高永林

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團臺頭煤焦有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 042199）

引言

煤礦開采是我國一大重要經(jīng)濟來源，如何降低成本，提高開采效率是促進該領(lǐng)域快速發(fā)展的主要研究內(nèi)容[1]。由于螺旋鉆采煤機結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，得到了眾多煤礦開發(fā)企業(yè)的好評[2]。但是當(dāng)前螺旋鉆采煤機參數(shù)設(shè)置還存在不合理之處，本文將采用SPEA算法展開研究，試圖提高該機器的工況適應(yīng)性。

1 機械零件多目標(biāo)模糊可靠性優(yōu)化計算

零件從安全狀態(tài)過渡到失效狀態(tài)的中間過渡過程，可以把零件所處的安全狀態(tài)看做一個模糊事件K，可用功能函數(shù)p對K的隸屬度UA（P）來描述模糊事件K，即：

零件的可靠性按P=f（x）≥0進行設(shè)計，得到模糊極限狀態(tài)設(shè)計表達式 W=q（k）=q（p≥0）。在此基礎(chǔ)上，本文將提出機械零件模糊可靠度計算公式：

2 優(yōu)化模型的構(gòu)建

螺旋鉆采煤機使用螺旋葉片推行煤塊前進，從而完成煤塊的發(fā)送和傳輸任務(wù)。由于各煤塊之間具有粘附力，并且在傳輸過程中，煤塊壁與螺旋葉片之間產(chǎn)生摩擦，對螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)造成阻礙，降低其旋轉(zhuǎn)速度。除此之外，煤塊自身也有一定重力，同樣對旋轉(zhuǎn)速度造成了影響[3]。最終，葉片運行被描述為擠壓式直線，如圖1所示。

在圖1中：L為螺旋葉片導(dǎo)程，mm；α為螺旋升角，（°）；D為最大葉片直徑，mm；δ為葉片厚度，mm；m為葉片數(shù)量，片；d為螺桿直徑，mm。

圖1 采煤機螺桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.1 輸煤生產(chǎn)率

如圖2所示為位于螺旋面上的煤顆粒運行速度分析圖。在該圖基礎(chǔ)上，結(jié)合圖1可以得到采煤機傳輸機構(gòu)的裝載面積最大值計算公式：

圖2 煤顆粒運行速度分析圖

那么該機構(gòu)傳輸煤對應(yīng)的生產(chǎn)效率計算公式為

在式（4）中：n為螺旋鉆桿的旋轉(zhuǎn)速度；φ為螺旋面應(yīng)煤塊的作用產(chǎn)生的摩擦角；kc為煤流對應(yīng)的填充系數(shù)。

2.2 傳輸機構(gòu)質(zhì)量

完成輸煤生產(chǎn)率的計算以后，本文對傳輸結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進行計算，公式如下：

在式（5）中，ρ為螺旋鉆桿材料密度。

2.3 輸送機構(gòu)消耗的能量

該機構(gòu)傳輸煤塊需要的支撐功率大小為：

在式（6）中，g1為電動機對應(yīng)的安全系數(shù)。

2.4 可靠性優(yōu)化數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建

利用式（4）、式（5）、式（6）對影響采煤機運造成影響的參數(shù)進行分析可知，對其運行造成影響的參數(shù)主要有11個，本次研究從匯中選取6個進行研究，將其作為變量，則可以將優(yōu)化變量X用以下公式來表示：

在理想狀態(tài)下來構(gòu)建多目標(biāo)最優(yōu)方程，完成采煤機參數(shù)計算

在上述公式中，gj（x*）為第j個分目標(biāo)函數(shù)組建的單目標(biāo)問題對應(yīng)的最優(yōu)解。

3 約束條件的設(shè)置

對于采煤機可靠性優(yōu)化研究，本文設(shè)計的約束條件分別為剛度約束、功率約束、轉(zhuǎn)速約束、扭矩強度約束、葉片厚度約束、葉片內(nèi)徑約束、葉片升角約束、葉片導(dǎo)程約束條件。

3.1 剛度約束條件

該約束條件指的是采煤機擾度范圍設(shè)置，即gmax≤[g]，gmax的計算公式為：

本次研究[g]的取值范圍為[g]≤0.0001×mL。

3.2 功率約束條件

設(shè)置額定功率值為N0，采煤機運行期間要求滿足負(fù)載啟動條件，該條件為功率低于額定功率值，對應(yīng)的公式如下：

3.3 轉(zhuǎn)速約束條件

為了保證螺旋滾筒在整個傳輸過程中的順暢性，將采集到的煤塊裝入傳送機以后，將其拋過采空區(qū)域，其工作轉(zhuǎn)速計算必須滿足以下條件n1≤n≤n2。

3.4 扭矩強度約束條件

對于螺旋傳輸機空心軸來說，在機器運行期間受到的最大力必須低于極限應(yīng)力，即需要滿足條件τmax≤[τ]。

3.5 葉片厚度約束條件

該項約束條件指的葉片厚度邊界值的限定，該范圍可以根據(jù)葉片強度來計算，最終的限定范圍是δmin≤δ≤δmax。

3.6 葉片內(nèi)徑約束條件

該項約束用于防止過多循環(huán)煤量或者堵塞，對葉片外緣直徑和其內(nèi)徑的比例進行限制0.3D≤d≤0.4D。

3.7 葉片升角約束條件

該約束條件指的是對裝煤效果造成影響的因素，設(shè)置的范圍為：23°≤α≤35°。

3.8 葉片導(dǎo)程約束條件

該項約束條件的設(shè)置為煤塊傳輸爭取更大空間，兩個葉片之間的距離應(yīng)滿足條件

4 案例分析

4.1 案例簡介

本次研究選取某一種型號的螺旋鉆采煤機作為優(yōu)化對象，利用SPEA算法完成多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，主要參數(shù)：φ=30°，n=60 r/min，L=1.2 m，D=0.625 m，kc=0.3～0.5。

4.2 優(yōu)化步驟

第一步：初始化種群，創(chuàng)造外部非支配集合，并復(fù)制其中成員p'；

第二步：移除p'其他成員；

第三步：判斷p'數(shù)量，如果超出最大值，則刪除p'的解；

第四步：計算個體適應(yīng)函數(shù)值；

第五步：選取個體丟入交配池中；

第六步：判斷是否達到最大代數(shù)，滿足條件立刻停止。

4.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

如表1所示為優(yōu)化處理前后參數(shù)情況。

表1 優(yōu)化處理前后參數(shù)情況

從表1中可以看出，本文提出的模糊可靠性優(yōu)化算法可以減輕采煤機質(zhì)量，升高所需參數(shù)值，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)。

5 總論

利用該算法構(gòu)建優(yōu)化模型，并制定了8個限定條件，選取某型號的螺旋鉆采煤機作為優(yōu)化對象，擬定6個優(yōu)化步驟，從優(yōu)化結(jié)果中可以看出，本文提出的優(yōu)化方案滿足優(yōu)化需求，可以在一定程度上提高采煤機運輸效率。

[1]蒿麗萍.多級行星輪系多目標(biāo)模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].機械傳動，2015（1）：87-91.

[2]王春燕，冀斌，付健巍.基于MATLAB的雙圓弧齒輪傳動模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].機械傳動，2016（4）：106-109.

[3]譚鑫，彭耀鵬，楊帥，等.基于SPEA2+SDE算法的測試用例自動生成技術(shù)研究[J].計算機科學(xué)，2015（b11）：450-453.