基于改進(jìn)粒子群算法的采煤機(jī)螺旋滾筒的可靠性研究

付 強(qiáng)

（太原煤氣化股份有限公司嘉樂泉煤礦，山西 古交 030204）

引言

隨著綜采技術(shù)裝備水平的不斷提高，作為綜采作業(yè)重要裝備的采煤機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了煤礦井下的綜采作業(yè)效率，同時由于煤礦井下的地質(zhì)條件極端復(fù)雜，采煤機(jī)的截割滾筒在進(jìn)行作業(yè)時所受到的截割阻力呈現(xiàn)無規(guī)則變化的特點(diǎn)，而且螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又直接影響著采煤機(jī)的落煤效率，導(dǎo)致采煤機(jī)在進(jìn)行綜采作業(yè)時螺旋滾筒受到極大的沖擊，結(jié)構(gòu)損壞，因此如何對采煤機(jī)螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升其工作時的穩(wěn)定性和落煤效率，是煤炭生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的難題。

1 采煤機(jī)剛?cè)狁詈蠑?shù)學(xué)建模與仿真

本文以某型采煤機(jī)的螺旋滾筒為研究對象，跟據(jù)破煤理論原理[1]，對采煤機(jī)在工作時作用在螺旋滾筒上的力進(jìn)行仿真分析，該采煤機(jī)工作時螺旋滾筒上截齒的截深為700 mm，其工作額定轉(zhuǎn)速為57 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行時的牽引速度約為11 m/min，其工作時作用在螺旋滾筒上的載荷分布曲線如圖1所示。

圖1 螺旋滾筒工作時的載荷分布曲線

首先利用三維建模軟件建立采煤機(jī)螺旋機(jī)構(gòu)的三維仿真模型，然后分別應(yīng)用ADAMS仿真分析軟件及ANSYS仿真分析軟件，對工作時采煤機(jī)的螺旋滾筒在受不均勻載荷作用下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，則應(yīng)力分布如圖2所示，其作用在螺旋滾筒上的應(yīng)力節(jié)點(diǎn)分布曲線如圖3所示。

圖2 螺旋滾筒應(yīng)力分布云圖

圖3 螺旋滾筒最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線

由仿真分析結(jié)果可知，采煤機(jī)在截割作業(yè)時，其最大應(yīng)力集中在第12條截割作用線的第24個截齒上面，其最大工作應(yīng)力集中約為779.9 MPa。

2 采煤機(jī)的裝煤性能研究

為了研究采煤機(jī)螺旋滾筒對采煤機(jī)工作時的裝煤性能的影響，本文利用EDMD分析軟件[2]，構(gòu)建采煤機(jī)裝煤結(jié)構(gòu)分析模型（如下頁圖4所示），對采煤機(jī)在相同工作參數(shù)時的裝煤性能進(jìn)行研究。

圖4 基于EDEM的裝煤仿真分析模型

由仿真分析結(jié)果可知，采煤機(jī)在進(jìn)行裝煤時，實(shí)現(xiàn)正常裝煤的顆粒總數(shù)為8 963個，而未正常實(shí)現(xiàn)裝煤的顆粒數(shù)量達(dá)到了4 729個，此工況下的裝煤率約為65.5%，根據(jù)該型采煤機(jī)在井下的實(shí)際工作情況，其實(shí)際的裝煤效率約為66.4%，與仿真分析結(jié)果基本相符合，說明了該仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 采煤機(jī)螺旋滾筒可靠性優(yōu)化設(shè)計

由以上分析可知，采煤機(jī)的螺旋滾筒工作時的應(yīng)力集中大，裝煤效率低下，嚴(yán)重影響了煤礦井下綜采作業(yè)的順利進(jìn)行，因此本文提出了一種基于改進(jìn)粒子群算法[3]的采煤機(jī)螺旋滾筒的可靠性優(yōu)化方案，改進(jìn)粒子群算法的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式可表示為：

式中：xm表示該目標(biāo)函數(shù)去掉最小值時候的自變量數(shù)值，Sy則表示目標(biāo)函數(shù)的最小值，@S表示待優(yōu)化的評價函數(shù)。以采煤機(jī)的截割應(yīng)力為優(yōu)化研究對象[4]，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。通過研究，該采煤機(jī)螺旋滾筒狀態(tài)函數(shù)的最優(yōu)解為433.529，優(yōu)化前后采煤機(jī)螺旋滾筒的設(shè)計變量如表1所示。

表1 螺旋滾筒的設(shè)計變量分布表

4 優(yōu)化后采煤機(jī)螺旋滾筒性能分析

對優(yōu)化后的采煤機(jī)的螺旋滾筒施加相同的載荷分布曲線，利用仿真分析軟件對其工作時螺旋滾筒的應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后螺旋滾筒的應(yīng)力分布曲線

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化后煤機(jī)在截割作業(yè)時，其最大應(yīng)力集中在第10條截割作用線的第22個截齒上面，其最大工作應(yīng)力集中約為735.8 MPa，應(yīng)力集中情況比優(yōu)化前降低了約5.6%。應(yīng)力集中的情況得到了有效的緩解。

同時利用其他分析方案，對優(yōu)化前后的采煤機(jī)的螺旋滾筒性能對比參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化前后螺旋滾筒性能對比

由對比分析結(jié)果可知，優(yōu)化前后采煤機(jī)工作時的滾筒應(yīng)力集中降低了約5.6%，其裝煤率提升了約1.8%，工作時的截割功率降低了約3.5%，截割作業(yè)面積提升了約8 578 mm2，提升了約31.9%。

5 結(jié)論

1）采煤機(jī)在截割作業(yè)時，其最大應(yīng)力集中在第12條截割作用線的第24個截齒上面，其最大工作應(yīng)力集中約為779.9 MPa。

2）優(yōu)化前螺旋滾筒的裝煤率約為65.5%。

3）優(yōu)化前后采煤機(jī)工作時的滾筒應(yīng)力集中降低了約5.6%，其裝煤率提升了約1.8%，工作時的截割功率降低了約3.5%，截割作業(yè)面積提升了約8 578 mm2、31.9%。