MG400/951-WD型采煤機(jī)螺旋滾筒可靠性靈敏度優(yōu)化設(shè)計

李明昊，趙麗娟，喬 捷

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧省大型工礦裝備重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

螺旋滾筒作為采煤機(jī)的重要工作機(jī)構(gòu)，截割含夾矸煤層時易失效，對整機(jī)可靠性和綜采工作面的效率有著重要的影響。國內(nèi)外學(xué)者對采煤機(jī)螺旋滾筒的設(shè)計參數(shù)及其性能的研究非常重視，HEKIMOGLU和OZDEMIR分析螺旋升角對螺旋滾筒載荷的影響情況，得出螺旋升角的變化對螺旋滾筒的載荷存在明顯的影響，通過計算得到載荷最小時的螺旋升角。SOMANCHI等分析螺旋滾筒設(shè)計變量對滾筒性能的影響，利用VB實現(xiàn)采煤機(jī)螺旋滾筒參數(shù)化設(shè)計和鎬型截齒載荷的計算。PIOTR Gospodarczyk基于平煤層采煤機(jī)螺旋滾筒的動力學(xué)仿真模型分析螺旋滾筒設(shè)計變量對裝煤性能的影響，得出保證裝煤效率在80%以上時，合理的螺旋滾筒的葉片直徑與筒體直徑比值。ESHAGHIAN O等對螺旋滾筒的磨損失效形式進(jìn)行分析，并對滾筒進(jìn)行優(yōu)化。李曉豁等以噸煤售價作為目標(biāo)函數(shù)，采用混合仿生算法得到螺旋滾筒的轉(zhuǎn)速、牽引速度和排列方式的最優(yōu)解，結(jié)果表明優(yōu)化后的螺旋滾筒生產(chǎn)噸煤售價可提高0.75%。郭建利應(yīng)用混沌集優(yōu)化算法對MG250/550-WD型采煤機(jī)螺旋滾筒進(jìn)行遍歷優(yōu)化，得到螺旋滾筒的最優(yōu)工作參數(shù)，采煤機(jī)的工作性能提升顯著，應(yīng)用混沌集優(yōu)化算法一定程度避免長期困擾采煤機(jī)優(yōu)化設(shè)計局部最優(yōu)解的問題。彭天好等基于相似理論設(shè)計模擬截割實驗用的螺旋滾筒，并完成三維建模，但在設(shè)計過程中并未考慮螺旋滾筒設(shè)計變量對性能的影響程度。辛紅寶和楊忠印利用有限元法對螺旋滾筒端盤截齒的固有頻率和模態(tài)振型進(jìn)行分析，得到最優(yōu)的截齒排列方式，一定程度上降低螺旋滾筒的振動；趙麗娟等利用虛擬樣機(jī)技術(shù)分析螺旋滾筒運動學(xué)參數(shù)對截割夾矸煤層應(yīng)力和滾筒工作性能的影響，并針對不同煤層賦存條件，提出優(yōu)先選用的滾筒類型。

上述的研究僅分析螺旋滾筒單一的失效形式，而沒有從螺旋滾筒應(yīng)力可靠性、頻率可靠性和振幅可靠性的相關(guān)失效模式的角度開展研究。采煤機(jī)螺旋滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，失效形式眾多，因此建立一種考慮綜合可靠性因素的螺旋滾筒的設(shè)計方法是設(shè)計高可靠性的螺旋滾筒的關(guān)鍵。筆者建立采煤機(jī)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，加載模擬得到的螺旋滾筒三向力和三向力矩，仿真得到螺旋滾筒的等效應(yīng)力、振動頻率和振幅結(jié)果，基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論和相關(guān)失效模式，將可靠性靈敏度設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法相結(jié)合，得到采煤機(jī)螺旋滾筒的系統(tǒng)可靠度，分析其設(shè)計變量對系統(tǒng)可靠性的影響，為設(shè)計含夾矸煤層賦存條件下的高可靠性采煤機(jī)螺旋滾筒提供更快速、可靠的技術(shù)手段。

1 理論背景

1.1 含夾矸煤層鎬型截齒受力分析

根據(jù)采煤機(jī)破煤理論，采煤機(jī)截割含夾矸煤層，截齒工作時受到牽引阻力、側(cè)向力及磨鈍截齒截割阻力，以前滾筒截割2層夾矸煤層工況為例進(jìn)行分析，滾筒與夾矸煤層的相對位置和螺旋滾筒鎬型截齒截割含夾矸煤層受力示意如圖1所示，其中，為第1夾矸層的厚度，mm；為第2夾矸層的厚度，mm；為夾矸層之間的煤層厚度，mm；為采煤機(jī)牽引速度，m/min；為滾筒直徑，mm；為滾筒的旋轉(zhuǎn)方向。截齒截割煤受到的截割阻力為

(1)

(2)

圖1 螺旋滾筒受力分析Fig.1 Force analysis of spiral drum

截齒截割煤牽引阻力為

=+100

(3)

截齒截割煤側(cè)向力為

=02

(4)

截齒截割夾矸煤層矸石截割阻力′為

(5)

式中，′為接觸強(qiáng)度，MPa；為截齒類型系數(shù)；為硬質(zhì)合金頭形狀系數(shù)；′為刀頭部形狀系數(shù)；為硬質(zhì)合金刀頭直徑系數(shù)；′為截齒截角影響系數(shù)；為截夾矸時截齒磨損后,磨損面在截割平面上的投影面積,mm。

(6)

(7)

式中，為截齒排列方式影響系數(shù)(=1，2，3)。

在式(1)～(7)中，利用的正弦值表述截齒是截割全煤或夾矸煤層。

1.2 螺旋滾筒共振失效準(zhǔn)則

據(jù)可靠性分析理論，機(jī)械零件發(fā)生共振失效的準(zhǔn)則為

(8)

式中，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的狀態(tài)函數(shù)；為采煤機(jī)整機(jī)系統(tǒng)第階激振頻率;為螺旋滾筒第階固有頻率;為特定的區(qū)間，根據(jù)經(jīng)驗，特定區(qū)間取相應(yīng)頻率均值的10%～15%作為可靠性分析的標(biāo)準(zhǔn)。

=()=()-()

(9)

(10)

螺旋滾筒發(fā)生共振失效概率為

(11)

當(dāng)整機(jī)系統(tǒng)激振頻率和滾筒固有頻率均屬于正態(tài)分布時，零件失效概率為

(12)

式中，(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

系統(tǒng)激振頻率和固有頻率相近會引起共振，以共振失效準(zhǔn)則進(jìn)行可靠性分析的螺旋滾筒頻率振動可靠度為

(13)

1.3 可靠性靈敏度設(shè)計及量綱一化

可靠性指標(biāo)定義為

(14)

式中，，(())為狀態(tài)函數(shù)()的均值；為狀態(tài)函數(shù)()的標(biāo)準(zhǔn)差；Var(())為狀態(tài)函數(shù)()的方差。

結(jié)合攝動法和矩陣微分理論，由式(14)得到可靠度()對設(shè)計變量的均值為

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

可靠度對設(shè)計變量的靈敏度量綱一化為

(21)

2 螺旋滾筒瞬時動態(tài)載荷模擬

瞬時動態(tài)載荷的模擬是含夾矸煤層條件下采煤機(jī)螺旋滾筒可靠性分析的關(guān)鍵。搭建試樣物理力學(xué)特性測試系統(tǒng)，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對含夾矸煤層試樣的特性進(jìn)行測試，是采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)內(nèi)蒙古文玉煤礦V-1工作面賦存條件，對含夾矸煤層試樣進(jìn)行物理力學(xué)測試。

2.1 煤巖物理力學(xué)特性測試系統(tǒng)的搭建

煤巖強(qiáng)度測試系統(tǒng)主要包括硬件和軟件2部分，測試系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 煤巖物理力學(xué)特性測試系統(tǒng)框Fig.2 Coal and rock’s physical and mechanical properties test system block diagram

依據(jù)GB/T 23561—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》獲得試樣，沿煤巖層理取得尺寸約為50 cm×50 cm×50 cm的煤塊，如圖3所示。

圖3 含夾矸煤層的試樣Fig.3 Coal sample with gangue

選取DQ-1型切割機(jī)測試抗壓強(qiáng)度，采用搗碎法測定堅固性系數(shù)，采用比重瓶和烘干法對密度進(jìn)行測定。選取阻值120 Ω、標(biāo)距3 mm×20 mm絲繞式電阻應(yīng)變片，利用WDW-100E型微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)測試試樣強(qiáng)度。搭建的試樣物理力學(xué)特性硬軟件測試系統(tǒng)如圖4，5所示，獲得的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 含夾矸煤層工況下瞬時動態(tài)載荷模擬

基于內(nèi)蒙古文玉煤礦V-1工作面賦存條件，利用項目組開發(fā)的“采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計及載荷計算軟件”，對圖1的兩層夾矸煤層工況進(jìn)行分析，利用1.1節(jié)中的式(1)～(7)，生成煤堅固性系數(shù)2.0，夾矸煤層堅固性系數(shù)4.1，夾矸煤層厚度分別為42 ，127 mm，截深800 mm，滾筒轉(zhuǎn)速58 r/min，工作面的采高為1 500 mm，采煤機(jī)牽引速度4 m/min，含夾矸煤層工況下滾筒截齒三向力、三向力矩載荷曲線，如圖6，7所示。

圖4 力學(xué)特性測試系統(tǒng)Fig.4 Mechanical properties testing system

圖5 物理特性測試系統(tǒng)Fig.5 Physical characteristics test system

由圖6，7可知，滾筒截齒所受，，方向瞬時力的最大值分別為23.817，18.831和2.258 kN，滾筒截齒所受，，方向瞬時力矩的最大值分別為1.313 7,0.930 8和12.473 3 MN·mm。根據(jù)測試試樣得到的物理力學(xué)特性參數(shù)，利用項目組開發(fā)的“采煤機(jī)載荷模擬程序”獲得采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)仿真載荷。該計算方法的相關(guān)研究成果已應(yīng)用于神華集團(tuán)、兗礦集團(tuán)、大同菲利普斯采礦機(jī)械有限公司等產(chǎn)品的研發(fā)中，其可行性得到多個企業(yè)委托項目的實際驗證，模擬的截齒載荷為采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)仿真提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

表1 試樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖6 截齒三向力曲線Fig.6 Cutting gear three-way force load curves

圖7 截齒三向力矩曲線Fig.7 Cutting gear three-way torque load curves

3 基于相關(guān)失效模式的螺旋滾筒可靠性分析

3.1 采煤機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/h3>

利用Pro/E建立采煤機(jī)整機(jī)模型，通過無損接口導(dǎo)入到ADAMS中，在ANSYS中設(shè)置螺旋滾筒材料特征、創(chuàng)建關(guān)鍵點、賦予質(zhì)量單元、確立外聯(lián)點和劃分網(wǎng)格等操作，生成ADAMS可識別的mnf模態(tài)中性文件如圖8所示，柔性化的螺旋滾筒替換螺旋滾筒的剛性模型，仿真得到可視化螺旋滾筒的最大應(yīng)力值位置、頻率振型圖危險點和振幅最大值位置和規(guī)律，建立采煤機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D9所示。

圖8 螺旋滾筒模態(tài)中性文件Fig.8 Spiral drum’s modal neutral file

圖9 采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型Fig.9 Rigid-flexible coupling virtual prototype model of shearer

3.2 螺旋滾筒剛?cè)狁詈戏治鼋Y(jié)果

將圖6,7中獲得的截齒載荷文本導(dǎo)入ADAMS中，在滾筒截齒上施加與其自身截齒編號相對應(yīng)的三向力和三向力矩。根據(jù)采煤機(jī)螺旋滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)，保證在仿真過程中可以采集到足夠的數(shù)據(jù)樣本，至少需要螺旋滾筒旋轉(zhuǎn)2個周期以上，因此設(shè)置仿真時間3 s，仿真步長0.001 s，選用Wstiff積分器，進(jìn)行采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)仿真。ADAMS后處理模塊顯示該采煤機(jī)在含夾矸煤層工況下工作時前截割部受載較后截割部更嚴(yán)重，因此研究對象為前截割部。前截割部螺旋滾筒應(yīng)力云圖、最大應(yīng)力點曲線如圖10,11所示。

圖10 螺旋滾筒應(yīng)力云圖Fig.10 Spiral drum stress nephogram

圖11 螺旋滾筒最大應(yīng)力節(jié)點曲線Fig.11 Spiral drum maximum stress node curve

由圖10，11可知，前截割部螺旋滾筒在2.172 2 s最大等效應(yīng)力值為869.306 7 MPa，經(jīng)計算安全系數(shù)為1.467，最大等效應(yīng)力值節(jié)點位于截齒齒尖。

基于ANSYS對螺旋滾筒進(jìn)行固有模態(tài)頻率分析，分析結(jié)果顯示零件在自由狀態(tài)下的前6階模態(tài)固有頻率為0或接近0，屬于剛性模態(tài)，不影響零件的振動特性，研究不予考慮，經(jīng)整理零件的固有頻率分析結(jié)果見表2。

表2 螺旋滾筒固有模態(tài)頻率

通過ADAMS/Vibration分析采煤機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷氖芷日駝犹匦?。在Input Channel中添加截齒受載的頻域曲線作為外部激勵，選擇PSD作為激勵參數(shù)，施加位置為截齒齒尖處，根據(jù)采煤機(jī)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真結(jié)果，建立輸出通道，測試點依次選擇螺旋滾筒最大應(yīng)力位置點，進(jìn)行位移響應(yīng)振動分析，仿真頻率設(shè)置為0.001～50 Hz，步數(shù)設(shè)置為2 500步。得到系統(tǒng)模態(tài)如圖12所示，系統(tǒng)前30階模態(tài)頻率見表3。

圖12 系統(tǒng)模態(tài)Fig.12 System modal

觀察圖12的系統(tǒng)模態(tài)實部全部小于0，表明建立的采煤機(jī)穩(wěn)定性較高。螺旋滾筒的1～6階模態(tài)振型云圖較穩(wěn)定。7～12階模態(tài)振型圖的頻率相對于其他階頻率較低，且采煤機(jī)工作中容易出現(xiàn)低頻振動失效，為觀察螺旋滾筒模態(tài)振型特點及規(guī)律，以7～12階的模態(tài)振型云圖為例，如圖13所示。

由圖13可知，螺旋滾筒截齒齒尖合金頭處發(fā)生振動變形，截齒作為螺旋滾筒主要工作零件，會受到復(fù)雜多變的載荷作用，螺旋滾筒測試點位移頻率響應(yīng)如圖14所示。

由圖14可知，螺旋滾筒測試點的位移響應(yīng)曲線的數(shù)值均在0.001～0.1 Hz低頻段內(nèi)較高，且，，三個方向的位移響應(yīng)差別較大，各方向的響應(yīng)曲線有明顯的不同，其中螺旋滾筒測試點在方向振動最劇烈，方向振動情況次之，方向振幅最小，其中螺旋滾筒截齒測試點位移響應(yīng)最大值為0.452 7 mm，仿真結(jié)果為螺旋滾筒的可靠性分析提供數(shù)據(jù)支持。

表3 系統(tǒng)前30階模態(tài)頻率

圖13 螺旋滾筒第7～12階模態(tài)振型Fig.13 Drum model shape diagram for order 7～12

圖14 螺旋滾筒截齒處位移響應(yīng)Fig.14 Pick displacement response

3.3 螺旋滾筒可靠性靈敏度分析

螺旋滾筒截齒受到強(qiáng)烈的沖擊載荷作用會導(dǎo)致磨損甚至脫落，影響螺旋滾筒截割效率，根據(jù)仿真結(jié)果，對螺旋滾筒進(jìn)行應(yīng)力可靠性分析、頻率可靠性分析、振幅可靠性分析及相應(yīng)的設(shè)計變量可靠性靈敏度分析。

設(shè)計變量的選取

螺旋滾筒是采煤機(jī)主要工作機(jī)構(gòu)，其設(shè)計變量選取的是否合理直接影響其工作可靠性。牽引速度是采煤機(jī)的主要運動學(xué)參數(shù)，螺旋滾筒的動力學(xué)特性與其關(guān)系密切，螺旋滾筒直徑和寬度是螺旋滾筒主要的外形尺寸，會對螺旋滾筒振動特性產(chǎn)生影響，螺旋升角是決定截齒相對位置的變量，對螺旋滾筒受載具有影響。綜合上述分析以牽引速度、螺旋滾筒直徑、螺旋升角、螺旋滾筒寬度和截線距為設(shè)計變量，初始值為=[4，1 150，14，800，60]，設(shè)計參數(shù)服從高斯分布，設(shè)計變量概率統(tǒng)計特性見表4。

表4 螺旋滾筒設(shè)計變量概率統(tǒng)計特性

螺旋滾筒應(yīng)力可靠性及可靠性靈敏度分析

建立不同設(shè)計變量的螺旋滾筒模態(tài)中性文件，進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真，根據(jù)設(shè)計變量與螺旋滾筒最大應(yīng)力關(guān)系，結(jié)合螺旋滾筒材料力學(xué)特性和應(yīng)力-強(qiáng)度干涉數(shù)學(xué)模型構(gòu)造思想，建立螺旋滾筒應(yīng)力極限狀態(tài)函數(shù)(,,,,)：

(22)

式中，為螺旋滾筒屈服強(qiáng)度；(,,,,)為螺旋滾筒應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計評價函數(shù)。

由1.3節(jié)的式(14)～(21)得到滾筒設(shè)計變量應(yīng)力可靠性均值量綱一化靈敏度，如圖15所示。

圖15 螺旋滾筒設(shè)計變量應(yīng)力可靠性均值量綱一化靈敏度Fig.15 Drum dimensional normalization meansensitivity of stress

螺旋滾筒頻率可靠性及可靠性靈敏度分析

據(jù)可靠性分析的干涉理論，采煤機(jī)螺旋滾筒發(fā)生共振失效的狀態(tài)函數(shù)gtpl為

(23)

其中，gtpl為采煤機(jī)整機(jī)系統(tǒng)第階激振頻率；gtpl為螺旋滾筒第階固有頻率。根據(jù)1.2節(jié)中的式(8)～(13)，結(jié)合表2～3的螺旋滾筒固有頻率和采煤機(jī)系統(tǒng)激振頻率，得到螺旋滾筒頻率可靠度為=0.924 8。螺旋滾筒頻率可靠度的設(shè)計變量均值靈敏度為

(24)

根據(jù)設(shè)計變量的概率統(tǒng)計特性(表4)，利用拉丁抽樣方法對其進(jìn)行64次抽樣，試驗數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，樣本數(shù)據(jù)見表5。

表5 滾筒拉丁抽樣數(shù)據(jù)樣本

(25)

式中，為隱含層至輸出層的閾值；k為隱含層至輸出層的權(quán)值；(·)為隱含層的傳遞函數(shù)；為輸入層至隱含層的閾值；為輸入層至隱含層的權(quán)值。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過83步迭代訓(xùn)練后，訓(xùn)練樣本逼近誤差達(dá)到目標(biāo)誤差10，訓(xùn)練誤差如圖16所示。

圖16 螺旋滾筒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差Fig.16 Drum neural network training error

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的固有頻率非線性函數(shù)，結(jié)合式(24)，得到設(shè)計變量的均值靈敏度如圖17所示。

圖17 螺旋滾筒設(shè)計變量頻率可靠性均值量綱一化靈敏度Fig.17 Mean dimensional sensitivity of drum designvariable frequency reliability

螺旋滾筒振幅可靠性及可靠性靈敏度分析

根據(jù)包含不同滾筒設(shè)計變量的采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)振動仿真結(jié)果，根據(jù)設(shè)計變量與螺旋滾筒振幅的關(guān)系，結(jié)合應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，建立螺旋滾筒振幅極限狀態(tài)函數(shù)：

0061 8+0539 8

(26)

式中，為螺旋滾筒極限振幅；(,,,,)為螺旋滾筒振幅優(yōu)化設(shè)計評價函數(shù)，由1.3節(jié)中的式(14)～(21)得到滾筒設(shè)計變量振幅可靠性均值量綱歸一化靈敏度，如圖18所示。

圖18 螺旋滾筒設(shè)計變量振幅可靠性均值量綱一化靈敏度Fig.18 Mean dimensional sensitivity of drumdesign variable amplitude reliability

3.4 基于相關(guān)失效模式的螺旋滾筒可靠性靈敏度分析

通過螺旋滾筒應(yīng)力可靠性、頻率可靠性和振幅可靠性分析可知，螺旋滾筒工作時存在3種失效形式，分別是應(yīng)力失效、共振失效和振幅失效，失效模式之間是存在相關(guān)性，需綜合考慮失效模式共同作用下的螺旋滾筒可靠性及設(shè)計變量的可靠性靈敏度。

當(dāng)考慮應(yīng)力失效、共振失效和振幅失效3種失效模式時，得到基于二元Gumbel Copula函數(shù)的螺旋滾筒失效概率為

(27)

式中，為螺旋滾筒失效概率；為螺旋滾筒應(yīng)力失效概率；為螺旋滾筒共振失效概率；為螺旋滾筒振幅失效概率；(,)為失效形式和失效形式的相關(guān)系數(shù)，表達(dá)式為

(28)

式中，為二元Gumbel Copula函數(shù)系數(shù)。

(,,)=((,),)

(29)

經(jīng)計算，螺旋滾筒相關(guān)失效模式可靠度為=1-=0832 4。

當(dāng)考慮應(yīng)力、共振和振幅相關(guān)失效時，螺旋滾筒失效概率對設(shè)計變量均值可靠性靈敏度為

(30)

式中，為滾筒設(shè)計變量，其概率統(tǒng)計特性參見表4。

式(30)中螺旋滾筒設(shè)計變量的應(yīng)力失效概率均值可靠性靈敏度為

(31)

螺旋滾筒應(yīng)力失效概率對可靠度指標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)：

(32)

式中，為求正態(tài)分布函數(shù)值。

式(30)中螺旋滾筒應(yīng)力失效概率和共振失效概率相關(guān)系數(shù)對設(shè)計變量的均值可靠性靈敏度為

(33)

對滾筒相關(guān)失效模式設(shè)計變量均值靈敏度進(jìn)行量綱一化處理：根據(jù)已知設(shè)計變量的概率統(tǒng)計信息，由式(28)～(33)計算螺旋滾筒設(shè)計變量在應(yīng)力失效、共振失效和振幅失效3種相關(guān)失效模式下的均值靈敏度，并進(jìn)行量綱一化處理，得到螺旋滾筒設(shè)計變量的相關(guān)失效模式均值量綱一化靈敏度，如圖19所示。

圖19 螺旋滾筒相關(guān)失效模式的設(shè)計變量均值量綱一化靈敏度Fig.19 Mean dimensional sensitivity of drum design variablefor related failure modes

4 基于結(jié)構(gòu)進(jìn)化的螺旋滾筒可靠性優(yōu)化設(shè)計

基于Rastringin函數(shù)，選擇Boltzmann策略、精英策略和穩(wěn)態(tài)策略相結(jié)合的混合策略，交叉方式選擇單點交叉，變異方法選擇基本位變異的結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法對問題進(jìn)行求解。結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法的程序流程如圖20所示。

圖20 結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法流程Fig.20 Structure evolution algorithm flow

螺旋滾筒可靠性優(yōu)化設(shè)計的要求是：提高可靠度，同時降低設(shè)計變量對可靠度的影響程度。結(jié)合可靠性分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法，對螺旋滾筒進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計，尋求最優(yōu)的設(shè)計變量。

螺旋滾筒可靠性優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量為

=[,,,,]

(34)

螺旋滾筒可靠性優(yōu)化設(shè)計的狀態(tài)函數(shù)為

(35)

式中，為狀態(tài)函數(shù)間權(quán)值系數(shù)，均取1/3。

根據(jù)系統(tǒng)可靠性優(yōu)化設(shè)計的要求，引入可靠性靈敏度函數(shù)，搭建螺旋滾筒可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計總體函數(shù)為

(36)

式中，為考慮可靠性靈敏度優(yōu)化設(shè)計的權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)螺旋滾筒與采煤機(jī)的裝配關(guān)系，得到設(shè)計變量的約束條件為

(37)

選取種群大小為100，建立初始種群，最大進(jìn)化數(shù)為500，停止迭代數(shù)為500，適應(yīng)度函數(shù)值偏差設(shè)定為10，在約束條件范圍內(nèi)，利用結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法對式(36)建立的螺旋滾筒可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計總體函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，種群進(jìn)化完畢、算法停止后，獲得算法預(yù)測的最優(yōu)個體。對最優(yōu)個體反歸一化并圓整后，得到最優(yōu)設(shè)計變量，見表6。

表6 最優(yōu)設(shè)計變量

根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計變量，基于Pro/E和ANSYS重新建立螺旋滾筒的三維實體模型和有限元模型，在ADAMS中替換優(yōu)化前的模態(tài)中性文件，添加截齒三向力和三向力矩，進(jìn)行剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)仿真，得到優(yōu)化后螺旋滾筒的應(yīng)力云圖，如圖21所示；優(yōu)化后固有頻率見表7；整理優(yōu)化前、優(yōu)化后的動力學(xué)指標(biāo)，見表8。

圖21 優(yōu)化后螺旋滾筒等效應(yīng)力云圖Fig.21 Optimized drum equivalent stress nephogram

表7 優(yōu)化后螺旋滾筒固有模態(tài)頻率

表8 螺旋滾筒動力學(xué)指標(biāo)

結(jié)合圖21和表8可知，優(yōu)化后螺旋滾筒最大應(yīng)力為770.035 1 MPa，較優(yōu)化前降低11.42%；優(yōu)化后的螺旋滾筒固有頻率得到提升；優(yōu)化后螺旋滾筒振幅為0.361 6 mm，較優(yōu)化前降低20.12%，動力學(xué)指標(biāo)得到改善，說明結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法預(yù)測的有效性。對優(yōu)化后的螺旋滾筒進(jìn)行可靠性分析和設(shè)計變量靈敏度分析，結(jié)果如表9和圖22所示。

表9 可靠度指標(biāo)

圖22 優(yōu)化后設(shè)計變量均值量綱一化靈敏度Fig.22 Mean sensitivity of design variables after optimization

為驗證優(yōu)化后的螺旋滾筒是否滿足使用要求，依托合作企業(yè)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計的MG400/951-WD新型薄煤層采煤機(jī)，在含夾矸煤層的兗州煤業(yè)本部煤礦工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗并正式投產(chǎn)，如圖23所示。

圖23 工業(yè)性試驗Fig.23 Industrial test

工業(yè)性試驗和投產(chǎn)使用至今，螺旋滾筒除正常磨損外，未出現(xiàn)可靠性失效情況，工作5.54～6.23刀/d，實現(xiàn)日均截割1 530 m，產(chǎn)煤9 000～10 000 t/d，螺旋滾筒工作性能可靠穩(wěn)定。年產(chǎn)量由120萬t提升至300萬t。表明該螺旋滾筒能夠?qū)瑠A矸煤層進(jìn)行破碎，達(dá)到設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

(1)模擬得到螺旋滾筒截割夾矸煤層的瞬時負(fù)載，通過剛?cè)狁詈峡煽啃苑治龊驼駝臃治觯玫铰菪凉L筒的應(yīng)力分布規(guī)律、振動特性和采煤機(jī)系統(tǒng)模態(tài)頻率。

(2)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到螺旋滾筒應(yīng)力可靠度、頻率可靠度、振幅可靠度及相應(yīng)的設(shè)計變量可靠性靈敏度數(shù)值。發(fā)現(xiàn)牽引速度、滾筒直徑、螺旋升角、滾筒寬度的均值增加，結(jié)果會使?jié)L筒更加不可靠，截線距的均值增加，結(jié)果會使?jié)L筒更加可靠。設(shè)計變量中與螺旋滾筒可靠性關(guān)系最大的為截線距，最小的為螺旋滾筒寬度。

(3)基于靈敏度分析結(jié)果，得到優(yōu)化后螺旋滾筒最大應(yīng)力為770.035 1 MPa，與優(yōu)化前比較降低11.42%；優(yōu)化后的螺旋滾筒固有頻率得到提升；優(yōu)化后螺旋滾筒振幅為0.361 6 mm，與優(yōu)化前比較下降20.12%，螺旋滾筒設(shè)計變量對其可靠性的影響程度降低，優(yōu)化后螺旋滾筒可靠度由0.832 4提高至0.988 5。

(4)將剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)技術(shù)與可靠性靈敏度設(shè)計理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、共振失效準(zhǔn)則、相關(guān)失效理論和結(jié)構(gòu)進(jìn)化算法相結(jié)合，為設(shè)計高可靠性采煤機(jī)螺旋滾筒提供更快速、可靠的技術(shù)手段。