采煤機螺旋滾筒振動可靠性分析

趙麗娟 范佳藝 羅貴恒 聞首杰

摘要：為研究某型采煤機螺旋滾筒振動可靠性，根據實際工況模擬螺旋滾筒的瞬時沖擊載荷，建立螺旋滾筒的有限元模型，對其進行振動模態分析，識別出主要模態參數和振型規律，發現截齒部位振動變形明顯;建立了螺旋滾筒共振失效準則，結合可靠性靈敏度分析理論和BP神經網絡，得到了滾筒結構參數，振動可靠性靈敏度，分析結構參數對振動可靠性的影響。結果表明，螺旋滾筒振動可靠度為0.999549。基于共振失效準則，將協同仿真技術與BP神經網絡和可靠性靈敏度分析理論相結合，為采煤機螺旋滾筒的振動特性分析與結構設計提供理論方法和數據支撐。

關鍵詞：螺旋滾筒;共振失效;可靠性;靈敏度;神經網絡

中圖分類號：TD421;TB114.33 文獻標志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）01-0082-06

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

引言

螺旋滾筒是采煤機的工作機構，承擔著落煤和裝煤兩大任務，賦存條件復雜工況下的采煤機環境惡劣，其螺旋滾筒所受載荷具有非線性、時變性和強耦合性等特點，會產生強烈的振動和較大的變形，導致采煤機系統的過載和薄弱環節的損壞，降低采煤機工作的可靠性。近年針對采煤機螺旋滾筒的振動特性的研究有：郭會珍通過Ansys-Dyna分析采煤機牽引速度和螺旋滾筒轉速對截割系統測試點的位移響應和加速度響應，發現較小的牽引速度和較大的滾筒轉速有利于降低截割系統振動。陳洪月等結合workberich有限元分析軟件和數值分析方法，求解斜切工況下采煤機各部分的振動位移曲線，比較采煤機前、后滾筒受到的載荷沖擊，結果顯示前滾筒振動劇烈，載荷沖擊較大。辛紅寶等借助有限元分析軟件，分析了螺旋滾筒端盤部分不同截齒排列方式對其固有頻率和模態振型的影響，得到了最佳的截齒排列方式，降低了螺旋滾筒的振動。楊琳琳等利用非線性振動理論，分析了截割轉速對采煤機螺旋滾筒振動的影響。

螺旋滾筒作為采煤機的工作機構，其振動可靠性對于整機的動態可靠性和工作性能都有影響。以往的研究僅分析了螺旋滾筒的振動特性，而沒有從可靠性的角度來開展，更沒有研究螺旋滾筒自身結構對其振動可靠性的影響。采煤機螺旋滾筒結構復雜、工況惡劣，基于共振失效準則，將協同仿真技術與BP神經網絡和可靠性靈敏度分析理論相結合，得到采煤機螺旋滾筒振動可靠度，分析其結構參數對振動可靠性的影響，可為螺旋滾筒的振動特性研究及其結構參數的優化設計提供重要數據支撐。

1載荷數值模擬

1.1截齒受力分析理論基礎

根據采煤機破煤理論，螺旋滾筒在截入煤壁時，截齒會受到側向力Xj、牽引阻力yj和截割阻力Zj，還受到作用在螺旋葉片上的裝煤反力Rs，其受力分析如圖1所示。

1.2基于實際工況的載荷數值模擬

以鄂爾多斯文玉煤礦V-1工作面賦存條件為原型，利用項目組基于采煤機破煤理論和Matlab軟件開發的“載荷計算程序”計算得到煤的堅固性系數為2.0，螺旋滾筒轉速和采煤機牽引速度分別為58r/min，10m/min工況下螺旋滾筒載荷歷程曲線如圖2所示。

2螺旋滾筒模態特性分析

2.1螺旋滾筒有限元模型的建立

利用Pro/E建立螺旋滾筒的參數化三維實體模型，在Ansys Workbench中賦予螺旋滾筒材料屬性并對其進行網格劃分，對螺旋滾筒施加約束及載荷，螺旋滾筒有限元模型如圖3所示。

結合表1和2可知，螺旋滾筒1-20階固有頻率變化范圍為544.52-1198.21Hz，最大、最小變形量分別為12.3和3.3mm，螺旋滾筒各階模態振型存在相似規律，其中第18階模態振型如圖4所示。

由圖4可觀察到，變形主要集中在截齒部位，齒尖部分振動強烈變形最大，葉片與筒轂相連接處變形量小、振動平穩。強烈的振動變形會導致截齒磨損和脫落，影響螺旋滾筒截割效率;葉片發生嚴重變形將導致裝煤率下降、磨損加劇，嚴重影響采煤機的工作性能。

3螺旋滾筒共振可靠性研究

為判斷基于實際工況的螺旋滾筒是否會發生共振失效，對其進行振動可靠性分析。根據可靠性分析的干涉理論，隨機動態結構失效的狀態函數為。

對螺旋滾筒質心受到的瞬時負載曲線（圖2）進行傅里葉變換，變換后的外部載荷的優勢頻率主要集中在0-5Hz頻段。根據式（6）-（13）得到螺旋滾筒振動可靠度為：R=0.999549。采煤機螺旋滾筒共振可靠性分析結果為螺旋滾筒共振可靠性靈敏度分析提供了理論基礎和準確的數據支撐。

4基于神經網絡的螺旋滾筒共振可靠性靈敏度分析

為研究采煤機螺旋滾筒結構參數對其共振可靠性的貢獻程度，需要進行靈敏度分析。結構系統可靠度R對隨機變量的均值和方差的可靠性靈敏度分別為：

5結論

（1）根據采煤工作面賦存條件，利用項目組開發的“載荷計算程序”模擬螺旋滾筒瞬時負載，基于多領域協同仿真技術分析螺旋滾筒的振動特性，得到其模態頻率，發現變形主要集中在截齒部位，齒尖部分振動強烈，變形最大，為螺旋滾筒共振可靠性分析提供數據支撐。

（2）基于可靠性分析干涉理論，依據共振失效準則對螺旋滾筒進行共振可靠性分析，得到螺旋滾筒振動可靠度為0.999549。

（3）結合BP神經網絡和可靠性靈敏度分析理論，分析螺旋滾筒結構參數對其振動可靠性的影響，神經網絡模型經過126步迭代訓練后，訓練樣本誤差達到1×10^-6，滾筒直徑D對螺旋滾筒振動可靠性的影響最大，筒轂直徑Dtg對螺旋滾筒振動可靠性的影響最小。依據螺旋滾筒共振可靠性靈敏度分析結果，在螺旋滾筒設計中，保證螺旋滾筒生產要求的同時，應嚴格控制各結構參數，避免螺旋滾筒發生共振失效而影響整機動態可靠性和工作性能。