（矿物加工工程专业论文）新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计.pdf

新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 摘要 跳汰机排料系统是跳汰选煤中重要一环，它性能好坏直接影响最终产品的 质量和产率。在跳汰过程中，排料方式对其分选效果有着重要的影响。目前的 排料机构着眼点在重产物排放上，忽略了轻产物排放对分选效果的影响。我导 师以轻产物排放为出发点，研制出一种随分选密度脉动的新型排料装置，并做 了大量实验，取得了预期效果。但没有独立配套的自控装置，床层给定值只能 靠手动微调，控制力较差。 根据跳汰机理假说，洗选效率和质量与料层高度和风水制度之间没有确切的 数学模型，是典型的多变、时变、非线性的复杂系统，传统的控制理论和方法 难以对此装置进行有效控制。本论文利用模糊控制技术鲁棒性强等优点，设计 了灰分回控系统，包括依据浮标的自动排料控制回路和依据精煤灰分偏差随机 确定床层给定值的微调回路。控制器采用模糊控制器，执行器采用p l c 控制器， 执行机构采用d k y z 型执行器。实验证明，实施精煤灰分在线回控方案，提 高了精煤的质量和产率。 关键词：跳汰机新型排料装置模糊控制灰分回控系统d k y z 执行器 中图分类号：t d 4 5 5 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 a b s t r a c t t h ed is c h a r g i n gs y s t e mi ss om a j o rt h a ti td i r e c t l ya f f e c t st h e q u a li t ya n dp r o d u c t i v i t yo fp r o d u c t m o r e o v e r ，t h ed i s c h a r g i n gm e t h o d p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nj i g g i n gs e p a r a t i o n a tp r e s e n t ，t h e d i s c h a r g i n go f h e a v i e rp r o d u c t i o nw a st h es t u d ye m p h a s i s ，a n dt h e d i s c h a r g i n g1 i g h t e rp r o d u c t i o n h a sb e e n n e g l e c t e d b a s e do nt h e d i s c h a r g i n go ft h e1 i g h t e ro n e ，m yt u t o rd e v e l o p san e wt y p ed i s c h a r g i n g m a c h i n ew h o s ed i s c h a r g i n ge q u i p m e n tc a nm o v ew i t ht h e s e p a r a t i o n d e n s i t y 0 nt h eb a s iso fm a n ye x p e r i m e n t s t h en e wm a c h i n eh a sb e e nt e s t e d t ow o r ka sw e l la sw ee x p e c t e db e f o r e b u t ，w i t h o u t i n d e p e n d e n ta n d a s s o r t e dc o n t r o ld e v i c e ，b ym a n u a l l yo p e r a t i o n ，t h ea b i l i t yo fs e l f c o n t r o li sv e r yp o o r a c c o r d i n gt ot h eh y p o t h e s i so ft h ep r i n c i p l eo fj i g ，t h e r ei sn o e x a c t l ym a t h e m a t i cm o d e lb e t w e e nt h ee f f e c tq u a l i t yo ft h es e p a r a t i o n a n dt h i c k n e s so ft h em a t e r i a lb e d ，a sw e l1a st h es y s t e mo fw i n da n dw a t e r e t c i ti sat y p i c a l l ym u l t i v a r i a t e ，t i m e v a r y i n ga n dn o n l i n e a rc o m p l e x s y s t e m t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o dc a n n o tc o n t r o lt h i s d i s c h a r g ed e v i c ee f f e c t i v e l y i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g n e da s hf e e d b a c k c o n t r 0 1s y s t e mb yw a yo ff u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y ，i n c l u d i n ga u t o m a t i c d i s c h a r g ec o n t r o l c i r c u i ta c c o r d i n gt of l o a t i n gm a r ka n dt r i m m i n g c i r c u i tw h i c hs e t st h et h i c k n e s so fb e dr a n d o m l ya c c o r d i n gt ot h e d e v i a t i o no ft h ea s ho ft h ec 1 e a nc o a l w eu s ef u z z yc o n t r o la n dp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) a n dd k y zt y p eo p e r a t o r p r a c t i c a lu s e p r o v e dt h a tb ya s hf e e d b a c ko fc o n t r o lw a yo fc 1c a nc o a l ，n e w t y p e d i s c h a r g i n ge q u i p m e n ti n c r e a s e dt h eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo fc l e a n c o a li nj i gs e p a r a t i o n k e y w o r d s ：j i g ；n e wt y p ed i s c h a r g i n ge q u i p m e n t ；f u z z yc o n t r o l ； t h ea s hf e e d b a c ko fc o n t r o ls y s t e m ；d k y zt y p eo p e r a t o r c b c n ：t d 4 5 5 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞徵堡三盔鲎或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：浆互- 瑟 签字日期：缈年5 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王盘堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞微理三 盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：永互劳 导髅名砺彩 签字曰期：钊。，年月2 曰 签字日期：巧年月；口 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 1 1 选煤的现状和意义叫3 1 绪论 我国煤炭资源总量丰富，目前已预测和发现煤炭资源总储量5 5 6 6 3 0 6 亿 t ，在已查证的煤炭资源量中，已探明的可采储量1 1 万亿t ，位于世界第三 位。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，我国的煤炭不仅为相关行业提供 了大量的就业机会，而且在中国的经济发展中长期发挥了基础作用和支柱作 用。然而，在我国的煤炭消耗中，煤炭的加工利用处于低水平阶段，存在着高 能耗、高污染、低效益的利用现状，也产生了一系列的环境污染问题。 作为煤炭加工利用的基础，煤炭洗选加工是煤炭工业调整产业和产品结 构、促进产品质量升级、拓宽煤炭市场、提高煤炭利用率的重要途径，是解决 煤炭开发利用中对环境污染的有效对策，也是煤炭工业实施可持续战略的重要 组成部分。近十年来，尤其是“九五”以来，通过技术改造，我国的选煤业到 了一个高速发展、全面提高的黄金时期。到2 0 0 2 年末，全国原煤入洗能力预 计达到6 0 亿吨左右，居世界第一位，已形成大中小型并举、炼焦煤与动力煤、 跳汰工艺与重介工艺以及干法洗煤相结合的多种类型格局。 虽然我国的选煤工业发展较快，但是由于选煤工业的起步较晚，所以与国 # i - h 比，仍有很大差距。我国的原煤入洗比重相对较低，只有3 0 左右，入洗 结构不合理，炼焦煤需求不旺，入洗能力相对过剩，动力煤洗选能力不足，入 洗比例低。市场竞争能力差距也较大，集中表现在吨煤投资高、企业用人多、 运行成本高、综合效益低。从具体选煤厂来说，无论从建筑结构、全员工效、 原料损耗、加工费用方面，均与国外同类型选煤厂有很大的差距。从设备角度 来看，存在设备规模小，大型设各及检测仪表的可靠性低( 只有7 0 ) ，自动 化程度不高( 不足2 0 ) 等缺陷。 随着我国加入世贸组织，经济结构的调整、资源优化配置、环境保护的要 求，将会对我国的选煤业提出更高的任务，因此，提高煤炭的内外在质量，加 强选煤工艺和设备的改造是一个亟待解决的问题。 1 2 跳汰在选煤中的地位。1 选煤的方法很多，有重选、浮选、风选、电选和化学选等，其中重选是一 种应用最早的选煤方法，跳汰选煤是重力选矿的一种方法。跳汰选煤工艺流程 简单，设备维修方便，处理能力强且有一定的分选精度。特别是跳汰选煤处理 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 级别宽，既可分级入选，也可不分级入选。因此，有着广泛的适应性。全世界 年入选的煤中有5 0 是采用跳汰机处理，我国跳汰选煤占全部入选原煤的7 0 左右，跳汰选煤技术水平的高低将直接影响着产品的质量和成本。 1 3 国内外跳汰机自动控制技术的发展概况。”4 跳汰机自动控制技术的研究应归结为：排料自动化、给煤自动化、风水控 制自动化、产品质量在线控制自动化等内容。影响跳汰分选效果的因素也很多， 概括起来有：入料原煤性质、跳汰机各室进排气阀工作制度、矸石段排料情况、 中煤段排料情况、各室顶水情况、风压、水压等。这些因素均对跳汰的分层和 所排物料的组成有影响，并且这些因素之间又相互制约的。对于一个跳汰司机 来讲，在众多的因素影响下，处理的物料性质又是大批量的、散状的、性质变 化的原煤，要兼顾精煤质量和分选效率，仅凭手动操作是困难的。实际情况经 常是：以牺牲精煤回收率为代价来换取精煤质量。我国入洗原煤中6 0 左右需 要经跳汰洗选。如洗选效率增加2 ，全年累计效率也是惊人的。因此，对跳 汰机实施自动控制，使之在保证精煤质量的前提下最大限度的提高洗选效率， 就成为重要的研究课题，在这方面国内外进行了大量的研究上作。 在国外该领域目前比较先进的国家己基本实现了自动化，从原煤出井到精 煤运输都实现了无人操作，构成了全封闭的自控体系。具有代表性的国家如德 国，不论从经济效益还是从环境保护都走在前列。在国内现状还处于自动控制 的丌发初期，跳汰机控制大部分采用人工手动的方法，工人劳动强度大，工作 环境噪声高、粉尘大、操作失误多等，造成跳汰分选效果不达标。更主要的是 由于人工，严重浪费资源，污染环境。具体到跳汰机本身而言，各相关因素互 相制约、耦合污染，在加上我国这方面基础薄弱，起步又晚，到目前为止，跳 汰机的自控仍不很理想。多采用常规p i d 以及改进的和分离的p i d 控制器，这 种调节器控制品质较差，一旦煤质、风、水等参数发生变化，就很难按要求调 节控制器参数，最终会影响产品质量，多数洗煤厂常常以损失精煤产率为代价 来换取精煤灰分达到指标要求。普遍认为跳汰机控制属于典型的过程控制，它 的参数漂移性大，随机性强，应当选用与之相适应的控制方法。 近几年，国内外一直在寻求与跳汰机相适应的控制方案。尤其在跳汰机单 机自动化方面的研究，如波兰的科研院设计部门着眼跳汰选煤的微机电子监控 系统的研究工作，逐步实现了工艺流程和工艺环节标准化和定型化，并已开展 跳汰机参数优化配合的数学模型( 软件) 的研究工作；我国开滦庄孜矿选煤厂 引进的巴达跳汰机自动化程度较高，该机采用了电控气动阀、浮标一闸板液压 排料机构和工作风阀调节装置，对改善跳汰机的分选效果起到了重要的作用； 唐山科技院的跳汰机智能检测控制装置用p l c 或智能调节器做主控机，采用前 2 新型排料装置精煤灰分在线同控系统研究设计 馈或自适应进行控制，对于控制精度有一定的提高；中国矿业大学的李明、雷 汝海等在基于单片机的模糊控制排料控制系统方面有一定的发展；太原理工大 学机电所熊诗波教授等在跳汰机自动排料系统模糊控制方面作了研究，并在 现场得以应用，取得了很大的控制效果。此外，在自动给煤、自动测试等方面 也取得了重大成就。如东滩煤矿选煤厂把测灰仪应用于实际生产中，实现了精 煤灰分的实时跟踪，提高了精煤的产量，收到了良好的经济效果。 1 4 问题的提出和依据 跳汰机的排料系统是跳汰选煤中重要的一环，它性能的好坏直接影响最终 产品的质量和产率。而跳汰过程中的排料方式对其分选效果有着非常重要的影 响。目前，大多数排料机构主要着眼点在跳汰重产物排放上，忽略了轻产物排 放对分选效果的影响。我导师根据自己多年从事跳汰工作的经验，以轻产物排 放为出发点，研制了一种随分选密度脉动的新型排料装置，该装置通过大量实 验，取得了预期的效果。但还没有独立配套的控制装置，床层给定值只能是固 定的。要想实现床层给定值的微调，只能靠手动。为此，我们通过进一步考察 了解到：虽然一般来说，精煤灰分越高其密度越大，但有时相同灰分的精煤有 不同的密度；原煤性质是波动的，这种固定的配重不能适应这种变化；在生产 过程中，床层并不能按密度理想分层的，分层效果也是波动的。所以应该根据 精煤灰分随机确定床层高度给定值，引入反馈控制机制，是最佳的设计方案。 本论文主要论述了跳汰机新型排料装置精煤灰分在线回控系统，该回控系统采 用精煤灰分信号自动校正自动排料系统的床层厚度给定值，在保证精煤质量的 前提下，最大限度地提高洗选效率，使实际精煤灰分符合用户要求。 根据跳汰机工作机理假说，洗选效率及质量与料层高度和风水制度之间没 有确切的数学模型，是典型的多变、时变、非线性的复杂系统，传统的控制理 论和方法难以对新型排料装置进行有效控制。所以，本论文充分利用模糊控制 技术鲁棒性强等优点，设计回控系统，包括依据浮标的自动排料控制回路和依 据精煤灰分偏差随机确定床层厚度的微调回路。采用模糊控制器，通过软件编 程在p l c 上实现灰分回控：采用d k y z 型执行器，实现自动排料。大量的现 场实验表明：实施精煤灰分在线回控系统，不但提高了跳汰机洗选精煤的质量 和产量，而且及时将已分层好的物料快速连续地分离成所需的产品，维持了床 层的稳定性，并更进一步证明了新型排料装置设计是十分合理的。 1 5 研究的目标和主要内容 基于对国内外发展状况的了解，就被控对象一一新型排料装置而言，本论 文的主要目的和内容如下： 新型排料装置精煤灰分在线同控系统研究设计 1 研究的目标：希望通过新型排料装置精煤灰分在线回控系统的切入，自动实 现依据测灰仪在线检测的精煤灰分偏差变化随机确定床层给定值，引入反馈控 制机制，及时地将已分层好的轻产物快速连续地分离开，实现轻产物的排放； 同时有机地配合重产物的排放，维持床层的稳定，减少污染，最大限度地提高 跳汰机洗选精煤的质量和产率。进一步探讨、研究、寻求解决一直萦绕在排料 系统中精煤产量很低的问题。 2 研究的内容： ( 1 ) 新型排料装置精煤灰分在线回控系统的研究设计 ( 2 ) 新型排料装置自动排料系统的研究设计 ( 3 ) 实验的设计及数据的采集、处理、分析 4 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 2 跳汰选煤机理 跳汰机是影响本论文自动控制系统被控对象的关键因素，因此，分析其结 构和性能特点是探求建立本控制系统的必要i j 提。 2 1 跳汰机的分类与结构 跳汰机根据所用分选介质的不同，分水力跳汰机和风力跳汰机两大类。水 力跳汰机根据其设备结构和水流动方式的不同，大致分为血种：即活塞跳汰机、 隔膜跳汰机、空气脉动跳汰机、水力脉动跳汰机、动筛跳汰机等。 空气脉动跳汰机是跳汰选煤的主要设备，该跳汰机是借助压缩空气，推动 水流作垂直交变运动。按跳汰机空气室的位置不同，分为筛侧空气室跳汰机和 筛卜空气室跳汰机。图2 1 是x d 2 5 3 2 b 型筛下空气式跳汰机的结构简图，采 用的是数控电动风阀，与我们的实验预选的跳汰机一致，所以，有必要对其作 进一步了解。 拳 宙2 - 】舜下空i l 生聪汰机基本站构 卜下机体；2 一上机锥；3 一风术屯；4 一风棚；5 一风州砖劝慧1 ； 6 一讳板：7 一水擅灯光糟示嚣：8 一空气宣：9 一排朴蓑玉；1d 一中 煤敉护掘；1 1 滥流堰盖板；12 一水蕾：13 一术位接点：14 一椰耕蓑 量电动机：】5 一括壹孔 筛下空气室跳汰机的空气室共有五个跳汰室，按其置在筛板下的位置不同 分，矸石段有三个跳汰室，中煤段有二个跳汰室。风阀的作用是将压缩空气交 替地压入空气室中，同时按一定规律将空气室中的压缩空气排出室外。当给入 压缩空气时，跳汰室中的水被强制上升；待空气室中的压缩空气排出时，跳汰 室内水位又自动下降，因此，推动跳汰室水面上下运动形成水流。如果改变给 入的压缩空气量时，可以调节跳汰机中的水流过程，改变风阀的运动速度，也 新型排料装置桔煤灰分在线回控系统研究设计 可以调节水流的脉动频率。顶水的平水流动，便于运输物料，同时使物料在跳 汰室中进行松散和分层。跳汰机中的冲水是从机头与原煤一起给入的。原煤经 跳汰机进行分选后，在第一段( 矸石段) 和第二段( 中煤段) 的重产物矸石、 中煤，分别经各段末端的排料装置排到各自的排料道，并与透筛的小颗粒重产 物一块排到各自的排料道，再经与机体密封的脱水斗子提升机排出，轻产物( 精 煤) 自溢流口排出机体。 所以，筛下空气室跳汰机的工作过程是将压缩空气经风阀控制，交替地压 入和排出空气室，从而使跳汰机中的水位上升和下降，形成脉动水流。中煤段 和矸石段的跳汰室间距是相等的，在每个跳汰室装设一个旋转的风阀，一个风 阀为两个空气室提供压缩空气。压缩空气由空气室的一端给入，在跳汰室顶部 有上下两个孔，上面的孔与风阀的进气i z l 相连，压入压缩空气，下面设有五个 风水管，分别与空气室的进气孔相连。在每个分水管上装有风阀，用来调节各 个室的 p 充水量。 2 2 跳汰机工作过程“” 在跳汰机工作过程中，被选物料给入跳汰机内落到筛板上，使形成一个密 集的物料层，这个物料层，称为床层。在给料的同时，从跳汰机下部给入上下 交变的水流，垂直变速水流透过筛孔进入床层，物料就是在这种水流中经受跳 汰分选过程。在整个动态过程中，跳汰室的筛板是静止的，且略有下倾，分选 动力就是来自筛下的垂直变速的水流，而筛下水是由阀控制的压力风来推动的， 水是气与筛上物作用的介质。 s 开孔面积 l 避气阏开避气润芙 舭蛳外嗡4 等 图2 - 2 跳汰周期示意图 上图2 2 是跳汰周期示意图，现在结合图形，说明跳汰机的床层分选过程。 风阀开启，压力风经过入口进入跳汰室，使水具有一定的压力。当水流上升时， 床层被冲起，呈现松散和悬浮状态。此时，床层中的矿粒，按其自身的特性( 密 新型排料装置精煤灰分在线同控系统研究设计 度、粒度和形状) ，彼此作相对运动，丌始进行分层。在水流已停止上升，还没 有转为f 降水流之前，由于惯性力的作用，矿粒仍然在运动，床层继续分散、 分层。水流转为下降，床层逐渐紧密，但分层仍在继续，全部的矿粒落回到筛 面上，它们彼此之间已经丧失相对运动的可能，则分层作用基本停止。此时， 只有那些密度较高、粒度很细的矿粒，穿过床层中大块物料的间隙，仍在向下 运动，这种行为看成是分层现象的继续。下降水流结束，床层完全紧密，分层 便暂告结束。水流完成一次周期性变化所用的时间称为跳汰周期。在一个周期 内，床层经历了紧密到疏散分层再到紧密的过程，颗粒受到了分选的作用。只 有经历了多个跳汰周期之后，分层才逐渐完善，最后，高密度矿粒集中在床层 底部，底密度矿粒集中在床层上层。矸石从矸石排出道排出，中煤从中煤排料 道排出，精煤则由上面的排料道排出，从而得到了跳汰机的三产品。 由上所述，可看出在一个跳汰周期内根据风阀以及床层的不同状态，可分 为四个周期：进气期、膨胀期、排气期和压缩期。 进气期：进气风阀打开，工作风进入空气室，推动水流上升，水流通过筛 眼将物料床层托起。 膨胀期：进气风阀关闭，空气室内的水位仍然处于底位，筛板上的物料 依其密度在水介质中按不同的速度沉将分层。 排气期：排气风阀打开，空气室内的气体排至大气，水煤混合物自由沉 将分层。 压缩期：排气风阀关闭，筛板下降水流停止，物料床层稳定。 在跳汰机的自动控制过程中，区分这四个过程是很重要的。因为要根据特 定的阶段来进行跳汰机各种信号的分离与采制。根据跳汰工艺，只有在床层的 压缩期这一时刻的浮标传感器信号才真实地反映了重物层的厚度。为此，在排 料自动控制中，要分离出压缩期的重物层厚度信号。 当跳汰机运转时，有两种水流在工作，一是垂直升降的交变水流，另一是 水平水流。前者，是使性质不同的颗粒按密度分层的动力，而后者，则主要肩 负润湿原料和将已分层的底密度物及时送走的任务。我们目前进行的跳汰机自 动控制是筛上排料自动化，就是将按密度分好层的物料，准确、及时而连续均 匀地排出，以保证床层的稳定和产品的分离，使跳汰机能得到较好的生产率和 较好的分选效率。 2 3 跳汰机排料系统的操作工艺制度m 7 叭”m 0 3 跳汰机工艺效果的优劣，在很大程度上取决于操作工艺制度。跳汰制度包 括跳汰周期、脉动频率和风水调整等因素。最适应的操作工艺制度，应根据入 料原煤的性质( 粒度和密度组成) 及对产品的质量要求确定，而且，操作工艺 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 制度的诸参数之间，又都是相互关联的。因此，在制定工艺制度时，必须根据 不同的情况进行具体的分析。 2 3 1 床层状况 跳汰机工作过程中的床层状态，决定其按密度分选的效果。所以，如何使 床层处于分选的状态，是跳汰机操作工艺制度的核心。例如在跳汰机自动化程 度高的一些选煤厂，计算机控制系统除了根据快速浮沉和快速灰分分析提供的 数据判断跳汰机工作情况外，还根据浮标的运动状况、和位置判定床层厚薄与 松紧及松散类型，须对水量及风量配比作出判断，进而调节水门和风门的大小。 其目的，即使床层维持在最适应的工作状态，床层状态主要指床层厚薄与松紧。 床层的厚薄与所处理的物料性质( 密度和粒度) 有关。所处理的物料若轻、 重产品的密度差较大，可采用较薄的床层，加速其分层。而处理密度差较小的 原料时，或在要求得到高质量精煤的情况下，床层可厚些。一般厚的床层，工 作较为稳定，便于操作，但应松散的时间较长，因此，设备的处理能力将被降 低。 床层的基本厚度和跳汰室的溢流堰有关，改变溢流堰的高度，床层厚度也 水子随之改变。分层效果与床层松散度有密切的关系，一般情况，床层松散度 提高，其分层速度可以加快，但同时也增加了颗粒度与形状对分层过程的影响。 床层水平移动速度必须与床层按密度分层的速度相对应，它决定着已分层 的物料进行分离的快慢。可通过调整筛板倾斜角和风水量，加以控制，床层中 各个分层的水平移动速度不一致，其中应注意矸石层和中煤层水平移动的速度 与原煤中矸石和中煤的含量相对应，从而床层中保持适当的重产物厚度，这对 不分级的煤尤为重要，不但可以使床层稳定，而且还便于对吸啜作用的控制。 还有沿跳汰室宽度和长度各点上的水平移动的速度也应基本一致，否则造成床 层局部厚薄不均，势必影响床层整体的分层效果。 跳汰机入料性质的波动及给煤量的变化，对跳汰机的工作效果都有直接的 影响。由此所谓控制给料，是指入料性质的波动应尽量小，即给入跳汰机的原 料应均质化；再有，给料速度也须均匀，不可忽多忽少。 对于选煤厂，它可能分选几个矿井的原煤，或者分选性质相差较大的几个 煤层，应采取措施实现原煤的均质化，即配煤入选，这不但有利于用户质量指 标的标准化。对于跳汰机，控制好入料的质量、数量，可以保证分选过程的稳 定性，减少设备过载或负荷不足的现象，提高分选效率，降低煤在矸石中的损 失。另外，各种配煤组分，按一定的比例掺混，从而提高经济效益。 除了选前入料性质均质化，给料速度均匀外，应注意伴随物料给入的冲水， 一定要使原煤预先润湿，否则容易出现结团现象。 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 2 3 2 跳汰频率和跳汰振幅 跳汰频率是指分选介质每分钟的脉动次数；跳汰振幅是指分选介质在跳汰 摩内的脉动一次的最高和最底位置差。两者结合直接影响床层的松散方式和松 散度。 从风阀结构与跳汰制度看，影响床层松散度的众多因素中主要的是洗水振 幅。由它决定物料松散的最大空间。洗水振幅基本上靠跳汰频率和周期以及排 气口面积进行调整。实质是控制液流速度及运动时间。通常是，进气时间越长， 空气压力越大，则洗水振幅越高。前者给洗水以较长的运动时问，后者使液流 速度加快。另一方面排气时间越长，排气前后空气室中的压差越大，液流振幅 则越高。同样是前者增加洗水运动时间，后者加快液流速度。所以洗水振幅决 定于进气期和排气期的时间，即决定于跳汰周期。 跳汰频率影响颗粒在竖直方向上的运动，频率越高，处于上层的高密度细 粒有可能还没来得及运动到底层，就随溢流排出了，从而造成精煤被污染。跳 汰频率的选取应根据入洗原煤的质量而定，同时还要考虑振幅的大小。一般原 则是分级块煤或易选煤常采用低频大振幅跳汰制度，而高频小振幅则多用于未 煤或较难选煤的分选。通常频率范围为3 0 1 2 0 次，分，在满足产品质量要求的 情况下，频率高一些好。跳汰频率是通过改变风阀的转速来调整。 跳汰频率对整个跳汰周期中各阶段的时间都按比例增减，但对水速的影响 却较复杂。从总的趋势看，跳汰频率低，则洗水运动时间长，振幅高，所以粗 煤泥多用高频，末煤跳汰频率高于5 5 次分，块煤跳汰频率低于4 5 次分，不 分级跳汰频率为3 0 6 0 次分左右。采用这样的跳汰频率所形成的洗水振幅， 一般能满足床层松散的需要，得到较好的洗选效果。 2 3 ，3 风量和水量 对于空气脉动跳汰机，风水配合的共同作用直接影响跳汰周期及床层的松 散情况，所以应根据所需要的床层松散度调节风量。实现轻产物的排放 给入跳汰机的水来自两个方面，一是伴随物料一起给入的冲水，二是从筛 下连续或间断补加的筛下水( 项水) 。冲水主要是用来预先润湿煤炭，便于均匀 而连续的给料。筛下水对空气脉动跳汰机，其作用主要是补充筛下水量的短缺， 减少跳汰室和空气室之间在工作时的液位差，从而增加空气室内压缩空气的有 效压力。 选煤厂用空气跳汰机操作时，风量和水量的正确配合使用，对分选工艺指 标的好坏极为重要。虽然在一定范围内，加大风量和增加顶水都能使床层松散 度提高，但风量加大能强化下降期的吸啜作用，而加大顶水则吸啜作用减弱。 9 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 2 3 4 重产物的排放 当床层按密度分层结束时，应及时、连续而又均匀地将高密度物和底密度 物排出机外。重产物的排放是操作中的一个重要环节，一定要使重产物的排放 速度与床层分层速度及矸石( 或中煤) 层的移动速度相适应，若重产物排放过 慢则出现堆积，不但影响整个床层松散情况，使得正常分层难以进行，而且污 染精煤，影响精煤质量：如重产物排放过快，又导致矸石层( 或中煤层) 过薄， 甚至排空的情况，整个床层便处于过度松散的不稳定状态，使得原己分好的床 层遭到破坏，使重产物中精煤损失加大。 分选精度不仅与原煤能否顺利地按比重分层，而且还与最终产品的排放方 式有关。排料的目的最终可归结到一点，就是使分层好了的床层在不遭破坏的 情况下，使轻重产品分离，产品的排放方式应该尽量不破坏分层，并减少污染 量。 在跳汰排料过程中，重产品层的高度是一个重要的参数，无论何种排放方 式，都是寻求通过检测而得到的重产品厚度与控制位置有直接或间接的对应关 系，这种关系的好坏直接决定了产品分离的精度与效率。 2 3 5 给料控制 产品质量均匀和提高产率的基础条件是跳汰机工作状态良好，给料量及原 煤性质稳定直接影响跳汰机的工作效果。而入洗原煤在两个方面对沈选过程产 生影响包括入洗原煤粒度和密度组成、以及入料的数等。 如果给料量时大时小，床层就会时厚时薄，则会造成床层结构的破坏， 进而影响产品的质量；且原煤性质的波动，也会导致相同的结果。所以对于一 台跳汰机来说，给料控制要尽量减少入煤性质的波动，即给入跳汰机的原煤应 均匀化，同时，给煤的速度也应均匀，不可忽高忽低，要尽可能的保持原煤入 料量的稳定，以达到获取良好分选效果的目的。 2 3 6 跳汰参数不稳定性 如供风供水设备性能发生波动，结果造成跳汰周期特性曲线不稳定，出现 高低振幅周期性的变化，破坏了床层的结构，各密度级分布中心交叉现象严重。 致使分层精度下降，也就造成了准确分离的难度。要获得较好的分层效果和分 离效率，必需注意各个参数之间的配合。 t o 新型排料装置精煤狄分在线回控系统研究设计 3 新型排料装置的简介 新型排料装置是本自动控制系统的控制对象因此，分析其结构和性能特 点是建立本控制系统的关键。 31 新型排料装置设计的理论依据“” 跳汰分选主要由两部分组成，一是原煤分层，二是产品分离。当跳汰机运 转时，有两种水流丁作，是垂直升降的交变水流，另一是水平水流。前者是 使床层中性质不同的颗粒按密度分层的动力；而后者，则主要肩负润湿原料和 将分层的低密度物及时送走的任务。跳汰床层分布的立体模型可以用两条规律 来描述，一是在跳汰床层水平面上，颗粒按等压强分布：二是在床层垂直面上 每个筛分浮沉级粒群都呈丁f 态概率分布。前一条阐明了粒群的分稚机理，后一 条描绘出粒群的分稚形态，这就为跳汰产品的分离奠定了理论基础。 在良好的跳汰操作制度下，当物料在水平流的作用下移动到排料l j 附近时， 物料一般都已得到充分分层。本试验装置在排料道的上方一定高度上放置一个 铲板( 如图3 - 1 ) ，该高度即为分选密度分离线的高度。当煤流到达铲板的位置 时，被强制切割成上下两部分，轻产物经过铲板的上表面以溢流的方式排出， 重产物由铲板下方的排料道排出。同时，出于八料性质和其它因素的影响，跳 汰产品分选密度的分离线不会稳定在同一高度上，当条件变化时，分离线的位 置上升或下降，产生时段交叉。因此，排料装置中的铲板还具有在分离线变化 的方向上相应移动的功能。 圈3 1 铲板位置示意图 由于铲板和排料道托板运动的动力都来自于有排料装置的油缸，冈此，二 者是联动的关系。油缸伸长或缩短的依据来自于d k y z 电控液动执行 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 机构的位移发送器检测到的拉杆直线位移信号，此信号转换为4 2 0 m a 标准信 号。它随着拉杆内缩而增大，随着拉杆外伸而减小。当重产物床层厚度加大时， 精煤灰分高于给定值，电机反转，油缸伸长，通过传动机构推动排料道托板向 下运动，排料道开度增加，排料量加大，降低床层厚度；同时，油缸通过新型 排料装置的传动机构提高铲板的位置，以适应变化了的重产物床层厚度；当重 产物床层厚度降低时，精煤灰分低于给定值，电机正转，油缸缩短，托板向上 运动，排料道开度减小，排料量减少，增加床层厚度。此时铲板位置降低，和 较低的重产物床层厚度相适应。 3 2 新型排料装置的结构设计。“8 1 3 2 1 工作原理 跳汰枫正常工作时，由于入料性质、给料量、操作制度、排料状况等各种 因素变化的影响，跳汰床层厚度会相应地改变，因而分选密度线随之升高或降 低，新型排料装置在液压缸的带动下，根据分离线的变化自动调整切割高度。 新型排料装置机构简图如图3 2 所示： 当床层厚度变厚时，分选密度的分离线升高，自动排料系统控制液压缸1 伸长，推动排料机构的长臂，排料道托板向下运动，重产物排量加大。同时， 液压缸1 通过联接杆3 推动摇臂4 运动，摇臂4 与提杆5 通过销轴组件联接， 所以在提杆5 的带动下固定铲板7 向上运动。反之，当床层变薄时，分选密度 线降低，油缸缩短，排料道托板向上运动，在重力和提杆5 的作用下固定铲板 向下运动。所以，在跳汰机工作过程中，本论文设计的自动排料控制系统，就 是通过液压缸的活塞杆动作来调节联接杆的长度来对铲板的位罱进行自动微 调，使之与床层的厚度相适应。 图3 - 2 机构简图 1 一液压缸；2 一跳汰筛板；3 一联杆；4 一摇臂 5 一提杆：6 一二层铲板：7 一固定铲板；8 一排料道 3 4 5 6 t 8 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 3 2 2 结构设计 参见图6 - 6 ( 第六章) ，新型排料装置主要由梁、轴、联杆、摇臂、提杆、 提升板、导向板、铲板、活动板等零部件组成。图中s 1 型液压油缸1 0 0 x1 0 0 同时作为新型排料装置的动力源，其机构间的传动过程为：当油缸伸长时，推 动新型排料装置的摇臂7 、轴2 0 以及摇臂8 顺时针转动。当液压缸导杆伸长时， 提杆1 6 带动铲板向上运动，而此时排料道托板向下运动；反之，当液压缸导杆 缩短时，铲板向下运动，而托板向上运动。这就实现了固定铲板和托板之间的 反向关联运动。 在设计排料装置的结构时，照顾到现场的一些情况，把铲板和活动板分为 对称的两部分。由于跳汰机在正常工作过程中，床层上升期对铲板的顶力和下 降期对铲板的吸啜力非常大，所以要在固定铲板上钻出若干小孔，减少顶力与 吸啜力，并且还要对铲板和其它联接部件作应力分析。 外套管4 1 焊接在固定铲板的边缘上，其中插入内套管3 3 与活动板2 8 相 联。内套管3 3 通过螺栓3 4 与固定铲板联接，当固定铲板垂直上下运动时，活 动板能够绕与之联接的固定铲板的边灵活转动，在转动过程中改变倾角。活动 板2 8 起到溢流精煤的导流作用，同时也起到溢流堰的作用。圆钢焊接在活动板 的边缘上，其作用是使与原溢流堰相接触的面较圆滑，减小摩擦阻力，防止活 动板被排料道卡住。 固定铲板的上下表面均焊接有角钢，用来与提升板2 7 和导向板3 7 相联， 使得固定铲板固定在提升板2 7 上，并在提升板2 7 和导向板3 7 共同作用下，上 下稳定运动。提升板2 7 和导向板3 7 也用厚度为1 4 的钢板制成，与改进前新型 排料机构不同的是，原先的定位提升板改变成为两块，分别起定位和提升的作 用，这样的结构方便安装。其上的两个中1 8 的孔通过螺栓与固定铲板相连，提 升板2 7 上端直径为中5 0 的孔通过销轴与提杆相连。提杆上部的螺杆通过销轴 组件与短摇臂相连，销轴组件上端设有扳手，也可通过扳手，对提杆进行手动 上下调节。 考虑到煤流中的垂直方向上的力量较大，固定铲板采用61 4 的钢板制成。 固定铲板的前端的随动铲板3 8 ，其主要作用是动态的跟踪切割轻重产品的分离 线，并可以减小与物料在垂直方向上的接触面积，提高切割精度。如图3 3 所 示，导向块3 、燕尾块4 与固定铲板的导向槽、燕尾槽相联，在水平面上约束 随动铲板的运动，使其自由度为1 ，随动铲板只能通过随动提杆1 ，在垂直方向 上运动。 随动铲板自重用弹簧或配重维持，使其可在脉动水流的作用下上下跳动， 动念跟踪产品的分离线。随动铲板的随动范围可用一定长度的螺栓控制，使之 只能在一定范围内运动。 新型排料装置精煤灰分在线回控系统研究设计 3 2 3 机构特点 图3 - 3 随动铲板 1 ，4 一随动提杆；2 一随动铲板 l ，3 一导向块：5 一燕尾块 ( 1 ) 考虑到该装置仍处于试验阶段，和根据现场实际情况，此次设计采 用化整为零的设计思想，摒弃了过去设计过程中的一些弊病，参见6 - 6 所示， 与销轴2 6 连接的提升板2 7 ，改变了在过去设计中贯穿固定铲板，延伸到排料 道的大块，变成了仅靠螺栓螺母连接的小块，只贯穿连接受煤流压力较小的二 层铲板，原先与提升杆一体，延伸到排料道的部分变成了导向板，只负责固定 铲板的导向与平衡作用，与固定铲板靠螺栓连接。虽然导向板在运动过程中， 容易受到矸石的挤压而使与固定铲板连接部分发生变形，但是试验证明，只要 连接紧密，此种情况可以避免，而且该种形式便于安装，是最佳选择。其他部 分也是采用了如此方法，使安装方便了许多。 ( 2 ) 由于以往试验均属于可行性的初步试验，虽然考虑到了调节问题， 但是由于设计考虑不足和现场的工作情况，使以往的设计均无法进行在线调节。 在本次设计中，在原有设计的基础上，将原先提杆1 6 与销轴1 7 之间的直接螺 纹联接改变为通过销轴组件i 7 、1 8 中的销轴轴套1 直接联接，可以进行在线调 节，为本论文的在线回控提供了先决条件。如图3 - 4 所示，销轴轴套1 穿过销 轴2 ，通过止动环4 与紧定螺钉3 与销轴2 固定联接，销轴轴套l 可以在销轴2 中自由转动。销轴轴套l 的上部设有四方，可通过扳手对销轴轴套旋转，使提 杆上升或下降，调节固定铲板位置高度。正是因为销轴轴套1 的存在，使得提 杆可以随时进行上下的调整，带动整个排料机构的运动，调整固定铲板距离跳 汰筛板的高度与托板闸门开度的比例关系，这个调整是小范围动作的，称为微 调。使排料机构在工作过程中间可以根据一些检测信号进行调节，有利于实现 自动控制。 1 4 新型排料装置精煤灰分在线同控系统研究设j 鹾；凰 图34 销轴组件 1 一销轴轴套；2 一销轴 3 一开槽紧定螺钉；4 止动环 ( 3 ) 木次试验充分考察了以往多次试验，将每一边的导向板由原来的一 块变为一块，减少了机构的自由度，避免了铲板平面的旋转，实践证明，这种 改动大大改善了机构的平衡状况，有利于机构的平稳运动。 r 4 ) 随动铲板设计主要目的是使排料机构能够动态跟踪跳汰床层的分离 线。跳汰床层在跳汰机脉动水流的作用下，不断进行分层，在排料道附近已基 本分层完毕，也就是说在在排料机构的前端，床层的分层作用已经很微弱，脉 动水流的作用仅仅是使跳汰床层中的轻重产物整体向上移动，轻重产物之间的 分离线也会随着脉动水流的作用而上下运动，而不再有继续分层的现象。因此， 在新型排料机构刚定铲板的前端加一块随动铲板，跟随脉动水流的上下，动态 跟踪跳汰床层轻重产品的分离线，提前把台格产品分离出来，减少重产品在轻 产品中的混杂。由于缺乏具体的数学模型本次试验设计精煤灰分在线回控系 统，实现微调回控，代督原实验用扳手实现微调，预计将会大大提高精煤的产 量。 f 5 ) 由于现场的一些实际要求和希望进行的一些理论探讨，本次试验设计了 二层铲板，希望能够将轻产物按密度进一步分离，把灰分更低的产品分离来， 丰富产品的种类，形成多产品的格局，以满足用户的需要，同时也给选煤厂的 配煤等工作创造一定的条件。 f 6 ) 调节比例关系，在以往的实验过程中间，根据经验，将固定铲板距离跳 汰床层的高度与排料道托板闸i j 的开度之间的比例关系人为的固定，即当床层 变厚时，固定铲板向卜抬起一定的高度，排料闸门向下开启相同的开度，反之 亦然，在正常工作状态下，铲板开度与闸门开度有一个固定的比例关系。理论 分析与以往的实验证明，这种比例关系并不是在所有情况下都适用。所以本实 验采用摸控制器进行在线跟踪测灰仪检测到的灰分偏差信号，随时调廿固定铲 板的开度与托板闸门的开度之间的最佳比例关系，实现自动调节。 新型排料装置精煤灰分在线同控系统研究设计 4 ，1 模糊控制的优点。7 1 4 模糊控制理论 模糊控制是建立在人工经验基础上的，对于一个熟练的操作人员来讲，并 非需要了解被控对象的精确的数学模型，而是凭借其丰富的实践经验，采取适 当的对策来巧妙的控制一个复杂系统。若能把这些熟练的、操作人员的实践经 验加以总结和描述，并用语言表达出来，那么这就是一种定性的、不精确的控 制规则。如果用模糊数学将其定量化，就转化为模糊控制算法了，从而形成了 模糊控制理论。其优点主要表现在如下几个方面： 1 、无需知道被控对象的精确的数学模型。模糊控制是以人对被控系统的 控制经验为依据而设计的，因此无需知道被控系统的数学模型；基于工业过程 的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，特别对那些数学模型难以获取， 动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适宜。 2 、它是一种反映人类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人类智慧思 维中的模糊量，如“高”、“中” “低”、“大”、“小”等，控制量由模糊 推理导出来，这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。 3 、它易被人们所接受。模糊控制的核心是控制规则，这些规则是以人类 语言表示的，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中 不需要建立被控对象精确的数学模型，因而，使得控制机制和策略易于接受与 理解，设计简单，便于应用。 4 、 具有相对的独立性。基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发 点和性能指标的不同，容易导致较大的差异；但一个系统语言控制规则却具有 相对的独立性，利用这些控制规则问的模糊连接，容易找到折中的选择，使控 制效