)實(shí)際形狀與目標(biāo)形狀間偏差均值

圖6 各試驗(yàn)直線度控制效果

綜合分析圖6、表1 看出，第3 次試驗(yàn)中刮板輸送機(jī)14 段、第4 次試驗(yàn)中刮板輸送機(jī)6 段及第3 次試驗(yàn)中刮板輸送機(jī)20 段形狀偏差與目標(biāo)形狀間差距較大，但是均在目標(biāo)形狀附近波動(dòng)。8 次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，刮板輸送機(jī)直線度控制效果均較為顯著，表明文中所提的模糊自適應(yīng)PID 控制可較好地實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度控制。

4 結(jié)論

1）對(duì)刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及形態(tài)進(jìn)行分析，并探討刮板輸送機(jī)直線度影響因素，發(fā)現(xiàn)液壓缸伸縮量、連接銷耳間隙以及中部槽聯(lián)動(dòng)等誤差累積對(duì)刮板輸送機(jī)直線度有顯著影響。

2）提出刮板輸送機(jī)直線度控制技術(shù)，具體構(gòu)建模糊自適應(yīng)PID 模型，將液壓缸誤差、連接耳間隙誤差與中部槽聯(lián)動(dòng)誤差等相結(jié)合，并通過(guò)計(jì)算模型輸出液壓缸推溜時(shí)需要流量，后通過(guò)PID 進(jìn)行融合計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸伸縮量調(diào)節(jié)，達(dá)到刮板輸送機(jī)直線度控制目的；采用Matlab 構(gòu)建模擬模型對(duì)直線度控制效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)直線度控制取得較好效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，文中所提直線度控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)身直線度控制，取得較好的調(diào)直效果。