电-液复合式带式输送机自动张紧装置及张紧控制方法与流程

本发明涉及一种张紧装置，具体涉及一种电-液复合式带式输送机自动张紧装置及张紧控制方法。

背景技术：

随着我国科技的发展，现在的矿山采煤正逐步向着少人化甚至无人化的方向发展，中国最近又提出了“智能化煤矿”的建设目标，而作为采煤流程中至关重要的一环，带式输送机也正在向着高速度、大功率、智能化和自动化的方向发展，在长运距、大运量方面的需求更是与日俱增，运量和运距大要求提供很大的张紧力，带速高又要求响应速度要快。传统的长运距、大运量的带式输送机的张紧装置响应速度较慢、运行过程不稳定、无法做到精确控制等缺陷，不能满足要求。

目前的张紧装置主要有重锤式张紧、固定式张紧、液压式张紧和自控式张紧。重锤式张紧装置具有张紧力恒定的优点，但是皮带的张力一直处于高张力的状态且需要的空间较大、不利于对皮带进行智能化控制。固定式张紧装置具有结构简单紧凑的优点，但与此同此不能动态调整带式输送机的皮带张力，一般用于功率较小的带式输送机上。液压式张紧的张紧过程有着缓冲过程、控制原理简单等优点，但其张紧行程受限于液压缸的长度，而且液压系统难以得到精确的控制、液压油易泄露和易污染都会使得张紧控制性能变差。自控式张紧的张紧行程大、瞬态响应好、可实时对张紧力进行调整，但是其成本较高，需要专业人员进行调试且若想要进行精确的控制就必须要知道干扰精确的物理或者数学模型，从而也限制了自控式张紧装置的发展。目前，前人已经提出了多种的带式输送机的张紧方式，例如中国矿业大学的雷汝海等提出的基于模糊PID控制带式输送机张紧装置的设计，该种控制方式解决了传统带式输送机响应慢、装置调节能力有限的弊端，但是该设计采用的是全液压张紧装置，存在液压油的易泄漏和易污染的弊端，不能把外界总干扰补偿到控制器中，不具备自抗干扰的性能；专利CN201910658549.2提出基于模糊控制的变频自动张紧系统，该控制系统只采用了张紧电机加张紧绞车的形式进行张紧，通过变频器控制张紧电机来实现带式输送机的自动张紧过程，虽然解决了液压张紧的弊端，但与此同时也失去了液压张紧的优点（液压张紧在控制过程具有缓冲的作用），该种控制形式单一，也不能达到自抗干扰的性能，并且控制原理复杂，不利于控制。专利CN201920937520.3提出了一种具有缓冲功能的变频自动张紧装置，该张紧装置也采用了电-液复合张紧的方式，它是通过变频器同时控制液压站和电动绞车，虽然可以实现智能化控制，但是这种控制方式需要对液压站和电动绞车进行张紧拉力分配，涉及到较为复杂的处理过程，对抗外界较强干扰反应时间较慢，且成本较高。以上的这些张紧装置不能针对外界或自身干扰进行动态补偿实现自抗干扰的功能，不能够针对皮带载荷的变化做出快速精确的张力控制，而这些影响因素的大小会直接体现在运行过程中皮带运行的不稳定性，间接影响带式输送机皮带的使用寿命。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种电-液复合式带式输送机自动张紧装置及张紧控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电-液复合式带式输送机自动张紧装置，包括电张紧装置、液压张紧装置、张紧小车、油箱和控制器；电张紧装置包括张紧绞车、永磁同步电机和电磁制动器；液压张紧装置包括液压泵、液压缸、电液伺服阀和蓄能器；液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过第一油路、第二油路与电液伺服阀连接，液压缸的活塞杆端部设有活动滑轮，电液伺服阀分别通过第三油路、第四油路与油箱连接；第三油路包括依次连接的单向阀、精过滤器、液压泵和粗过滤器，单向阀与电液伺服阀连接，粗过滤器与油箱连接，在精过滤器与液压泵之间的油路上旁接比例溢流阀至油箱；第四油路包括依次连接的比例溢流阀、液体冷却器和粗过滤器，粗过滤器与电液伺服阀连接，比例溢流阀与油箱连接；第三油路与第四油路之间设有安全阀，安全阀的一端与连接单向阀与电液伺服阀的管路连接，安全阀的另一端与连接粗过滤器与电液伺服阀的管路连接；连接安全阀两端的管路分别与液控阀组连接，液控阀组与蓄能器连接，液控阀组与蓄能器连接的管路上连接压力继电器；张紧小车上述设有皮带张紧轮，张紧小车的后端间隔设有第一滑轮和第二滑轮，永磁同步电机与电磁制动器连接，永磁同步电机的输出轴与张紧绞车连接，张紧绞车上的钢丝绳依次绕过转向滑轮、第一滑轮、活动滑轮、第二滑轮后与固定端连接，皮带上设有张力传感器；永磁同步电机、电液伺服阀、电磁制动器、第一压力传感器、第二压力传感器和张力传感器均与控制器连接。

进一步的，还包括压力表，压力表设置在第三油路上。

进一步的，所述的第一油路上连接有第一压力传感器。

进一步的，所述的第二油路上连接有第二压力传感器。

进一步的，所述的控制器包括DSP控制板、辅助电源、整流模块、IPM驱动板、IPM驱动板和上位机；DSP控制板、整流模块、IPM驱动板和IPM驱动板均与辅助电源电连接，DSP控制板通过信号线与上位机连接，IPM驱动板和IPM驱动板分别通过脉冲信号线与DSP控制板电连接，DSP控制板用于运行自抗干扰控制程序。

一种电-液复合式带式输送机自动张紧装置的张紧控制方法，带式输送机启动和停止阶段：预先在控制器中给定张力信号和张力传感器实测张力信号通过处理器换算成电流或者电压信号输送至DSP控制板中，经过运算后输出电压或电流信号通过IPM驱动板来驱动永磁同步电机，永磁同步电机带动张紧绞车转动，张紧绞车拉紧或者放松钢丝绳实现对带式输送机皮带的张紧或者放松；带式输送机启动时，当达到设定的皮带是初步张力值后，安装在永磁同步电机尾部的电磁制动器开始制动，使得永磁同步电机停止运转，张紧绞车锁死不再张紧；

带式输送机稳定运转阶段：预先在控制器中给定张力信号和张力传感器实测张力信号通过处理器转换成液压缸所需压力，将液压缸所需压力信号和实际的压力信号输入DSP控制板中，将输出信号输入IPM驱动板驱动电液伺服阀的液压马达，从而实现对流入液压缸的压力控制，间接实现对皮带张紧力的控制，通过压力传感器和实时监测液压缸的压力信号；

带式输送机发生故障时：当压力表检测到压力过大时，安全阀打开进行卸力；当压电压力继电器监测压力值达到或者不足时，会自动控制液压泵的停止和启动，将能量储存在蓄能器中，实现对液压缸的供能，而不需要液压泵的频繁开启，增加液压泵的使用寿命。

与现有技术相比本发明采用结合了电张紧和液压张紧的复合张紧的方式，适用于大运量、长运距且要求皮带运行平稳的重型带式输送机，永磁同步电机对张紧绞车进行大行程的张紧，液压缸对张紧绞车进行行程较小的液压张紧，虽然电张紧技术相较于液压张紧有着控制精确、无滞后和泄漏等优点，但是电张紧没有缓冲作用，控制过于刚性；液压张紧则刚好可以弥补电力张紧的缺陷，将电张紧和液压张紧结合可以发挥各自优势达到控制平稳、安全可靠的目的；本发明不需要借助具体扰动的模型和被控对象的精确物理模型就可以实现对扰动的准确估计和补偿，具有抗干扰能力强，鲁棒性高，响应速度快，智能化及自动化程度高，设计简单，控制的稳定性和准确性高等优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明控制策略示意图；

图3为本发明控制器的驱动线路图；

图4 为本发明一阶自抗干扰控制永磁同步电机原理图；

图5 为本发明三阶自抗干扰控制液压缸原理图；

图中：1、油箱，2、比例溢流阀，3、液体冷却器，4、粗过滤器，5、液控阀组，6、压力继电器，7、蓄能器，8、电液伺服阀，9、第一压力传感器，10、液压缸，11、张紧绞车，12、永磁同步电机，13、电磁制动器，14、第一滑轮，15、转向滑轮，16、活动滑轮，17、第二滑轮，18、张力传感器，19、张紧小车，20、钢丝绳，21、第二压力传感器，22、压力表，23、单向阀，24、安全阀，25、精过滤器，26、液压泵，27、粗过滤器，28、比例溢流阀，29、控制器，291、DSP控制板，292、辅助电源，293、整流模块，294、IPM驱动板，295、IPM驱动板，296、上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明包括电张紧装置、液压张紧装置、张紧小车19、油箱1和控制器29；电张紧装置适用于行程较大时的张紧，液压张紧装置适用于小行程的张紧。

电张紧装置包括张紧绞车11、永磁同步电机12和电磁制动器13；液压张紧装置包括液压泵26、液压缸10、电液伺服阀8和蓄能器7；液压缸10的无杆腔和有杆腔分别通过第一油路、第二油路与电液伺服阀8连接，第一油路、第二油路上分别连接有第一压力传感器9、第二压力传感器21，液压缸10的活塞杆端部设有活动滑轮16，电液伺服阀8分别通过第三油路、第四油路与油箱1连接。

第三油路包括依次连接的单向阀23、精过滤器25、液压泵26和粗过滤器27，单向阀23与电液伺服阀8连接，粗过滤器27与油箱1连接，在精过滤器25与液压泵26之间的油路上旁接比例溢流阀28至油箱1，当系统正常工作时，比例溢流阀28关闭，只有负载超过规定的极限系统压力超过调定压力时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加；在第三油路上设置压力表22，可以直观的获知当前油路压力；精过滤器25和粗过滤器27可以过滤油箱1中的杂质，提高液压装置灵敏度。

第四油路包括依次连接的比例溢流阀2、液体冷却器3和粗过滤器4，粗过滤器4与电液伺服阀8连接，比例溢流阀2与油箱1连接，由于比例溢流阀2会产生背压，使得运动部件平稳性增加；粗过滤器4及液体冷却器3，同时起到过滤杂质和降温的作用；第三油路与第四油路之间设有安全阀24，安全阀24的一端与连接单向阀23与电液伺服阀8的管路连接，安全阀24的另一端与连接粗过滤器4与电液伺服阀8的管路连接；设置的压力表22和安全阀24，当油路的压力过大时，安全阀24打开液压油直接回流到油箱1中，起到了安全保护作用。

连接安全阀24两端的管路分别与液控阀组5连接，液控阀组5与蓄能器7连接，液控阀组5与蓄能器7连接的管路上连接压力继电器6；蓄能器7端口的压力继电器6也会控制液压泵26的启停，提前将能量存储在蓄能器7中用于给液压缸10供能。当带式输送机处于稳定运行阶段时，此时蓄能器7给液压缸10提供能量而液压泵26仅起到“补油”的作用，液压泵26的运行时间短。蓄能器7可以避免由于液压缸10压力的变化而导致液压泵26的频繁启停。还有当液压泵26直接给液压缸10供能时，由于液压装置具有滞后，所以当液压缸10达到预设的压力值后会关闭电液伺服阀8，此时液压泵26依然在工作，会继续输出液压力，此时蓄能器7也起到了缓冲的作用，用于储存多余的能量，防止对电液伺服阀8的过大压力冲击。

张紧小车19上述设有皮带张紧轮，张紧小车19的后端间隔设有第一滑轮14和第二滑轮17，永磁同步电机12与电磁制动器13连接，当带式输送机处于电张紧过程中，电磁制动器13在接收到带式输送机皮带预设的张力值信号或者故障信号后会制动永磁同步电机12并锁死；永磁同步电机12的输出轴与张紧绞车11连接，张紧绞车11上的钢丝绳20依次绕过转向滑轮15、第一滑轮14、活动滑轮16、第二滑轮17后与固定端连接，皮带上设有张力传感器18；张紧绞车11的正反转和液压缸10活塞杆的伸缩都会收紧或者放松钢丝绳20，依次来张紧或者放松张紧小车19以实现皮带的张紧调节。

永磁同步电机12、电液伺服阀8、电磁制动器13、第一压力传感器9、第二压力传感器21和张力传感器18均与控制器29连接；如图3所示，控制器29包括DSP控制板291、辅助电源292、整流模块293、IPM驱动板294、IPM驱动板295和上位机296；DSP控制板291、整流模块293、IPM驱动板294和IPM驱动板295均与辅助电源292电连接，DSP控制板291通过信号线与上位机296连接，IPM驱动板294和IPM驱动板295分别通过脉冲信号线与DSP控制板291电连接，DSP控制板291的集成度高，内置的模数转换器模块提高了电机控制带宽，并且允许低成本实现更加复杂的控制和无传感器的算法等优点；IPM驱动板294和IPM驱动板295不仅集成度高，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到DSP控制板291作中断处理，即使发生负载事故或使用不当，也可以使IPM驱动板294或IPM驱动板295自身不受损坏。

实时的永磁同步电机12和液压缸10的反馈信号和人为设定的信号通过上位机296传递给DSP控制板291，DSP控制板291运行自抗干扰控制器程序，通过辅助电源292和整流模块293将输出的控制信号输入到相应的IPM驱动板294或IPM驱动板295中，实现对被控对象的控制驱动。

如图2所示，带式输送机启动和停止阶段：永磁同步电机12和张紧绞车11组合的电张紧方式，主要用于行程较大时的张紧，例如带式输送机的启停阶段。

预先在控制器29中给定张力信号和张力传感器18实测张力信号通过处理器29换算成电流或者电压信号输送至DSP控制板291中，经过运算后输出电压或电流信号通过IPM驱动板294来驱动永磁同步电机12，永磁同步电机12带动张紧绞车11转动，张紧绞车11拉紧或者放松钢丝绳20实现对带式输送机皮带的张紧或者放松；带式输送机启动时，当达到设定的皮带是初步张力值后，安装在永磁同步电机12尾部的电磁制动器13开始制动，使得永磁同步电机12停止运转，张紧绞车11锁死不再张紧。

启动张紧过程中永磁同步电机12工作的时候容易受到外界的干扰工作环境的温度、湿度和震动等和自身的扰动永磁体退磁等的影响，造成运行过程中波动力较大等影响皮带和永磁同步电机12的使用寿命。一阶自抗干扰控制永磁同步电机12原理图如图4所示，自抗干扰控制原理为给定信号直接输入到跟踪微分器，经过跟踪微分器安排的过渡过程后，由于实际的张力信号可测不需要经过观测器估计，所以实测信号经过扩张状态观测器后输出一路信号等于实测信号，另一路则是对永磁同步电机12所有扰动的状态估计，实测信号和经过安排后的给定信号做差后输入非线性状态反馈控制律之中，经过控制律的运算后，输出一个控制信号，该控制信号减去经过扩张状态观测器所估计的扰动信号的值后，输出一个最终的控制信号来控制永磁同步电机12的稳定转动。

带式输送机稳定运转阶段：

液压缸10、液压泵26和蓄能器7等组成的液压张紧装置，由于受限于液压缸10的运动行程的影响，所以比较适用于行程较小的张紧场合，在这里主要应用于带式输送机稳定运转的阶段。当进入到稳定运转阶段时，液压张紧装置通过电液力伺服控制和自抗干扰控制相结合根据负载的变化合理的调整液压缸10的压力，实现带式输送机皮带张力的稳定。当带式输送机稳定工作时由于各个时间段的皮带上的负载不同，且空载时张力大概是负载时的1.5倍，若不对带式输送机的张力进行调整的话，会造皮带成稳定运转期间，皮带的张力有着较大范围的变动，使得皮带磨损加快，所以就需要对带式输送机的张力进行实时调整使其处于张力稳定的工作状态。

预先在控制器29中给定张力信号和张力传感器18实测张力信号通过处理器29转换成液压缸10所需压力，将液压缸10所需压力信号和实际的压力信号输入DSP控制板291中，将输出信号输入IPM驱动板295驱动电液伺服阀8的液压马达，从而实现对流入液压缸10的压力控制，间接实现对皮带张紧力的控制，通过压力传感器9和压力传感器21实时监测液压缸10的压力信号；由于带式输送机在运行过程中液压油的温度、纯度、粘稠度也都直接影响液压张紧系统的控制品质，而自抗干扰控制器的特性刚好可以弥补这些影响控制品质的扰动，实现液压控制品质的提升，使得带式输送机在稳定运转阶段不论负载如何变化都能保证皮带张力的稳定。三阶自抗干扰控制液压缸10原理图如图5所示，该控制原理和图4相同，由于该控制对象G（s）为液压缸10的开环传递函数的状态变量较多，所以这里采用三阶自抗干扰控制器。

带式输送机发生故障时：

当压力表22检测到压力过大时，安全阀24打开进行卸力；当压力继电器6监测压力值达到或者不足时，会自动控制液压泵26的停止和启动，将能量储存在蓄能器7中，实现对液压缸10的供能，而不需要液压泵26的频繁开启，增加液压泵26的使用寿命。还有当液压泵26直接给液压缸10供能时，由于液压装置具有滞后，所以当液压缸10达到预设的压力值后会关闭电液伺服阀8，此时液压泵26依然在工作，会继续输出液压力，此时蓄能器7也起到了缓冲的作用，用于储存多余的能量，防止对电液伺服阀8的过大压力冲击。

当带式输送机进行启动或者停止阶段时，由于永磁同步电机12的尾部装有电磁制动器13，其不仅可以接收来自皮带的张力信号，而且还可以接收来自带式输送机的故障信号，当接收到故障信号时，通过控制器29可以直接实现对永磁同步电机12的制动，使得带式输送机张紧工作停止，起到了安全保护的作用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。