張洪清，韓振國(guó)，馬傳斌，王國(guó)徽，王 斌，孫安磊，謝 苗，蔣澤旭，吳 霞

(1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400；2.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司靈露煤礦，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400；3.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司鐵北礦，內(nèi)蒙古 滿洲里 021400；4.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

近幾年我國(guó)煤炭開采智能化發(fā)展速度逐步加快，綜掘工作面的無人化發(fā)展研究也在相應(yīng)展開。而隨著生產(chǎn)需求對(duì)掘進(jìn)效率、掘進(jìn)安全的要求的逐漸提升，如何通過現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)效率提升的同時(shí)降低研究成本和保障研究結(jié)果可靠成為未來的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。國(guó)外專家學(xué)者主要針對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化問題展開了談?wù)摚瑢?duì)粉塵量及生產(chǎn)率的影響歸結(jié)為采煤機(jī)截割深度和滾筒轉(zhuǎn)速，鮮有研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化問題[4-6]。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者在基于截割性能的采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)截割部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面的研究成果較為豐富[7，8]，但是針對(duì)截割部運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化仍有較大研究空間。部分學(xué)者在研究截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化問題時(shí)，忽略了待截割斷面的組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，在截割較硬煤巖和軟巖時(shí)截割部性能在不同方面表現(xiàn)出較大差異[9-11]。因此，本文考慮不同截割工況對(duì)截割性能的影響不同，利用線性加權(quán)法對(duì)夾矸煤巖和普通煤巖截割過程的截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)際截割過程中干擾項(xiàng)較多，因此本文擬使用仿真實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 截割性能指標(biāo)

1.1 截割載荷

煤是一種非均質(zhì)性材料，煤的破碎過程是一個(gè)不確定性過程。鎬齒通過截齒以一定角度和速度楔入煤巖，當(dāng)鎬齒截割煤巖時(shí)齒尖接觸煤巖產(chǎn)生的壓力超過一定值，煤巖產(chǎn)生破碎，并且破碎的面積會(huì)隨著鎬齒楔入逐漸增大[12，13]。

圖1 截齒破巖過程

單個(gè)截齒截割力模型：

σ=0.4σc+5.65σt

(2)

式中，F(xiàn)ci為無截槽影響時(shí)最大截割力，N；σc和σt分別為煤巖抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，MPa；φ為截齒錐角，(°)；γa為截割角，(°)；φr為煤巖與截齒之間的摩擦角，(°)；hi為截齒截割厚度，mm。

式中，v為截齒齒尖處擺動(dòng)速度，m/min；m為同一條截線上的截齒數(shù)；n為截割頭轉(zhuǎn)速，r/min；φi為截齒的位置角，rad。

法向力可用下式計(jì)算：

式中，φr為煤巖內(nèi)摩擦角：

式中，c為煤巖煤巖內(nèi)聚力。

擺動(dòng)截割時(shí)，縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭上第i個(gè)截齒的三個(gè)方向分力分別為：

式中，F(xiàn)ni為單個(gè)截齒的法向阻力，N；εti為截齒的歪角，(°)。

圖2 截齒受力分析

截齒受力分析如圖2所示，擺動(dòng)截割時(shí)，截割頭處于某一位置時(shí)的三向力Ra、Rb、Rc，和截割頭轉(zhuǎn)矩Mc由下式計(jì)算：

式中，nt為處于截割區(qū)的截齒數(shù)；ri為齒尖所在截面半徑，m。

通過截齒力的數(shù)學(xué)模型分析，主要影響截割性能的參數(shù)是Fb和截割力矩Mc，截割力變化和截割力矩變化如圖3、圖4所示。

圖3 截割力變化趨勢(shì)

圖4 截割力矩變化趨勢(shì)

1.2 截割比能耗

截割比能耗即為截割頭截割一定體積的煤巖體所消耗的能量，此參數(shù)是反應(yīng)截割性能的重要參數(shù)：

式中：Hω為截割比能耗，MJ/m3；D為截割頭平均直徑，m；n為截割頭轉(zhuǎn)速，r/min；M0為減速器輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；μ*為煤巖松散系數(shù)；A為截割頭斷面面積，m2；L為參與截割的截割頭體長(zhǎng)度，m。

比能耗變化趨勢(shì)如圖5所示，從圖5可看出，隨截割頭轉(zhuǎn)速增大截割比能耗上升速度逐漸加快，這一變化規(guī)律可為優(yōu)化過程提供驗(yàn)證參考。

圖5 比能耗變化趨勢(shì)

1.3 截割頭理論生產(chǎn)率

截割頭生產(chǎn)率是指單位時(shí)間內(nèi)截割頭截割出的煤巖的總量，能夠直接反映截割頭的生產(chǎn)效率，是衡量截割頭截割性能的最直接的因素，理論生產(chǎn)率與截割頭轉(zhuǎn)速無關(guān)[14-16]。生產(chǎn)率變化趨勢(shì)如圖6所示。

Qt=60μ*ALv

(9)

式中，Qt為截割頭理論生產(chǎn)率，m3/h。

圖6 生產(chǎn)率變化趨勢(shì)

1.4 截割產(chǎn)塵率

截割產(chǎn)塵率Qd為：

產(chǎn)塵量變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 產(chǎn)塵量變化趨勢(shì)

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

1)設(shè)計(jì)變量。選擇截割頭運(yùn)動(dòng)參數(shù)：轉(zhuǎn)速n，擺速v等參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，即：

(11)

2)約束條件。為了減少計(jì)算量，根據(jù)事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行約束。

3)目標(biāo)函數(shù)。通過對(duì)截割部的仿真以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，截割頭產(chǎn)生的截割力越小、截割轉(zhuǎn)矩越小、截割比能耗、理論生產(chǎn)率和產(chǎn)塵量最大為目標(biāo)建立函數(shù)模型[17-19]。

運(yùn)用fgoalattain優(yōu)化函數(shù)求解不同工況的截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)[20]?？紤]實(shí)際和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，正常煤層和夾矸煤層截割載荷、截割轉(zhuǎn)矩、截割比能耗、生產(chǎn)率和產(chǎn)塵量的目標(biāo)向量通過求解單個(gè)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解得到，分別為[60.44，152.13，0.8054，-149，10]和[121.32，517.73，0.5981，-125，10]，權(quán)重系數(shù)分別為[0.1，0.1，0.5，0.2，0.1]和[0.2，0.2，0.1，0.45，0.05]。

3 截割仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化后參數(shù)的有效性，建立該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)截割三維模型，在仿真軟件EDEM中對(duì)優(yōu)化前后的夾矸煤層的截割過程進(jìn)行仿真試驗(yàn)。夾矸煤層優(yōu)化前后截割頭運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表1。優(yōu)化前后截割部受力情況如圖8所示。

表1 夾矸煤層優(yōu)化前后截割頭運(yùn)動(dòng)參數(shù)及性能

優(yōu)化前后截割力對(duì)比如圖9所示，優(yōu)化前后生產(chǎn)率對(duì)比如圖10所示。通過仿真結(jié)果獲取截割過程中截割頭的各向載荷、負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及截落顆粒的數(shù)量，用顆粒數(shù)量的總和表征生產(chǎn)率。從圖9、10可知，優(yōu)化后截割部的截割力更大，可以有效提高截割效率，同時(shí)生產(chǎn)率也得到提高。從表1也可以看出，經(jīng)過優(yōu)化以后的截割部運(yùn)動(dòng)參數(shù)更為合理，各方面性能參數(shù)達(dá)到綜合最優(yōu)。

圖8 截割部受力情況

圖9 優(yōu)化前后截割力對(duì)比

圖10 優(yōu)化前后生產(chǎn)率

4 結(jié) 語

為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)高性能截割、高效率生產(chǎn)和保證良好的截割環(huán)境，本研究通過分析截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割性能的影響趨勢(shì)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和經(jīng)驗(yàn)得出MATLAB的多目標(biāo)優(yōu)化算法中各目標(biāo)權(quán)重系數(shù)。通過EDEM軟件對(duì)優(yōu)化前后的運(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生的截割效果進(jìn)行驗(yàn)證，可以明顯看出，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化匹配之后，截割頭的截割能力增強(qiáng)了10%～70%，截割比能耗降低了5.5%～37.4%，生產(chǎn)率提升了14.4%～45.59%，產(chǎn)塵量降低了4.2%～13.4%。由于實(shí)際條件總是復(fù)雜且影響因子等參數(shù)難以測(cè)得，因此本文提出的多目標(biāo)優(yōu)化方法和各系數(shù)的選取與實(shí)際結(jié)果可能產(chǎn)生輕微的偏差，但對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化以及智能化掘進(jìn)具備較好的研究?jī)r(jià)值。