王 靜

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

基于多目標優(yōu)化的采礦機滾筒結構參數(shù)優(yōu)化設計

王 靜

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

針對采礦機滾筒結構參數(shù)進行優(yōu)化，以期提高其工作可靠性及工作效率。建立截割比能耗、載荷波動系數(shù)以及生產(chǎn)率和塊煤率評價指標，并將其作為滾筒性能優(yōu)化評價指標。使用MATLAB軟件對多目標優(yōu)化數(shù)學模型的求解過程進行優(yōu)化。通過理論分析和虛擬樣機仿真方法得知，當截割阻抗值較低時，優(yōu)化前后滾筒性能優(yōu)化評價指標相差不大。隨著截割阻抗變大，優(yōu)化后的滾筒性能優(yōu)化評價指標相比傳統(tǒng)滾筒的性能評價指標變得更優(yōu)，說明優(yōu)化后的滾筒，對采礦機的截割性能有很大的提升，能夠較好的提升采礦機的生產(chǎn)率、塊煤率，降低載荷波動系數(shù)和比能耗值。

采礦機；螺旋滾筒；結構參數(shù)優(yōu)化；多目標優(yōu)化；遺傳算法

0 前 言

采礦機滾筒是采礦機的關鍵組成部分之一，其主要工作是截割煤巖。采礦機滾筒工作可靠性、截割煤巖性能及其力學特性直接影響采礦機工作可靠性及綜采工作面出煤率等。因此針對采礦機滾筒結構參數(shù)優(yōu)化，提高其工作可靠性及工作效率是采礦機及煤礦機械研究領域的熱點研究問題之一[1-2]。

國內(nèi)外學者多以理論計算或者試驗的方法對影響滾筒截割性能的單因素進行分析，未對多種因素影響下反映滾筒截割性能的指標進行研究并對其進行多目標優(yōu)化研究。本文針對采礦機滾筒結構參數(shù)進行優(yōu)化，以期提高其工作可靠性及工作效率。

1 滾筒性能優(yōu)化評價指標

1.1 采礦機生產(chǎn)率評價

煤礦企業(yè)最為關注的一項經(jīng)濟指標為采礦機的生效率。生產(chǎn)率指標表示為：

Q=kBLρv

(1)

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

1.2 截割比能耗評價

截割比能耗為煤礦企業(yè)較為關注的一項經(jīng)濟指標。截割比能耗評價模型描述為：

(2)

式中：b為截齒刃寬，mm；h為單個截齒的切削厚度，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滾筒的結構參數(shù)有關。

1.3 采礦機塊煤率評價

塊煤率是評價方法表示為：

(3)

式中：n為采礦機滾筒轉速，r/min；D為滾筒直徑，mm；α為滾筒葉片螺旋升角，(°)；m為各截線上截齒個數(shù)。

1.4 載荷波動系數(shù)評價

使用載荷波動系數(shù)描述采礦機滾筒載荷波動程度。載荷波動系數(shù)評價表示為：

(4)

2 多目標優(yōu)化數(shù)學模型的建立

2.1 確定優(yōu)化設計變量

選取平均截線距、螺旋葉片升角，截齒截距為優(yōu)化設計變量，確定優(yōu)化設計變量：

X=[x1,x2,x3,x4]=[D,α,B,S]

(5)

2.2 建立優(yōu)化目標函數(shù)

為了簡化模型和方便求解，本文采用線性加權和法把滾筒結構參數(shù)多目標優(yōu)化問題轉化為滾筒結構參數(shù)單目標優(yōu)化問題。為使得多目標進行規(guī)范化，令各個目標最優(yōu)值的倒數(shù)作為目標函數(shù)的加權系數(shù)[5]：

(6)

2.3 建立約束條件

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

3 優(yōu)化參數(shù)分析

根據(jù)上述建立的采礦機滾筒結構參數(shù)優(yōu)化模型，使用MATLAB軟件對其進行優(yōu)化求解，得到了采礦機滾筒結構參數(shù)優(yōu)化前后對比如表1所示。

表1 采礦機滾筒結構參數(shù)優(yōu)化前后對比

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)進行統(tǒng)計分析，可以得到采礦機生產(chǎn)率、截割比能耗、塊煤率以及載荷波動系數(shù)對比，如圖1～2所示。

當截割阻抗值較低時，優(yōu)化前后滾筒性能優(yōu)化評價指標相差不大。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)化后的載荷波動系數(shù)平均降低1.12%。

圖1 生產(chǎn)率對比和截割比能耗對比

圖2 塊煤率對比和載荷波動系數(shù)對比

5 結 論

本文針對采礦機滾筒結構參數(shù)進行優(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仿真研究表明：優(yōu)化后的滾筒性能優(yōu)化評價指標相比傳統(tǒng)滾筒的性能評價指標變得更優(yōu)，優(yōu)化后的滾筒，對采礦機的截割性能有很大的提升，能夠較好的提升采礦機的生產(chǎn)率、塊煤率，降低載荷波動系數(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械制造工藝及裝備技術研究[J]. 中國錳業(yè), 2016,34(4): 129-131.

[2] 劉佳, 吳賢圖, 楊少培, 等. 露天礦床“三率”指標影響因素及改善措施分析[J]. 中國錳業(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滾筒裝煤效率[J]. 黑龍江科技學院學報, 2008, 18(6): 403-406.

[4] 劉送永, 杜長龍, 崔新霞, 等. 采礦機滾筒螺旋葉片結構參數(shù)研究[J]. 工程設計學報, 2008, 15(4): 290-294.

[5] 劉春生, 于信偉, 任昌玉. 滾筒式采礦機工作機構[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 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

榆林市科技計劃項目(2014cxy-04-02)

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

TD353

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.038