基于SPEA算法的螺旋钻采煤机可靠性优化

高永林

（山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司， 山西 临汾 042199）

引言

煤矿开采是我国一大重要经济来源，如何降低成本，提高开采效率是促进该领域快速发展的主要研究内容[1]。由于螺旋钻采煤机结构简单，成本较低，得到了众多煤矿开发企业的好评[2]。但是当前螺旋钻采煤机参数设置还存在不合理之处，本文将采用SPEA算法展开研究，试图提高该机器的工况适应性。

1 机械零件多目标模糊可靠性优化计算

零件从安全状态过渡到失效状态的中间过渡过程，可以把零件所处的安全状态看做一个模糊事件K，可用功能函数p对K的隶属度UA（P）来描述模糊事件K，即：

零件的可靠性按P=f（x）≥0进行设计，得到模糊极限状态设计表达式 W=q（k）=q（p≥0）。在此基础上，本文将提出机械零件模糊可靠度计算公式：

2 优化模型的构建

螺旋钻采煤机使用螺旋叶片推行煤块前进，从而完成煤块的发送和传输任务。由于各煤块之间具有粘附力，并且在传输过程中，煤块壁与螺旋叶片之间产生摩擦，对螺旋叶片的旋转造成阻碍，降低其旋转速度。除此之外，煤块自身也有一定重力，同样对旋转速度造成了影响[3]。最终，叶片运行被描述为挤压式直线，如图1所示。

在图1中：L为螺旋叶片导程，mm；α为螺旋升角，（°）；D为最大叶片直径，mm；δ为叶片厚度，mm；m为叶片数量，片；d为螺杆直径，mm。

图1 采煤机螺杆内部结构图

2.1 输煤生产率

如图2所示为位于螺旋面上的煤颗粒运行速度分析图。在该图基础上，结合图1可以得到采煤机传输机构的装载面积最大值计算公式：

图2 煤颗粒运行速度分析图

那么该机构传输煤对应的生产效率计算公式为

在式（4）中：n为螺旋钻杆的旋转速度；φ为螺旋面应煤块的作用产生的摩擦角；kc为煤流对应的填充系数。

2.2 传输机构质量

完成输煤生产率的计算以后，本文对传输结构的质量进行计算，公式如下：

在式（5）中，ρ为螺旋钻杆材料密度。

2.3 输送机构消耗的能量

该机构传输煤块需要的支撑功率大小为：

在式（6）中，g1为电动机对应的安全系数。

2.4 可靠性优化数据模型的构建

利用式（4）、式（5）、式（6）对影响采煤机运造成影响的参数进行分析可知，对其运行造成影响的参数主要有11个，本次研究从汇中选取6个进行研究，将其作为变量，则可以将优化变量X用以下公式来表示：

在理想状态下来构建多目标最优方程，完成采煤机参数计算

在上述公式中，gj（x*）为第j个分目标函数组建的单目标问题对应的最优解。

3 约束条件的设置

对于采煤机可靠性优化研究，本文设计的约束条件分别为刚度约束、功率约束、转速约束、扭矩强度约束、叶片厚度约束、叶片内径约束、叶片升角约束、叶片导程约束条件。

3.1 刚度约束条件

该约束条件指的是采煤机扰度范围设置，即gmax≤[g]，gmax的计算公式为：

本次研究[g]的取值范围为[g]≤0.0001×mL。

3.2 功率约束条件

设置额定功率值为N0，采煤机运行期间要求满足负载启动条件，该条件为功率低于额定功率值，对应的公式如下：

3.3 转速约束条件

为了保证螺旋滚筒在整个传输过程中的顺畅性，将采集到的煤块装入传送机以后，将其抛过采空区域，其工作转速计算必须满足以下条件n1≤n≤n2。

3.4 扭矩强度约束条件

对于螺旋传输机空心轴来说，在机器运行期间受到的最大力必须低于极限应力，即需要满足条件τmax≤[τ]。

3.5 叶片厚度约束条件

该项约束条件指的叶片厚度边界值的限定，该范围可以根据叶片强度来计算，最终的限定范围是δmin≤δ≤δmax。

3.6 叶片内径约束条件

该项约束用于防止过多循环煤量或者堵塞，对叶片外缘直径和其内径的比例进行限制0.3D≤d≤0.4D。

3.7 叶片升角约束条件

该约束条件指的是对装煤效果造成影响的因素，设置的范围为：23°≤α≤35°。

3.8 叶片导程约束条件

该项约束条件的设置为煤块传输争取更大空间，两个叶片之间的距离应满足条件

4 案例分析

4.1 案例简介

本次研究选取某一种型号的螺旋钻采煤机作为优化对象，利用SPEA算法完成多目标函数优化，主要参数：φ=30°，n=60 r/min，L=1.2 m，D=0.625 m，kc=0.3～0.5。

4.2 优化步骤

第一步：初始化种群，创造外部非支配集合，并复制其中成员p'；

第二步：移除p'其他成员；

第三步：判断p'数量，如果超出最大值，则删除p'的解；

第四步：计算个体适应函数值；

第五步：选取个体丢入交配池中；

第六步：判断是否达到最大代数，满足条件立刻停止。

4.3 优化结果与分析

如表1所示为优化处理前后参数情况。

表1 优化处理前后参数情况

从表1中可以看出，本文提出的模糊可靠性优化算法可以减轻采煤机质量，升高所需参数值，能够实现预期优化目标。

5 总论

利用该算法构建优化模型，并制定了8个限定条件，选取某型号的螺旋钻采煤机作为优化对象，拟定6个优化步骤，从优化结果中可以看出，本文提出的优化方案满足优化需求，可以在一定程度上提高采煤机运输效率。

[1]蒿丽萍.多级行星轮系多目标模糊可靠性优化设计[J].机械传动，2015（1）：87-91.

[2]王春燕，冀斌，付健巍.基于MATLAB的双圆弧齿轮传动模糊可靠性优化设计[J].机械传动，2016（4）：106-109.

[3]谭鑫，彭耀鹏，杨帅，等.基于SPEA2+SDE算法的测试用例自动生成技术研究[J].计算机科学，2015（b11）：450-453.