基于改進粒子群算法的采煤機螺旋滾筒的可靠性研究

付 強

（太原煤氣化股份有限公司嘉樂泉煤礦，山西 古交 030204）

引言

隨著綜采技術裝備水平的不斷提高，作為綜采作業重要裝備的采煤機得到了廣泛的應用，極大地提升了煤礦井下的綜采作業效率，同時由于煤礦井下的地質條件極端復雜，采煤機的截割滾筒在進行作業時所受到的截割阻力呈現無規則變化的特點，而且螺旋滾筒的結構特點又直接影響著采煤機的落煤效率，導致采煤機在進行綜采作業時螺旋滾筒受到極大的沖擊，結構損壞，因此如何對采煤機螺旋滾筒的結構進行優化，提升其工作時的穩定性和落煤效率，是煤炭生產企業迫切需要解決的難題。

1 采煤機剛柔耦合數學建模與仿真

本文以某型采煤機的螺旋滾筒為研究對象，跟據破煤理論原理[1]，對采煤機在工作時作用在螺旋滾筒上的力進行仿真分析，該采煤機工作時螺旋滾筒上截齒的截深為700 mm，其工作額定轉速為57 r/min，穩定運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螺旋機構的三維仿真模型，然后分別應用ADAMS仿真分析軟件及ANSYS仿真分析軟件，對工作時采煤機的螺旋滾筒在受不均勻載荷作用下的應力分布情況進行研究，則應力分布如圖2所示，其作用在螺旋滾筒上的應力節點分布曲線如圖3所示。

圖2 螺旋滾筒應力分布云圖

圖3 螺旋滾筒最大應力節點的應力變化曲線

由仿真分析結果可知，采煤機在截割作業時，其最大應力集中在第12條截割作用線的第24個截齒上面，其最大工作應力集中約為779.9 MPa。

2 采煤機的裝煤性能研究

為了研究采煤機螺旋滾筒對采煤機工作時的裝煤性能的影響，本文利用EDMD分析軟件[2]，構建采煤機裝煤結構分析模型（如下頁圖4所示），對采煤機在相同工作參數時的裝煤性能進行研究。

圖4 基于EDEM的裝煤仿真分析模型

由仿真分析結果可知，采煤機在進行裝煤時，實現正常裝煤的顆粒總數為8 963個，而未正常實現裝煤的顆粒數量達到了4 729個，此工況下的裝煤率約為65.5%，根據該型采煤機在井下的實際工作情況，其實際的裝煤效率約為66.4%，與仿真分析結果基本相符合，說明了該仿真分析結果的準確性。

3 采煤機螺旋滾筒可靠性優化設計

由以上分析可知，采煤機的螺旋滾筒工作時的應力集中大，裝煤效率低下，嚴重影響了煤礦井下綜采作業的順利進行，因此本文提出了一種基于改進粒子群算法[3]的采煤機螺旋滾筒的可靠性優化方案，改進粒子群算法的數學函數表達式可表示為：

式中：xm表示該目標函數去掉最小值時候的自變量數值，Sy則表示目標函數的最小值，@S表示待優化的評價函數。以采煤機的截割應力為優化研究對象[4]，對其結構參數進行分析。通過研究，該采煤機螺旋滾筒狀態函數的最優解為433.529，優化前后采煤機螺旋滾筒的設計變量如表1所示。

表1 螺旋滾筒的設計變量分布表

4 優化后采煤機螺旋滾筒性能分析

對優化后的采煤機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力分布情況進行仿真分析，其結果如圖5所示。

圖5 優化后螺旋滾筒的應力分布曲線

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

同時利用其他分析方案，對優化前后的采煤機的螺旋滾筒性能對比參數如表2所示。

表2 優化前后螺旋滾筒性能對比

由對比分析結果可知，優化前后采煤機工作時的滾筒應力集中降低了約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%，截割作業面積提升了約8 578 mm2，提升了約31.9%。

5 結論

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

2）優化前螺旋滾筒的裝煤率約為65.5%。

3）優化前后采煤機工作時的滾筒應力集中降低了約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%，截割作業面積提升了約8 578 mm2、31.9%。