基于多目标优化的采矿机滚筒结构参数优化设计

王 静

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

基于多目标优化的采矿机滚筒结构参数优化设计

王 静

(榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000)

针对采矿机滚筒结构参数进行优化，以期提高其工作可靠性及工作效率。建立截割比能耗、载荷波动系数以及生产率和块煤率评价指标，并将其作为滚筒性能优化评价指标。使用MATLAB软件对多目标优化数学模型的求解过程进行优化。通过理论分析和虚拟样机仿真方法得知，当截割阻抗值较低时，优化前后滚筒性能优化评价指标相差不大。随着截割阻抗变大，优化后的滚筒性能优化评价指标相比传统滚筒的性能评价指标变得更优，说明优化后的滚筒，对采矿机的截割性能有很大的提升，能够较好的提升采矿机的生产率、块煤率，降低载荷波动系数和比能耗值。

采矿机；螺旋滚筒；结构参数优化；多目标优化；遗传算法

0 前 言

采矿机滚筒是采矿机的关键组成部分之一，其主要工作是截割煤岩。采矿机滚筒工作可靠性、截割煤岩性能及其力学特性直接影响采矿机工作可靠性及综采工作面出煤率等。因此针对采矿机滚筒结构参数优化，提高其工作可靠性及工作效率是采矿机及煤矿机械研究领域的热点研究问题之一[1-2]。

国内外学者多以理论计算或者试验的方法对影响滚筒截割性能的单因素进行分析，未对多种因素影响下反映滚筒截割性能的指标进行研究并对其进行多目标优化研究。本文针对采矿机滚筒结构参数进行优化，以期提高其工作可靠性及工作效率。

1 滚筒性能优化评价指标

1.1 采矿机生产率评价

煤矿企业最为关注的一项经济指标为采矿机的生效率。生产率指标表示为：

Q=kBLρv

(1)

式中：k为采矿机连续工作参数，通常为0.8左右。B为滚筒截深，mm。L为采矿机截割机构间距，mm。ρ为煤岩密度，kg/m3。v为采矿机牵引速度，m/min[3]。

1.2 截割比能耗评价

截割比能耗为煤矿企业较为关注的一项经济指标。截割比能耗评价模型描述为：

(2)

式中：b为截齿刃宽，mm；h为单个截齿的切削厚度，mm；k为煤岩条件参数；A为截割阻抗。截割比能耗与采矿机滚筒的结构参数有关。

1.3 采矿机块煤率评价

块煤率是评价方法表示为：

(3)

式中：n为采矿机滚筒转速，r/min；D为滚筒直径，mm；α为滚筒叶片螺旋升角，(°)；m为各截线上截齿个数。

1.4 载荷波动系数评价

使用载荷波动系数描述采矿机滚筒载荷波动程度。载荷波动系数评价表示为：

(4)

2 多目标优化数学模型的建立

2.1 确定优化设计变量

选取平均截线距、螺旋叶片升角，截齿截距为优化设计变量，确定优化设计变量：

X=[x1,x2,x3,x4]=[D,α,B,S]

(5)

2.2 建立优化目标函数

为了简化模型和方便求解，本文采用线性加权和法把滚筒结构参数多目标优化问题转化为滚筒结构参数单目标优化问题。为使得多目标进行规范化，令各个目标最优值的倒数作为目标函数的加权系数[5]：

(6)

2.3 建立约束条件

根据采矿机块煤率、生产率、滚筒截距以及滚筒载荷波动系数等要求和限制为采矿及添加约束条件，实现对滚筒筒毂直径、叶片螺旋升角、截深和节距等结构参数的约束和优化。

3 优化参数分析

根据上述建立的采矿机滚筒结构参数优化模型，使用MATLAB软件对其进行优化求解，得到了采矿机滚筒结构参数优化前后对比如表1所示。

表1 采矿机滚筒结构参数优化前后对比

4 优化前后滚筒特性仿真分析

使用ANSYS有限元仿真软件建立采矿机滚筒仿真模型，按照优化前后滚筒参数建立滚筒模型，并使用不同的滚筒模型与模拟煤壁相互作用。仿真得到优化前后滚筒受力情况。根据仿真数据进行统计分析，可以得到采矿机生产率、截割比能耗、块煤率以及载荷波动系数对比，如图1～2所示。

当截割阻抗值较低时，优化前后滚筒性能优化评价指标相差不大。随着截割阻抗变大，优化后的生产率平均提升21.5%，优化后的块煤率平均提升18.5%，优化后的滚筒比能耗值平均降低48.6%，优化后的载荷波动系数平均降低1.12%。

图1 生产率对比和截割比能耗对比

图2 块煤率对比和载荷波动系数对比

5 结 论

本文针对采矿机滚筒结构参数进行优化，以期提高其工作可靠性及工作效率。理论分析和虚拟样机仿真研究表明：优化后的滚筒性能优化评价指标相比传统滚筒的性能评价指标变得更优，优化后的滚筒，对采矿机的截割性能有很大的提升，能够较好的提升采矿机的生产率、块煤率，降低载荷波动系数和比能耗值。

[1] 秦健, 邓银舟, 江帆, 等. 基于绿色制造的新型机械制造工艺及装备技术研究[J]. 中国锰业, 2016,34(4): 129-131.

[2] 刘佳, 吴贤图, 杨少培, 等. 露天矿床“三率”指标影响因素及改善措施分析[J]. 中国锰业, 2015, 33(4): 54-56.

[3] 赵宏梅, 刘春生. 螺旋叶片倾斜布置的采矿机滚筒装煤效率[J]. 黑龙江科技学院学报, 2008, 18(6): 403-406.

[4] 刘送永, 杜长龙, 崔新霞, 等. 采矿机滚筒螺旋叶片结构参数研究[J]. 工程设计学报, 2008, 15(4): 290-294.

[5] 刘春生, 于信伟, 任昌玉. 滚筒式采矿机工作机构[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 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

榆林市科技计划项目(2014cxy-04-02)

王静(1983-)，女，陕西榆林人，讲师，研究方向：电气控制、PLC应用，手机：13991085656，E-mail：2008-ytt@163.com.

TD353

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.038