綜采工作面刮板輸送機優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

于聚旺

(河南大有能源股份有限公司機電設(shè)備租賃站，河南省義馬市，472300)

★ 煤炭科技·機電與信息化 ★

綜采工作面刮板輸送機優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

于聚旺

(河南大有能源股份有限公司機電設(shè)備租賃站，河南省義馬市，472300)

針對切眼較長綜采工作面刮板輸送機出現(xiàn)的運力不足和啟動困難等問題，分析了刮板輸送機受力情況以及刮板輸送機平直段和彎曲段的負載情況，并對緊鏈力造成的刮板與中部槽之間的側(cè)向摩擦力進行了深入探討，詳細闡述了利用多種群遺傳算法優(yōu)化刮板輸送機彎曲段溜槽數(shù)，使彎曲段相鄰溜槽間轉(zhuǎn)角由之前的1°改為40′。實際應(yīng)用表明，優(yōu)化后的刮板輸送機在不改變溜槽寬度的前提下不僅提高了運輸能力，而且在設(shè)備投入、掘進成本、耗電量以及設(shè)備故障率等方面的經(jīng)濟效益明顯。

綜采工作面 刮板輸送機 優(yōu)化設(shè)計 多種群遺傳算法

AbstractAiming at the insufficient transport capacity and difficult start of scraper conveyer in full-mechanized working face with longer open-off cut, stress condition of the scraper conveyer and loading condition of its straight section and curve section were analyzed, and the side friction between scraper and middle trough caused by chain-stretching force was discussed deeply, chute number at curve section of scraper conveyer was optimized by using multi-population genetic algorithm, and the rotation angle of curve section between adjacent chute adopted 40′ instead of 1°. The practical application showed that optimized scraper conveyer with fixed chute width not only improved transportation capability, but also achieved good economic benefits in terms of equipment invest, tunneling cost, power consumption and equipment failure rate.

Keywordsfully mechanized working face, scarper conveyor, optimization design, multiple population genetic algorithm

1 21220綜采工作面概況

河南大有能源股份有限公司常村礦(以下簡稱常村礦)21220綜采工作面位于21采區(qū)三條下山西翼，為自上而下第10個綜采工作面，上部為已采畢的21200綜采工作面，下部為未開掘的21240綜采工作面，西部與躍進井田相鄰。工作面可采走向長為689 m，傾斜長為268 m、面積為229810 m2、可采儲量約為295萬t，下巷和切眼局部地段煤層節(jié)理發(fā)育，易片幫和冒頂。煤層老頂上部有厚度為690 m左右的砂礫巖層，在回采中將產(chǎn)生該層垮落，易引起沖擊地壓。煤層切眼剩余區(qū)段長度為270 m，設(shè)計階段確定2個綜采工作面，如果布置2個綜采工作面(平均每個綜采工作面切眼長為135 m)，則相對切眼較短，需要掘進至少3條巷道(采用沿空留巷技術(shù))，掘進成本較高，且在掘進及回采時增加了作業(yè)人員數(shù)量，安全性也大大降低。因此，為了減少巷道萬噸掘進率、降低巷道掘進成本投入、提高煤炭回采率、降低沖擊地壓區(qū)域綜采工作面作業(yè)人員數(shù)量以及提高作業(yè)的安全性，經(jīng)過多方研究確定將該區(qū)段設(shè)計為1個切眼長為270 m的綜采工作面，這對運輸設(shè)備的性能提出了較高的要求。

常村礦21220綜采工作面采用放頂煤工藝，是河南大有能源股份有限公司目前第1個切眼長度為270 m的綜采工作面，根據(jù)正常設(shè)備選型要求，綜采工作面長度為270 m時選用的刮板輸送機中部槽內(nèi)槽寬應(yīng)該在1 m以上，刮板輸送機總裝機功率在1000 kW以上，與刮板輸送機專業(yè)生產(chǎn)廠家溝通后，廠家建議使用SGZ1000/1400或SGZ1000/1050型前后部刮板輸送機。如果按照廠家建議進行選型，則與刮板機配套的液壓支架和采煤機型號都相應(yīng)加大，這將造成設(shè)備成本投入大大增加，同樣造成備件和配件投入大大增加。因此，河南大有能源股份有限公司相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過多次技術(shù)論證，確定常村礦21220綜采工作面采用SGZ800/800型窄槽寬刮板輸送機作為工作面運輸設(shè)備，但現(xiàn)有的SGZ800/800型刮板輸送機不能滿足使用要求，主要存在的問題為：一是刮板輸送機運力不足，功率配置不能滿足綜采工作面輸送量要求；二是刮板輸送機運行阻力較大，效率較低；三是刮板輸送機啟動困難，易壓溜；四是刮板輸送機運行沖擊明顯，易導(dǎo)致斷鏈，鏈條使用壽命降低；五是刮板輸送機電機、減速器處于過載運行狀態(tài)，運行溫度較高，故障率較高，使用壽命降低。

以上問題的影響可能會帶來的后果為：一是刮板輸送機不能正常運轉(zhuǎn)，頻繁停機保護，不能正常開采；二是減速器、電機因頻繁過載而損壞；三是鏈條、刮板等備件消耗量大；四是影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。為了解決以上問題，本文將對沖擊地壓礦井厚煤層綜采放頂煤超長工作面窄槽寬刮板輸送機研究與應(yīng)用進行深入研究，探討一條有效的解決路徑。

2 刮板輸送機受力分析

為了保證選型設(shè)備能夠正常使用，綜采工作面刮板輸送機的空載功率消耗約占總功率的30%，刮板輸送機在工作中應(yīng)克服的阻力為：一是貨載和刮板鏈在重載段上的移動阻力；二是傾斜運輸時貨載的自重分力；三是刮板鏈在回空段上的移動阻力；四是刮板鏈繞過機頭和機尾鏈輪與鏈條的彎曲阻力；五是傳動裝置的阻力；六是水平彎曲段刮板產(chǎn)生的側(cè)向摩擦力。

分析以上阻力發(fā)現(xiàn)，刮板輸送機的功率消耗主要用于貨載和刮板鏈運行阻力的克服，刮板輸送機的可彎曲性造成附加阻力增大，在此根據(jù)刮板輸送機結(jié)構(gòu)對其分別進行分析。設(shè)刮板鏈在溜槽中移動阻力系數(shù)為f1，貨載在溜槽中移動阻力系數(shù)為W′，刮板鏈重為q0，貨載重為q，鋪設(shè)傾斜角度為β，鋪設(shè)長度為L，刮板鏈與溜槽摩擦系數(shù)由摩擦副材料及滑動表面狀況確定, 貨載與溜槽的摩擦系數(shù)同樣取決于溜槽表面光潔度、硬度和貨載的性質(zhì)，則刮板輸送機平直重載段的運行阻力F1p見式(1)：

F1p=(qW′+q0f1)Lcosβ±(q+q0)Lsinβ

(1)

式中：F1p——平直重載段的運行阻力，N；

q——貨載重，kg/m；

W′——貨載在溜槽中移動阻力系數(shù)；

q0——刮板鏈重，kg/m；

f1——刮板鏈在溜槽中移動阻力系數(shù)；

L——鋪設(shè)長度，m；

β——鋪設(shè)傾斜角度，(°)。

平直空載段的運行阻力F1n見式(2)：

F1n=q0L(f1cosβ?sinβ)

(2)

式中：F1n——平直空載段的運行阻力，N；

q0——刮板鏈重，kg/m；

L——鋪設(shè)長度，m；

f1——刮板鏈在溜槽中移動阻力系數(shù)；

β——鋪設(shè)傾斜角度，(°)。

在式(1)和式(2)中，“+”和“-”號確定原則為：當刮板鏈和貨載沿刮板輸送機運行方向分力與移動阻力方向相同取“+”號，相反取“-”號。

當可彎曲刮板輸送機工作時，水平面上會有彎曲。刮板輸送機在水平面上的彎曲狀態(tài)示意圖如圖1所示。

圖1 刮板輸送機在水平面上的彎曲狀態(tài)示意圖

由圖1可以看出，隨著綜采工作面采煤機前進截割煤壁，其后面的刮板輸送機溜槽在支架推力作用下推向煤壁的截深為a，刮板輸送機在水平面上形成了水平彎曲，這時刮板與槽幫產(chǎn)生了附加摩擦阻力。裝煤點可近似看做在彎曲處，距機頭的距離為L1，彎曲段對刮板輸送機長度L影響不計，則刮板輸送機水平彎曲重載段的運行阻力F2p見式(3)：

式中：F2p——水平彎曲重載段的運行阻力，N；

q0——刮板鏈重，kg/m；

L——鋪設(shè)長度，m；

f1——刮板鏈在溜槽中移動阻力系數(shù)；

β——鋪設(shè)傾斜角度，(°)。

q——貨載重，kg/m；

L1——距機頭的距離，m；

W′——貨載在溜槽中移動阻力系數(shù)；

f——刮板鏈與鏈輪之間的摩擦系數(shù)；

S3——刮板輸送機在機尾的張力，N；

α′——刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角，(°)。

彎曲空載段的運行阻力F2n見式(4)：

(4)

式中：F2n——彎曲空載段的運行阻力，N；

q0——刮板鏈重，kg/m；

L——鋪設(shè)長度，m；

f1——刮板鏈在溜槽中移動阻力系數(shù)；

β——鋪設(shè)傾斜角度，(°)。

f——刮板鏈與鏈輪之間的摩擦系數(shù)；

L1——距機頭的距離，m；

S1——刮板輸送機在機頭的張力，N；

α′——刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角，(°)。

刮板輸送機在水平面上的彎曲段會形成彎曲角度，刮板輸送機彎曲部分示意圖如圖2所示。

圖2 刮板輸送機彎曲部分示意圖

彎曲段半徑R可由式(5)計算得出：

(5)

式中：R——彎曲段半徑，m；

l——每節(jié)刮板長度，m；

α′——刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角，(°)。

彎曲段長度Lkp可由式(6)計算得出：

(6)

式中：Lkp——彎曲段長度，m；

a——截深，m；

R——彎曲段半徑，m。

彎曲段扇形中心角α可由式(7)計算得出：

(7)

式中：α——彎曲段扇形中心角，(°)；

Lkp——彎曲段長度，m；

a——截深，m。

彎曲段溜槽數(shù)n可由式(8)計算得出：

(8)

式中：n——彎曲段溜槽數(shù)；

R——彎曲段半徑，m；

α——彎曲段扇形中心角，(°)。

由式(1)～式(4)對比分析可知，當刮板輸送機處于水平彎曲時產(chǎn)生的阻力Fwp最大，見式(9)：

Fwq=F2p+F2n

(9)

式中：Fwq——水平彎曲最大阻力，N；

F2p——彎曲重載段的運行阻力，N；

F2n——彎曲空載段的運行阻力，N。

由式(8)可知，在外界工況不變的情況下，刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′越大，則刮板輸送機在水平彎曲段產(chǎn)生的阻力越大，同時彎曲段長度越短，所需的溜槽數(shù)越少；若刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′越小，則刮板輸送機在水平彎曲段產(chǎn)生的阻力越小，同時彎曲段長度越長，所需的溜槽數(shù)越多。

此外，為了使刮板輸送機正常運行，必須給刮板鏈提供合適的緊鏈力，來保證刮板鏈與鏈輪的有效嚙合。設(shè)張緊裝置提供的緊鏈力為Fzj，則緊鏈力在彎曲段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tzj見式(10)：

Tzj=Fzj·a

(10)

式中：Tzj——緊鏈力在彎曲段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，N·m；

Fzj——緊鏈力，N；

a——截深，m。

緊鏈力根據(jù)刮板輸送機受力情況確定，在其他條件相同的情況下，刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′越大，則需要的緊鏈力越大，反之則越小。為了使刮板輸送機穩(wěn)定運行，刮板輸送機中部槽會給刮板提供相應(yīng)的反作用力，產(chǎn)生與緊鏈轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，緊鏈力對彎曲段的作用示意圖如圖3所示。

圖3 緊鏈力對彎曲段的作用示意圖

由于緊鏈力的作用，刮板與刮板輸送機中部槽產(chǎn)生的側(cè)向摩擦力Fcx見式(11):

(11)

式中：Fcx——側(cè)向摩擦力，N；

n——彎曲段溜槽數(shù)；

Fi——第i節(jié)中部槽對刮板產(chǎn)生的反作用力，N;

r——為刮板與中部槽側(cè)向摩擦系數(shù)。

由式(11)可以看出，隨著α′的減小，緊鏈力減小，側(cè)向摩擦力也減小。此外，α′的減小會使彎曲段長度變長，進一步分散側(cè)向摩擦力。

綜合式(1)、式(2)、式(9)和式(11)，刮板輸送機的總負載力F由平直重載段負載、平直輕載段負載、彎曲重載段負載、彎曲輕載段負載以及彎曲段側(cè)向摩擦力構(gòu)成，見式(12):

F=F1p+F1n+F2p+F2n+Fcx

(12)

式中：F——刮板輸送機總負載力，N；

F1p——平直重載段的運行阻力，N；

F1n——平直空載段的運行阻力，N；

F2p——彎曲重載段的運行阻力，N；

F2n——彎曲空載段的運行阻力，N；

Fcx——側(cè)向摩擦力，N。

通過上述分析可知，在負載情況及摩擦系數(shù)確定的條件下，刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′是影響刮板輸送機負載的關(guān)鍵因素，選擇合適的相鄰槽間轉(zhuǎn)角是降低刮板輸送機負載和減小磨損的關(guān)鍵因素。

3 基于多種群遺傳算法的刮板輸送機彎曲段溜槽數(shù)優(yōu)化

為了使刮板輸送機的總負載力F最小，本文采用多種群遺傳算法對相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′進行優(yōu)化。遺傳算法(Genetic Algorithm)是根據(jù)達爾文生物進化理論中的基因遺傳和自然選擇為模型的一種智能算法，能夠通過模擬生物在自然環(huán)境中進化過程尋求最優(yōu)解的方法。遺傳算法的計算過程包括種群初始化、適應(yīng)度計算、選擇操作及變異操作。適應(yīng)度函數(shù)是根據(jù)遺傳進化目標而編寫的個體適應(yīng)度函數(shù)，通過適應(yīng)度函數(shù)的計算，為遺傳過程中個體的選擇提供依據(jù)。

選擇操作是從上一代群體里選擇一定數(shù)量的個體進入到新群體中，每個個體被選中的概率跟個體的適應(yīng)度值有關(guān)，適應(yīng)度值越好，證明該個體具有更好的遺傳優(yōu)勢，被選中遺傳到下一代的幾率更大。遺傳算法選擇操作有錦標賽法、輪盤賭法等，本文選擇輪盤賭法，每個個體i的選擇概率pi見式(13)：

(13)

式中：pi——第i個個體被選擇的概率；

fi——第i個個體的適應(yīng)度值；

k——系數(shù)；

N——種群個體數(shù)目。

交叉操作是指從群體里面隨機選擇兩個個體，進行染色體的相互交換組合，從而產(chǎn)生優(yōu)秀的新個體，其交叉操作如圖4所示。

圖4 交叉操作

第

k

個染色體

a

k

和第

l

個染色體

a

l

在

j

位的交叉操作方法見式(14)：

(14)

式中：aki——第k個染色體的第j個位置；

alj——第l個染色體的第j個位置；

b——[0, 1]間的隨機數(shù)。

變異操作是在群體里隨機選擇一個個體，在遺傳過程中此個體基因出現(xiàn)基因突變從而產(chǎn)生優(yōu)秀個體的過程，變異操作如圖5所示。

圖5 變異操作

假設(shè)第

i

個個體的第

j

個基因進行變異，變異操作方法見式(15)：

(15)

式中：aij——第i個個體的第j個基因；

amax——基因的上界值；

amin——基因的下界值；

g——當前迭代次數(shù)；

Gmax——最大進化次數(shù)；

r——[0, 1]間的隨機數(shù)。

隨著遺傳算法的廣泛使用與研究，其早熟收斂等問題也逐漸凸顯出來，主要表現(xiàn)為所有個體都趨于同一狀態(tài)而停止進化，最終得到的結(jié)果不理想。根據(jù)遺傳算法的特點，本文采用多種群的遺傳算法(Multiple Population GA, MPGA)代替標準遺傳算法(SGA)來進行刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′的優(yōu)化。多種群遺傳算法原理如圖6所示。

圖6 多種群遺傳算法流程圖

MPGA與SGA的差別主要有以下幾點：

(1)引用多個遺傳種群同時進行搜索，并讓不同的種群分別控制不同的參數(shù)，實現(xiàn)不同目標的搜索；

(2)各個種群之間利用移民算子進行聯(lián)系，實現(xiàn)協(xié)同尋優(yōu)目的，使求得的最優(yōu)解為不同種群之間的協(xié)同進化結(jié)果；

(3)通過適應(yīng)度函數(shù)選取最優(yōu)解，并最為算法的收斂依據(jù)。

在此，分別用SGA與MPGA兩種不同方法對二元函數(shù)進行求值和對比, 二元函數(shù)見式(16)：

maxf(x,y)=21.5+xsin(4πx)+ysin(20xy)

(16)

用SGA和MPGA對該函數(shù)分別進行5次求解，統(tǒng)計結(jié)果分別見表1和表2。

表1 SGA求解結(jié)果

表2 MPGA求解結(jié)果

由表1和表2對比可知，MPGA具有更穩(wěn)定的求值結(jié)果，克服了標準遺傳算法早熟的問題，在此利用MPGA對相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′進行優(yōu)化，最終確定相鄰槽間轉(zhuǎn)角為40′。刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角優(yōu)化如圖7所示。

圖7 刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角優(yōu)化

4 實際應(yīng)用分析

4.1 使用情況

刮板輸送機水平彎曲度改為40′后，在21220綜采工作面投入使用，于2015年11月開始正式生產(chǎn)，截止2016年10月底已經(jīng)回采12個月。按照每天工作12 h和每月工作23 d計算，SGZ800/800型刮板輸送機在常村礦21220綜采工作面平均月產(chǎn)量為69500 t，平均日產(chǎn)量為3021.7 t，平均每月進尺為29.2 m，平均每日進尺為1.27 m。

設(shè)備運行期間狀況良好，中部槽、機頭架和機尾架鏈道平滑且無異常磨損；鏈條和刮板無異常損傷，情況良好；鏈輪組件磨損量較小，密封良好；電機和減速器運轉(zhuǎn)正常，推移部和電纜槽等結(jié)構(gòu)件無變形，結(jié)構(gòu)完整。由于重新設(shè)計了刮板輸送機水平彎曲角度，設(shè)備在運行過程中工作阻力明顯減小，節(jié)電效果達到預(yù)期，采煤機未出現(xiàn)滾筒割鏟板現(xiàn)象，生產(chǎn)期間刮板輸送機配件更換量較少?？傮w來看，改造后的SGZ800/800型刮板輸送機能夠滿足常村礦21220綜采工作面的運輸需要，設(shè)備運行情況良好。

4.2 經(jīng)濟效益分析

刮板輸送機相鄰槽間轉(zhuǎn)角α′由原來的1°改為40′后，在經(jīng)濟效益方面取得的成績?nèi)缦拢?/p>

(1)設(shè)備投入大大降低。按常規(guī)設(shè)備選型，按270 m出廠長度配置計算，前后部刮板輸送機選用SGZ1000/1050型，預(yù)計資金約為2043萬元；若選用SGZ1000/1400型刮板輸送機，預(yù)計資金約為2087萬元；而使用SGZ800/800型刮板輸送機投入資金約為1337萬元，較SGZ1000/1400型刮板機節(jié)約購置資金750萬元，較SGZ1000/1050型刮板輸送機節(jié)約購置資金約為706萬元；同時，使用800系列的刮板輸送機也可有效地避免在備件、配件方面投入大量的資金。

(2)掘進成本有效降低。按照最初設(shè)計分為兩個綜采工作面(每個切眼長135 m)，則需要掘進至少3條1100 m長的巷道(采用沿空留巷技術(shù))，則掘進率為11.19 m/萬t；兩個綜采工作面合為一個綜采工作面(切眼長為270 m)，則只需掘進2條1100 m長的巷道，掘進率為7.46 m/萬t。根據(jù)實際情況，掘進所需資金約為2.2萬元/ m，則可節(jié)約掘進成本約為2420萬元。

(3)耗電量有效降低。和常村礦21220綜采工作面同時生產(chǎn)的21000綜采工作面使用的刮板輸送機為未改造的普通刮板輸送機，水平彎曲和摩擦負荷較大。根據(jù)前期實地到常村礦21000綜采工作面(切眼長為145.5 m)和21220綜采工作面(切眼長為270 m)對前部刮板輸送機電流進行監(jiān)測，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中得出21220綜采工作面前部刮板輸送機平均電流為98.1 A，21000綜采工作面前部刮板輸送機平均電流為107.5 A。

(4)設(shè)備故障率大大降低。綜采工作面水平彎曲度過大容易造成鏈輪組件、鏈條、刮板及內(nèi)槽幫磨損嚴重，進而容易造成跳鏈、漂鏈甚至斷鏈情況，尤其是中后期配件更換頻繁，嚴重影響生產(chǎn)的正常進行。針對鏈輪組件一項經(jīng)過調(diào)研得出以下結(jié)論：在水平彎曲度較大的情況下，鏈輪組件正常使用情況下需要使用3個月后進行調(diào)向，使用6個月需更換1套鏈輪組件，一套鏈輪組件所需費用約為12.2萬元。根據(jù)實際情況，常村礦1個綜采工作面生產(chǎn)周期為2 a，則每個綜采工作面至少更換鏈輪組件8套/a，費用約為97.6萬元。根據(jù)實際使用情況，截止2016年10月底，21220綜采工作面刮板輸送機共生產(chǎn)12個月，刮板消耗量為0，鏈條消耗量為0，未出現(xiàn)刮板螺栓松動現(xiàn)象。鏈輪組件磨損僅為3 mm(磨損20 mm失效需調(diào)向或更換)，根據(jù)磨損情況，在鏈輪組件不調(diào)向情況下，可以繼續(xù)使用12個月。截止2016年10月底，共節(jié)省鏈輪組件投入約為97.6萬元，預(yù)計整個綜采工作面生產(chǎn)結(jié)束可節(jié)省鏈輪組件投入約為195.2萬元。每次更換或調(diào)向耗時約為8 h，前后溜4個鏈輪組件更換或調(diào)向共耗時約為32 h。截止2016年10底，21220綜采工作面刮板輸送機節(jié)省檢修時間約為128 h，按照每小時生產(chǎn)原煤約為251.8 t計算，若檢修時間投入生產(chǎn)，則可多生產(chǎn)原煤約為32230.4 t，進一步提高了生產(chǎn)效率。

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(責(zé)任編輯 路 強)

Keytechnologyresearchonoptimizationdesignofscraperconveyeratfull-mechanizedworkingface

Yu Juwang

(Electromechanical Equipment Lease Station, Henan Dayou Energy Co., Ltd., Yima, Henan 472300, China)

TD528.3

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于聚旺.綜采工作面刮板輸送機優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國煤炭，2017，43(9)：73-78. Yu Juwang.Key technology research on optimization design of scraper conveyer at full-mechanized working face [J].China Coal，2017，43(9)：73-78.

于聚旺(1965-)，男，河南義馬人，工程師，現(xiàn)任職于河南大有能源股份有限公司機電設(shè)備租賃站總經(jīng)理，長期從事煤礦機電裝備優(yōu)化設(shè)計與智能控制領(lǐng)域工作。