基于多目標(biāo)優(yōu)化的采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 靜

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

基于多目標(biāo)優(yōu)化的采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 靜

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

針對(duì)采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高其工作可靠性及工作效率。建立截割比能耗、載荷波動(dòng)系數(shù)以及生產(chǎn)率和塊煤率評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將其作為滾筒性能優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)。使用MATLAB軟件對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)理論分析和虛擬樣機(jī)仿真方法得知，當(dāng)截割阻抗值較低時(shí)，優(yōu)化前后滾筒性能優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)相差不大。隨著截割阻抗變大，優(yōu)化后的滾筒性能優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)相比傳統(tǒng)滾筒的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)變得更優(yōu)，說(shuō)明優(yōu)化后的滾筒，對(duì)采礦機(jī)的截割性能有很大的提升，能夠較好的提升采礦機(jī)的生產(chǎn)率、塊煤率，降低載荷波動(dòng)系數(shù)和比能耗值。

采礦機(jī)；螺旋滾筒；結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；多目標(biāo)優(yōu)化；遺傳算法

0 前 言

采礦機(jī)滾筒是采礦機(jī)的關(guān)鍵組成部分之一，其主要工作是截割煤巖。采礦機(jī)滾筒工作可靠性、截割煤巖性能及其力學(xué)特性直接影響采礦機(jī)工作可靠性及綜采工作面出煤率等。因此針對(duì)采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提高其工作可靠性及工作效率是采礦機(jī)及煤礦機(jī)械研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者多以理論計(jì)算或者試驗(yàn)的方法對(duì)影響滾筒截割性能的單因素進(jìn)行分析，未對(duì)多種因素影響下反映滾筒截割性能的指標(biāo)進(jìn)行研究并對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究。本文針對(duì)采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高其工作可靠性及工作效率。

1 滾筒性能優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 采礦機(jī)生產(chǎn)率評(píng)價(jià)

煤礦企業(yè)最為關(guān)注的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為采礦機(jī)的生效率。生產(chǎn)率指標(biāo)表示為：

Q=kBLρv

(1)

式中：k為采礦機(jī)連續(xù)工作參數(shù)，通常為0.8左右。B為滾筒截深，mm。L為采礦機(jī)截割機(jī)構(gòu)間距，mm。ρ為煤巖密度，kg/m3。v為采礦機(jī)牽引速度，m/min[3]。

1.2 截割比能耗評(píng)價(jià)

截割比能耗為煤礦企業(yè)較為關(guān)注的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。截割比能耗評(píng)價(jià)模型描述為：

(2)

式中：b為截齒刃寬，mm；h為單個(gè)截齒的切削厚度，mm；k為煤巖條件參數(shù)；A為截割阻抗。截割比能耗與采礦機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

1.3 采礦機(jī)塊煤率評(píng)價(jià)

塊煤率是評(píng)價(jià)方法表示為：

(3)

式中：n為采礦機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；D為滾筒直徑，mm；α為滾筒葉片螺旋升角，(°)；m為各截線(xiàn)上截齒個(gè)數(shù)。

1.4 載荷波動(dòng)系數(shù)評(píng)價(jià)

使用載荷波動(dòng)系數(shù)描述采礦機(jī)滾筒載荷波動(dòng)程度。載荷波動(dòng)系數(shù)評(píng)價(jià)表示為：

(4)

2 多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

選取平均截線(xiàn)距、螺旋葉片升角，截齒截距為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量：

X=[x1,x2,x3,x4]=[D,α,B,S]

(5)

2.2 建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

為了簡(jiǎn)化模型和方便求解，本文采用線(xiàn)性加權(quán)和法把滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。為使得多目標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化，令各個(gè)目標(biāo)最優(yōu)值的倒數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)[5]：

(6)

2.3 建立約束條件

根據(jù)采礦機(jī)塊煤率、生產(chǎn)率、滾筒截距以及滾筒載荷波動(dòng)系數(shù)等要求和限制為采礦及添加約束條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒筒轂直徑、葉片螺旋升角、截深和節(jié)距等結(jié)構(gòu)參數(shù)的約束和優(yōu)化。

3 優(yōu)化參數(shù)分析

根據(jù)上述建立的采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型，使用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化求解，得到了采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比如表1所示。

表1 采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

4 優(yōu)化前后滾筒特性仿真分析

使用ANSYS有限元仿真軟件建立采礦機(jī)滾筒仿真模型，按照優(yōu)化前后滾筒參數(shù)建立滾筒模型，并使用不同的滾筒模型與模擬煤壁相互作用。仿真得到優(yōu)化前后滾筒受力情況。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到采礦機(jī)生產(chǎn)率、截割比能耗、塊煤率以及載荷波動(dòng)系數(shù)對(duì)比，如圖1～2所示。

當(dāng)截割阻抗值較低時(shí)，優(yōu)化前后滾筒性能優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)相差不大。隨著截割阻抗變大，優(yōu)化后的生產(chǎn)率平均提升21.5%，優(yōu)化后的塊煤率平均提升18.5%，優(yōu)化后的滾筒比能耗值平均降低48.6%，優(yōu)化后的載荷波動(dòng)系數(shù)平均降低1.12%。

圖1 生產(chǎn)率對(duì)比和截割比能耗對(duì)比

圖2 塊煤率對(duì)比和載荷波動(dòng)系數(shù)對(duì)比

5 結(jié) 論

本文針對(duì)采礦機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高其工作可靠性及工作效率。理論分析和虛擬樣機(jī)仿真研究表明：優(yōu)化后的滾筒性能優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)相比傳統(tǒng)滾筒的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)變得更優(yōu)，優(yōu)化后的滾筒，對(duì)采礦機(jī)的截割性能有很大的提升，能夠較好的提升采礦機(jī)的生產(chǎn)率、塊煤率，降低載荷波動(dòng)系數(shù)和比能耗值。

[1] 秦健, 鄧銀舟, 江帆, 等. 基于綠色制造的新型機(jī)械制造工藝及裝備技術(shù)研究[J]. 中國(guó)錳業(yè), 2016,34(4): 129-131.

[2] 劉佳, 吳賢圖, 楊少培, 等. 露天礦床“三率”指標(biāo)影響因素及改善措施分析[J]. 中國(guó)錳業(yè), 2015, 33(4): 54-56.

[3] 趙宏梅, 劉春生. 螺旋葉片傾斜布置的采礦機(jī)滾筒裝煤效率[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 18(6): 403-406.

[4] 劉送永, 杜長(zhǎng)龍, 崔新霞, 等. 采礦機(jī)滾筒螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2008, 15(4): 290-294.

[5] 劉春生, 于信偉, 任昌玉. 滾筒式采礦機(jī)工作機(jī)構(gòu)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2010.

Optimization Design of Shearer Drum Structure Parameters Based on Multi-objective Optimization

WANG Jing

(SchoolofEnergyEngineering,YulinUniversity,Yulin,Shanxi719000,China)

The structural parameters of the shearer drum are optimized to improve the reliability and efficiency, including the establishment of cutting specific energy consumption, the load fluctuation coefficient, the productivity and the lump rate evaluation index as the drum performance optimization evaluation index. MATLAB software is used to optimize the mathematical model of multi-objective optimization. Through theoretical analysis and virtual prototype simulation, it is found that when the cutting impedance value is low, there is little difference between the performance evaluation index of the cylinder before and after optimization. With the cutting resistance larger, the optimized drum performance index in the optimization performance compared with traditional index of drum becomes better. After optimization, the mining machine cutting performance has been greatly improved, as can improve the productivity of coal mining machine to reduce the load fluctuation coefficient and the ratio of energy consumption value.

Shearer; Spiral drum; Structure parameter optimization; Multi objective optimization; Genetic algorithm

2017-01-20

榆林市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014cxy-04-02)

王靜(1983-)，女，陜西榆林人，講師，研究方向：電氣控制、PLC應(yīng)用，手機(jī)：13991085656，E-mail：2008-ytt@163.com.

TD353

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.038