基于SPEA算法的螺旋鉆采煤機可靠性優化

高永林

（山西鄉寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司， 山西 臨汾 042199）

引言

煤礦開采是我國一大重要經濟來源，如何降低成本，提高開采效率是促進該領域快速發展的主要研究內容[1]。由于螺旋鉆采煤機結構簡單，成本較低，得到了眾多煤礦開發企業的好評[2]。但是當前螺旋鉆采煤機參數設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性。

1 機械零件多目標模糊可靠性優化計算

零件從安全狀態過渡到失效狀態的中間過渡過程，可以把零件所處的安全狀態看做一個模糊事件K，可用功能函數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進行設計，得到模糊極限狀態設計表達式 W=q（k）=q（p≥0）。在此基礎上，本文將提出機械零件模糊可靠度計算公式：

2 優化模型的構建

螺旋鉆采煤機使用螺旋葉片推行煤塊前進，從而完成煤塊的發送和傳輸任務。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生摩擦，對螺旋葉片的旋轉造成阻礙，降低其旋轉速度。除此之外，煤塊自身也有一定重力，同樣對旋轉速度造成了影響[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為葉片數量，片；d為螺桿直徑，mm。

圖1 采煤機螺桿內部結構圖

2.1 輸煤生產率

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

圖2 煤顆粒運行速度分析圖

那么該機構傳輸煤對應的生產效率計算公式為

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

2.2 傳輸機構質量

完成輸煤生產率的計算以后，本文對傳輸結構的質量進行計算，公式如下：

在式（5）中，ρ為螺旋鉆桿材料密度。

2.3 輸送機構消耗的能量

該機構傳輸煤塊需要的支撐功率大小為：

在式（6）中，g1為電動機對應的安全系數。

2.4 可靠性優化數據模型的構建

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

在理想狀態下來構建多目標最優方程，完成采煤機參數計算

在上述公式中，gj（x*）為第j個分目標函數組建的單目標問題對應的最優解。

3 約束條件的設置

對于采煤機可靠性優化研究，本文設計的約束條件分別為剛度約束、功率約束、轉速約束、扭矩強度約束、葉片厚度約束、葉片內徑約束、葉片升角約束、葉片導程約束條件。

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

設置額定功率值為N0，采煤機運行期間要求滿足負載啟動條件，該條件為功率低于額定功率值，對應的公式如下：

3.3 轉速約束條件

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，將其拋過采空區域，其工作轉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，該范圍可以根據葉片強度來計算，最終的限定范圍是δmin≤δ≤δmax。

3.6 葉片內徑約束條件

該項約束用于防止過多循環煤量或者堵塞，對葉片外緣直徑和其內徑的比例進行限制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，設置的范圍為：23°≤α≤35°。

3.8 葉片導程約束條件

該項約束條件的設置為煤塊傳輸爭取更大空間，兩個葉片之間的距離應滿足條件

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化對象，利用SPEA算法完成多目標函數優化，主要參數：φ=30°，n=60 r/min，L=1.2 m，D=0.625 m，kc=0.3～0.5。

4.2 優化步驟

第一步：初始化種群，創造外部非支配集合，并復制其中成員p'；

第二步：移除p'其他成員；

第三步：判斷p'數量，如果超出最大值，則刪除p'的解；

第四步：計算個體適應函數值；

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，滿足條件立刻停止。

4.3 優化結果與分析

如表1所示為優化處理前后參數情況。

表1 優化處理前后參數情況

從表1中可以看出，本文提出的模糊可靠性優化算法可以減輕采煤機質量，升高所需參數值，能夠實現預期優化目標。

5 總論

利用該算法構建優化模型，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化對象，擬定6個優化步驟，從優化結果中可以看出，本文提出的優化方案滿足優化需求，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模糊可靠性優化設計[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化設計[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研究[J].計算機科學，2015（b11）：450-453.