含夾矸煤層條件下采煤機螺旋滾筒優化設計

李明昊,郝 哲,范佳藝,趙麗娟,喬 捷

(1.沈陽理工大學 機械工程學院,遼寧 沈陽 110159;2.沈陽航空航天大學 機電工程學院,遼寧 沈陽 110136;3.遼寧工程技術大學 機械工程學院,遼寧 阜新 123000;4.遼寧省大型工礦裝備重點實驗室,遼寧 阜新 123000)

螺旋滾筒是采煤機在截割含夾矸煤層時的直接工作部件,截割含夾矸煤層時,螺旋滾筒受載復雜,易出現多模式失效[1]。國內外諸多學者對螺旋滾筒的設計進行了較深入研究。劉晉霞等[2]利用顆粒流離散元軟件(particle flow code,PFC)研究了不同截割速度對煤巖截割過程的影響,結果表明,煤巖截割過程中,鎬型截齒截割速度總體呈非線性減小趨勢,且隨牽引速度、滾筒角速度的增大分別呈現非線性減小趨勢增強和明顯增大的特點,當滾筒角速度一定時,提高牽引速度可在一定程度上降低截割比能耗;Hurt等[3]探究了截齒幾何形狀、螺旋滾筒形狀及采煤機運動學參數對截齒壽命的影響;Achanti等[4]研究了截割深度、截線間距及滾筒轉速對工作面粉塵的影響; Gajewsk等[5]根據不同類型截齒的磨損程度,研究了呈現扭矩分布的各類截齒截割功率,并基于神經網絡以截割功率和扭矩為輸入對截齒磨損狀態進行預測;Reid等[6]利用卡爾曼濾波系統分析截齒載荷,為螺旋滾筒的瞬時載荷模擬提供了新的理論方法;劉送永等[7]建立了螺旋葉片參數與目標參數的數學模型,發現螺旋升角對裝煤量與拋煤力學特性有很大影響,找到了最佳螺旋升角值;陸輝等[8]通過模擬滾筒截割過程獲得的截齒受力曲線函數加載至截齒,研究鎬型截齒的疲勞壽命并對其優化;秦大同等[9]建立了采煤機運動參數與螺旋滾筒截割性能指標評價模型,基于退火-粒子群算法對螺旋滾筒進行優化設計;張強等[10]測試了采煤機在煤巖現場截割中的滾筒載荷受力,通過截割實驗數據得到螺旋滾筒三向載荷的差異,測試結果與工作面實際工況相符合;趙麗娟等[11]通過剛柔耦合虛擬樣機技術對螺旋滾筒的截割、裝煤和落煤性能進行分析,對螺旋滾筒進行優化設計。

以往圍繞螺旋滾筒的研究為采煤機設計與開發提供了一定理論基礎,但采煤機在截割含夾矸煤層時,工況惡劣、載荷復雜、失效模式多,因此提出一種考慮多失效模式的方法是設計高效螺旋滾筒的關鍵。將剛柔耦合技術、可靠性靈敏度設計理論和相關失效性理論相結合,利用構建的改進遺傳算法,提出一種適用于含夾矸煤層的采煤機螺旋滾筒優化設計方法,可有效指導高效螺旋滾筒設計。

1 理論背景

螺旋滾筒在工作過程中,鎬型截齒會受到截割阻力、牽引阻力和側向力,分別用Zj、Yj和Xj表示,如圖1所示。

圖1 滾筒截割含夾矸煤巖受力分析

當鎬型截齒截割全煤時,截齒的截割阻力、截齒牽引阻力、截齒的側向力分別為[12]:

(1)

Yj=Y0+100σcmSaKδ,

(2)

Xj=0.2Zj。

(3)

當鎬型截齒截矸石時,截齒的截割阻力、牽引阻力和側向力分別為:

Zj′=PK′[KTKgKy(0.25+1.8hmaxsinθ·tcp)+0.1Sj],

(4)

Yj′=2.5Zj′(0.15+0.000 56PK′)/(10hmaxsinθ)0.4,

(5)

(6)

式中:PK′為矸石的接觸強度,MPa;Sj為截割夾矸時,截齒磨損在截割平面上的投影面積;C1、C2和C3為螺旋滾筒葉片上截齒不同排列方式的系數。

2 螺旋滾筒負載數值模擬

螺旋滾筒動態負載是分析采煤機螺旋滾筒可靠性的重要依據。基于內蒙古鄂爾多斯文玉煤礦工作面賦存條件,對采煤機截割的煤巖試樣進行物理和力學特性參數測試。

2.1 煤巖力學特性測試

依據國家標準GB/T 2356.1—2009《煤和巖石物理力學性質測定方法》,煤巖測試流程如圖2所示。

圖2 煤巖測試流程圖

為測試煤巖的抗壓強度,使用DQ-1型巖石切割機、202-0型電熱恒溫干燥箱、比重瓶、WDW-100E型微機電子萬能試驗機對煤樣分析處理,如圖3、圖4所示,測得煤巖物理和力學特性參數如表1所示。

表1 煤巖物理力學特性參數

圖3 煤巖物理特性參數測試實驗

圖4 煤巖力學特性參數測試實驗.

2.2 瞬時載荷數值模擬

使用課題組的“采煤機瞬時載荷數值模擬軟件”,對采煤機截割夾矸工況(圖1)的瞬時載荷進行數值模擬,得到滾筒轉速為58 r/min、牽引速度為4 m/min時截齒三向力和力矩曲線如圖5、圖6所示,可為構建采煤機剛柔耦合模型提供載荷數據支撐。

圖5 三向力曲線.

圖6 三向力矩曲線

3 螺旋滾筒剛柔耦合分析

將建立的采煤機整機三維模型導入ADAMS中,設置材料特性參數、約束和驅動,建立采煤機剛性虛擬樣機模型。利用ANSYS,采用solid185單元對螺旋滾筒進行精度為6級的網格劃分,結合質量單元MASS21,構建螺旋滾筒的模態中性文件。替換采煤機的螺旋滾筒剛性模型,加載圖5、圖6生成的三向力和力矩曲線,生成采煤機剛柔耦合模型[13],如圖7所示。

圖7 采煤機剛柔耦合模型

對建立的剛柔耦合模型,選用GSTIFF和I3積分器進行求解,得到采煤機前截割部螺旋滾筒應力云圖和最大應力點曲線如圖8、圖9所示。結果表明,螺旋滾筒鎬型齒尖位置的應力值最大,應力最大值及對應時刻分別為869.31 MPa和2.17 s。

圖8 螺旋滾筒的應力云圖.

圖9 螺旋滾筒的最大應力點曲線

4 螺旋滾筒漸變與動態可靠性靈敏度分析

4.1 設計變量與約束條件

螺旋滾筒設計變量眾多,合理選取設計變量是螺旋滾筒優化設計的關鍵。滾筒的動力學特性與牽引速度有直接聯系;滾筒直徑、螺旋升角和截線距作為螺旋滾筒的主要尺寸,對滾筒的瞬時負載有重要影響;滾筒寬度是影響采煤機截割深度的重要參數,對滾筒的瞬時負載有重要影響。因此,以牽引速度vq、螺旋滾筒直徑D、螺旋升角a、螺旋滾筒寬度B和截線距T為設計變量,約束條件為:

(7)

4.2 螺旋滾筒等效應力漸變與動態可靠性靈敏度分析

依據4.1節選取的螺旋滾筒設計變量,對不同設計變量的螺旋滾筒模型進行仿真。利用MATLAB進行數據擬合,結合螺旋滾筒的材料特性,構造的螺旋滾筒應力狀態函數Gyl(X)為:

Gyl(vq,D,a,B,T)=-0.022 3vq3-0.239vq2-33.17vq-8.04×10-6D3-0.278D2-32.22D+0.099a3-3.74a2+43.79a-4.35×10-6B3+0.009 2B2-6.51B-0.002 8T3+0.556T2-35.26T+556.08。

(8)

根據矩法機械工程材料性能退化理論,對構建的可靠性指標βyl(t)進行可靠度計算[14],計算設計變量對可靠度均值的靈敏度:

(9)

(10)

(11)

(12)

可靠性靈敏度量綱歸一化為:

(13)

式(9)～(13)中:μGyl(t)為螺旋滾筒應力狀態函數Gyl(X)的均值,Ryl(X)為螺旋筒應力的可靠度,σ*為螺旋滾筒設計變量的二階矩。

利用式(9)～(13)對構建的螺旋滾筒應力狀態函數求解,結合性能退化理論,得到了螺旋滾筒設計變量應力漸變靈敏度如圖10所示,應力均值vq、D、a、B、T的靈敏度數值結果分別為-3.97×10-2、-2.83×10-5、-7.93×10-4、-4.88×10-5、4.06×10-4。

圖10 螺旋滾筒設計變量應力漸變靈敏度

4.3 螺旋滾筒振幅漸變與動態可靠性靈敏度分析

提取4.2節中不同螺旋滾筒設計變量對應的振幅分析結果,利用MATLAB進行數據擬合。構造的螺旋滾筒振幅狀態函數Gzf(X)為:

Gzf(vq,D,a,B,T)=0.001 8vq3-0.019 4vq2+0.045 6vq+4.48×10-22D3+1.14×10-6D2-0.003 1D+4.98×10-5a3-0.001 4a2+0.011a+6.001×10-10B3-1.26×10-6B2+7.96×10-4B+1.33×10-6T3-7.09×10-4T2+0.061 8T+0.54。

(14)

基于式(9)～(13)的構造方法,求解構建的螺旋滾筒振幅狀態函數,結合性能退化理論,得到滾筒設計變量的振幅漸變靈敏度結果如圖11所示,振幅均值靈敏度數值結果分別為-1.33×10-3、-2.93×10-5、-1.5710×-5、-3.9810×-6、―5.39×10-4。

圖11 振幅漸變靈敏度

4.4 考慮相關失效性的螺旋滾筒可靠性分析

考慮螺旋滾筒應力失效和振動幅度失效兩種失效形式,由于失效形式之間存在相關性,在進行優化設計之前,應綜合考慮失效形式共同作用下的滾筒相關性之間的數值關系[15]。基于二元Gumbel Copula函數,構建考慮相關失效性的螺旋滾筒失效概率為:

Pgt(t)=Pyl(t)+Pzf(t)-C(Pyl(t),Pzf(t))。

(15)

式中:Pgt(t)為螺旋滾筒失效概率,Pyl(t)為螺旋滾筒應力失效概率,Pzf(t)為螺旋滾筒振幅失效概率,C(Pyl(t),Pzf(t))為兩種失效形式的相關系數。經計算,螺旋滾筒相關失效模式可靠度為0.888 5。

設計變量對失效概率的均值可靠性靈敏度為:

(16)

式中:

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

基于相關性失效分析的式(15)～(21),對考慮應力失效和振幅失效相關性的螺旋滾筒可靠性靈敏度進行求解,得到考慮相關失效性的設計變量的均值靈敏度結果分別為-8.59×10-3、-1.76×10-3、-6.01×10-3、-2.11×10-3、1.32×10-3。因此,牽引速度、滾筒直徑、螺旋升角、滾筒寬度的增加,會降低螺旋滾筒的可靠性;截線距的增加,會提高螺旋滾筒的可靠性。對螺旋滾筒可靠性影響程序從高到低的順序為牽引速度、滾筒寬度、滾筒直徑、截線距、螺旋升角。

5 基于遺傳算法的螺旋滾筒優化設計

基于Ackley性能測試函數,選擇混合策略的改進遺傳算法進行求解[16]。搭建螺旋滾筒的可靠性優化設計狀態函數為:

minGyh=Gxg(X)+ωFgt(X),

(22)

Gxg(X)=ω1Gyl(X)+ω2Gzf(X)。

(23)

式中:ω為影響螺旋滾筒綜合可靠度的加權系數;ω1、ω2為狀態函數間權值系數,均取1/2[11];Fgt(X)為可靠性靈敏度的分析結果。

對基于改進遺傳算法進行初始化,設置種群大小、進化數和適應度函數值誤差,約束條件如式(7)所示,對建立的狀態函數進行求解并圓整后設計變量最優解如表2所示。

表2 設計變量最優解

基于表2的數據,建立優化后的螺旋滾筒模態中性文件,對優化設計后的滾筒重新進行可靠性靈敏度分析,滾筒綜合可靠度由0.888 5提高到0.977 5。優化后設計變量vq、D、a、B、T的均值靈敏度量綱歸一化數值結果分別為-6.05×10-4、-1.59×10-4、-4.83×10-5、-1.88×10-4、1.44×10-4。

優化后的靈敏度絕對值均降低,螺旋滾筒更加穩健,螺旋滾筒綜合可靠性得到提升。該型采煤機螺旋滾筒根據改進遺傳算法得到的最優解進行設計和制造并投入生產,如圖12所示。目前采煤機工作性能穩定,螺旋滾筒工作可靠,螺旋滾筒除正常磨損外,未出現可靠性失效情況,年產量實現了翻倍增長,提升至290萬噸。

圖12 采煤機工作狀態

6 結論

對采煤機截割的夾矸煤層進行分析,測試了夾矸煤巖試樣的物理、力學特性,利用課題組“采煤機瞬時載荷數值模擬軟件”對采煤機截割夾矸工況的瞬時載荷進行數值模擬,對建立的采煤機剛柔耦合模型進行分析,得到了螺旋滾筒的仿真分析結果。

1) 基于可靠靈敏度分析理論和相關失效性理論,得到了螺旋滾筒的應力和振幅可靠性分析結果,結果表明,牽引速度、滾筒直徑、螺旋升角、滾筒寬度的增加,會降低螺旋滾筒的可靠性;截線距的增加,會提高螺旋滾筒的可靠性。對螺旋滾筒可靠性影響程序從高到低的順序為牽引速度、滾筒寬度、滾筒直徑、截線距、螺旋升角。

2) 基于遺傳算法的優化設計結果表明,滾筒綜合可靠度由0.888 5提高到0.977 5。優化后的靈敏度絕對值均降低,螺旋滾筒更加穩健,綜合可靠性得到提升。

本研究將剛柔耦合技術、相關失效性理論和靈敏度設計理論相結合,提出的適用于含夾矸煤層的采煤機螺旋滾筒優化設計方法,為設計高效螺旋滾筒提供了新途徑。