采煤機螺旋滾筒振動可靠性分析

趙麗娟 范佳藝 羅貴恒 聞首杰

摘要：為研究某型采煤機螺旋滾筒振動可靠性，根據(jù)實際工況模擬螺旋滾筒的瞬時沖擊載荷，建立螺旋滾筒的有限元模型，對其進行振動模態(tài)分析，識別出主要模態(tài)參數(shù)和振型規(guī)律，發(fā)現(xiàn)截齒部位振動變形明顯;建立了螺旋滾筒共振失效準則，結(jié)合可靠性靈敏度分析理論和BP神經(jīng)網(wǎng)絡，得到了滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)，振動可靠性靈敏度，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動可靠性的影響。結(jié)果表明，螺旋滾筒振動可靠度為0.999549?；诠舱袷蕜t，將協(xié)同仿真技術(shù)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡和可靠性靈敏度分析理論相結(jié)合，為采煤機螺旋滾筒的振動特性分析與結(jié)構(gòu)設計提供理論方法和數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：螺旋滾筒;共振失效;可靠性;靈敏度;神經(jīng)網(wǎng)絡

中圖分類號：TD421;TB114.33 文獻標志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）01-0082-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.01.009

引言

螺旋滾筒是采煤機的工作機構(gòu)，承擔著落煤和裝煤兩大任務，賦存條件復雜工況下的采煤機環(huán)境惡劣，其螺旋滾筒所受載荷具有非線性、時變性和強耦合性等特點，會產(chǎn)生強烈的振動和較大的變形，導致采煤機系統(tǒng)的過載和薄弱環(huán)節(jié)的損壞，降低采煤機工作的可靠性。近年針對采煤機螺旋滾筒的振動特性的研究有：郭會珍通過Ansys-Dyna分析采煤機牽引速度和螺旋滾筒轉(zhuǎn)速對截割系統(tǒng)測試點的位移響應和加速度響應，發(fā)現(xiàn)較小的牽引速度和較大的滾筒轉(zhuǎn)速有利于降低截割系統(tǒng)振動。陳洪月等結(jié)合workberich有限元分析軟件和數(shù)值分析方法，求解斜切工況下采煤機各部分的振動位移曲線，比較采煤機前、后滾筒受到的載荷沖擊，結(jié)果顯示前滾筒振動劇烈，載荷沖擊較大。辛紅寶等借助有限元分析軟件，分析了螺旋滾筒端盤部分不同截齒排列方式對其固有頻率和模態(tài)振型的影響，得到了最佳的截齒排列方式，降低了螺旋滾筒的振動。楊琳琳等利用非線性振動理論，分析了截割轉(zhuǎn)速對采煤機螺旋滾筒振動的影響。

螺旋滾筒作為采煤機的工作機構(gòu)，其振動可靠性對于整機的動態(tài)可靠性和工作性能都有影響。以往的研究僅分析了螺旋滾筒的振動特性，而沒有從可靠性的角度來開展，更沒有研究螺旋滾筒自身結(jié)構(gòu)對其振動可靠性的影響。采煤機螺旋滾筒結(jié)構(gòu)復雜、工況惡劣，基于共振失效準則，將協(xié)同仿真技術(shù)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡和可靠性靈敏度分析理論相結(jié)合，得到采煤機螺旋滾筒振動可靠度，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動可靠性的影響，可為螺旋滾筒的振動特性研究及其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計提供重要數(shù)據(jù)支撐。

1載荷數(shù)值模擬

1.1截齒受力分析理論基礎

根據(jù)采煤機破煤理論，螺旋滾筒在截入煤壁時，截齒會受到側(cè)向力Xj、牽引阻力yj和截割阻力Zj，還受到作用在螺旋葉片上的裝煤反力Rs，其受力分析如圖1所示。

1.2基于實際工況的載荷數(shù)值模擬

以鄂爾多斯文玉煤礦V-1工作面賦存條件為原型，利用項目組基于采煤機破煤理論和Matlab軟件開發(fā)的“載荷計算程序”計算得到煤的堅固性系數(shù)為2.0，螺旋滾筒轉(zhuǎn)速和采煤機牽引速度分別為58r/min，10m/min工況下螺旋滾筒載荷歷程曲線如圖2所示。

2螺旋滾筒模態(tài)特性分析

2.1螺旋滾筒有限元模型的建立

利用Pro/E建立螺旋滾筒的參數(shù)化三維實體模型，在Ansys Workbench中賦予螺旋滾筒材料屬性并對其進行網(wǎng)格劃分，對螺旋滾筒施加約束及載荷，螺旋滾筒有限元模型如圖3所示。

結(jié)合表1和2可知，螺旋滾筒1-20階固有頻率變化范圍為544.52-1198.21Hz，最大、最小變形量分別為12.3和3.3mm，螺旋滾筒各階模態(tài)振型存在相似規(guī)律，其中第18階模態(tài)振型如圖4所示。

由圖4可觀察到，變形主要集中在截齒部位，齒尖部分振動強烈變形最大，葉片與筒轂相連接處變形量小、振動平穩(wěn)。強烈的振動變形會導致截齒磨損和脫落，影響螺旋滾筒截割效率;葉片發(fā)生嚴重變形將導致裝煤率下降、磨損加劇，嚴重影響采煤機的工作性能。

3螺旋滾筒共振可靠性研究

為判斷基于實際工況的螺旋滾筒是否會發(fā)生共振失效，對其進行振動可靠性分析。根據(jù)可靠性分析的干涉理論，隨機動態(tài)結(jié)構(gòu)失效的狀態(tài)函數(shù)為。

對螺旋滾筒質(zhì)心受到的瞬時負載曲線（圖2）進行傅里葉變換，變換后的外部載荷的優(yōu)勢頻率主要集中在0-5Hz頻段。根據(jù)式（6）-（13）得到螺旋滾筒振動可靠度為：R=0.999549。采煤機螺旋滾筒共振可靠性分析結(jié)果為螺旋滾筒共振可靠性靈敏度分析提供了理論基礎和準確的數(shù)據(jù)支撐。

4基于神經(jīng)網(wǎng)絡的螺旋滾筒共振可靠性靈敏度分析

為研究采煤機螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對其共振可靠性的貢獻程度，需要進行靈敏度分析。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度R對隨機變量的均值和方差的可靠性靈敏度分別為：

5結(jié)論

（1）根據(jù)采煤工作面賦存條件，利用項目組開發(fā)的“載荷計算程序”模擬螺旋滾筒瞬時負載，基于多領域協(xié)同仿真技術(shù)分析螺旋滾筒的振動特性，得到其模態(tài)頻率，發(fā)現(xiàn)變形主要集中在截齒部位，齒尖部分振動強烈，變形最大，為螺旋滾筒共振可靠性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）基于可靠性分析干涉理論，依據(jù)共振失效準則對螺旋滾筒進行共振可靠性分析，得到螺旋滾筒振動可靠度為0.999549。

（3）結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡和可靠性靈敏度分析理論，分析螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對其振動可靠性的影響，神經(jīng)網(wǎng)絡模型經(jīng)過126步迭代訓練后，訓練樣本誤差達到1×10^-6，滾筒直徑D對螺旋滾筒振動可靠性的影響最大，筒轂直徑Dtg對螺旋滾筒振動可靠性的影響最小。依據(jù)螺旋滾筒共振可靠性靈敏度分析結(jié)果，在螺旋滾筒設計中，保證螺旋滾筒生產(chǎn)要求的同時，應嚴格控制各結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免螺旋滾筒發(fā)生共振失效而影響整機動態(tài)可靠性和工作性能。