采煤机螺旋滚筒振动可靠性分析

赵丽娟 范佳艺 罗贵恒 闻首杰

摘要：为研究某型采煤机螺旋滚筒振动可靠性，根据实际工况模拟螺旋滚筒的瞬时冲击载荷，建立螺旋滚筒的有限元模型，对其进行振动模态分析，识别出主要模态参数和振型规律，发现截齿部位振动变形明显;建立了螺旋滚筒共振失效准则，结合可靠性灵敏度分析理论和BP神经网络，得到了滚筒结构参数，振动可靠性灵敏度，分析结构参数对振动可靠性的影响。结果表明，螺旋滚筒振动可靠度为0.999549。基于共振失效准则，将协同仿真技术与BP神经网络和可靠性灵敏度分析理论相结合，为采煤机螺旋滚筒的振动特性分析与结构设计提供理论方法和数据支撑。

关键词：螺旋滚筒;共振失效;可靠性;灵敏度;神经网络

中图分类号：TD421;TB114.33 文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）01-0082-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.01.009

引言

螺旋滾筒是采煤机的工作机构，承担着落煤和装煤两大任务，赋存条件复杂工况下的采煤机环境恶劣，其螺旋滚筒所受载荷具有非线性、时变性和强耦合性等特点，会产生强烈的振动和较大的变形，导致采煤机系统的过载和薄弱环节的损坏，降低采煤机工作的可靠性。近年针对采煤机螺旋滚筒的振动特性的研究有：郭会珍通过Ansys-Dyna分析采煤机牵引速度和螺旋滚筒转速对截割系统测试点的位移响应和加速度响应，发现较小的牵引速度和较大的滚筒转速有利于降低截割系统振动。陈洪月等结合workberich有限元分析软件和数值分析方法，求解斜切工况下采煤机各部分的振动位移曲线，比较采煤机前、后滚筒受到的载荷冲击，结果显示前滚筒振动剧烈，载荷冲击较大。辛红宝等借助有限元分析软件，分析了螺旋滚筒端盘部分不同截齿排列方式对其固有频率和模态振型的影响，得到了最佳的截齿排列方式，降低了螺旋滚筒的振动。杨琳琳等利用非线性振动理论，分析了截割转速对采煤机螺旋滚筒振动的影响。

螺旋滚筒作为采煤机的工作机构，其振动可靠性对于整机的动态可靠性和工作性能都有影响。以往的研究仅分析了螺旋滚筒的振动特性，而没有从可靠性的角度来开展，更没有研究螺旋滚筒自身结构对其振动可靠性的影响。采煤机螺旋滚筒结构复杂、工况恶劣，基于共振失效准则，将协同仿真技术与BP神经网络和可靠性灵敏度分析理论相结合，得到采煤机螺旋滚筒振动可靠度，分析其结构参数对振动可靠性的影响，可为螺旋滚筒的振动特性研究及其结构参数的优化设计提供重要数据支撑。

1载荷数值模拟

1.1截齿受力分析理论基础

根据采煤机破煤理论，螺旋滚筒在截入煤壁时，截齿会受到侧向力Xj、牵引阻力yj和截割阻力Zj，还受到作用在螺旋叶片上的装煤反力Rs，其受力分析如图1所示。

1.2基于实际工况的载荷数值模拟

以鄂尔多斯文玉煤矿V-1工作面赋存条件为原型，利用项目组基于采煤机破煤理论和Matlab软件开发的“载荷计算程序”计算得到煤的坚固性系数为2.0，螺旋滚筒转速和采煤机牵引速度分别为58r/min，10m/min工况下螺旋滚筒载荷历程曲线如图2所示。

2螺旋滚筒模态特性分析

2.1螺旋滚筒有限元模型的建立

利用Pro/E建立螺旋滚筒的参数化三维实体模型，在Ansys Workbench中赋予螺旋滚筒材料属性并对其进行网格划分，对螺旋滚筒施加约束及载荷，螺旋滚筒有限元模型如图3所示。

结合表1和2可知，螺旋滚筒1-20阶固有频率变化范围为544.52-1198.21Hz，最大、最小变形量分别为12.3和3.3mm，螺旋滚筒各阶模态振型存在相似规律，其中第18阶模态振型如图4所示。

由图4可观察到，变形主要集中在截齿部位，齿尖部分振动强烈变形最大，叶片与筒毂相连接处变形量小、振动平稳。强烈的振动变形会导致截齿磨损和脱落，影响螺旋滚筒截割效率;叶片发生严重变形将导致装煤率下降、磨损加剧，严重影响采煤机的工作性能。

3螺旋滚筒共振可靠性研究

为判断基于实际工况的螺旋滚筒是否会发生共振失效，对其进行振动可靠性分析。根据可靠性分析的干涉理论，随机动态结构失效的状态函数为。

对螺旋滚筒质心受到的瞬时负载曲线（图2）进行傅里叶变换，变换后的外部载荷的优势频率主要集中在0-5Hz频段。根据式（6）-（13）得到螺旋滚筒振动可靠度为：R=0.999549。采煤机螺旋滚筒共振可靠性分析结果为螺旋滚筒共振可靠性灵敏度分析提供了理论基础和准确的数据支撑。

4基于神经网络的螺旋滚筒共振可靠性灵敏度分析

为研究采煤机螺旋滚筒结构参数对其共振可靠性的贡献程度，需要进行灵敏度分析。结构系统可靠度R对随机变量的均值和方差的可靠性灵敏度分别为：

5结论

（1）根据采煤工作面赋存条件，利用项目组开发的“载荷计算程序”模拟螺旋滚筒瞬时负载，基于多领域协同仿真技术分析螺旋滚筒的振动特性，得到其模态频率，发现变形主要集中在截齿部位，齿尖部分振动强烈，变形最大，为螺旋滚筒共振可靠性分析提供数据支撑。

（2）基于可靠性分析干涉理论，依据共振失效准则对螺旋滚筒进行共振可靠性分析，得到螺旋滚筒振动可靠度为0.999549。

（3）结合BP神经网络和可靠性灵敏度分析理论，分析螺旋滚筒结构参数对其振动可靠性的影响，神经网络模型经过126步迭代训练后，训练样本误差达到1×10^-6，滚筒直径D对螺旋滚筒振动可靠性的影响最大，筒毂直径Dtg对螺旋滚筒振动可靠性的影响最小。依据螺旋滚筒共振可靠性灵敏度分析结果，在螺旋滚筒设计中，保证螺旋滚筒生产要求的同时，应严格控制各结构参数，避免螺旋滚筒发生共振失效而影响整机动态可靠性和工作性能。