基于产尘量最小的掘进机参数优化设计研究.pdf

文章编号0253 - 9993200304 - 0437 - 03 基于产尘量最小的掘进机参数优化设计研究 李晓豁,姜 健 辽宁工程技术大学 机械工程学院,辽宁 阜新 123000 摘 要分析了截割粉尘与其影响因素之间的关系,并以减小截割粉尘为研究目标,通过优化设 计的方法,寻求单位产尘量最小时的掘进机的设计参数.采用该方法优化后,可使掘进机的单位 产尘量降低约20 . 关键词掘进机;单位产尘量;优化设计 中图分类号 TD42115 ; TD71415 文献标识码 A 收稿日期 2002-11-18 基金项目国家自然科学基金资助项目59774033 由于掘进工作面特殊的工作环境,掘进机工作时产生的粉尘及其带来的危害都非常大.多年来,人们 为此进行了大量的研究,采取如喷雾降尘、集尘等被动降尘方式[1],但都没有取得令人满意的结果.笔 者在分析确定了截割粉尘是产生工作面粉尘主要根源[2～5]的基础上,通过建立截割产尘与各种影响因素 关系的数学模型,采用优化设计的方法,寻求截割产尘最小的掘进机截割头的设计参数,以便在掘进机设 计过程中就考虑降尘问题,从根本上减少粉尘的产生,达到主动降尘的目的. 1 设计变量的选择 根据得到的截割粉尘的数学模型[6～9],将截割头的排列参数每条截线上的截齿个数i、截线间距 t 和运动参数截割头转速n和悬臂的摆动速度vb作为设计变量,即 X [ n , i , vb, t ]T [ X1, X2, X3, X4]T. 2 优化目标的建立 取单位产尘量单位产量下的粉尘生成量q最小为优化设计的目标函数,则有以向量X为设计变 量的目标函数为 q 3136 m 3 9X1X2 100X3 15184 X4 01072X18116, 式中,m 3为由筛分得到的给定煤层的粉碎性能指标. 3 约束条件的确定 根据现有掘进机的参数、使用要求和已有的研究成果,给出设计变量的边界约束和性能约束 截割头转速g1 X X1-100, g2 X 75-X10. 每线齿数g3 X 3-X20, g4 X X2-10, g5 X X2-fit X 2 0. 悬臂摆动速度g6 X X3-1150, g7 X 510-X30. 截齿切屑厚度g8 X 019Lp-100X3/ X1X2 0 切向齿和径向齿交叉排列 , g8 X017Lp- 100X3/ X1X2 0 径向齿顺序排列 , g9 X 100X3/ X1X2-h0 0 取切屑厚度下限h0 2 cm . 第28卷第4期煤 炭 学 报Vol. 28 No. 4 2003年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2003 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 截槽形状g10 X X4-1127 100X3 X1X2 0, g11 X 116 100X3 X1X2 0 脆性煤岩 , g10 X X4 -0196100 X3 X1X2 0, g11 X 1127100 X3 X1X2 -X40黏性煤岩 . 理论生产率g12 X D d HX3/2-Q00, 图1 优化设计的程序 Fig11 Optimized design program 式中,Lp为截齿伸出长度;D ,d ,H分别为截 割头的大端、小端直径和长度;Q0为现有掘进机 的理论生产率. 4 优化方法的选择与程序设计 由于该优化设计问题为多变量非线性约束的 最佳化问题,约束条件既包括等式约束,又有不 等式约束,宜采用MATLAB优化工具箱中的con2 str函数求解.该函数使用SQP算法,通过使用拟 牛顿更新程序对Kuhn - Tucker方程累计二阶信 息,以保证超线性的收敛.本设计的约束优化问 题,是对Lagrange函数的二次近似求解. 编制的优化设计程序如图1所示,其中在 fun11m～fun41m四个文件中,包括掘进机在脆性 煤岩m 015、黏性煤岩 m 11 07 两种情 况下截割时,截割头上布置切向截齿和径向截齿 交叉排列,以及布置径向截齿顺序排列的4种设 计约束条件. 5 优化实例及其结果分析 利用Matlab优化工具箱,对某型掘进机分别截割脆性煤岩和黏性煤岩时的两种情况按单位产尘量最 小进行参数优化设计,优化前、后的参数及其变化情况见表1. 表1 优化设计前、后的参数 Table 1 Parameters before and after optimized design 参 数优化前优化后变化量/ 转速n/ rmin - 1 46/ 4625154/ 2016- 44148/ - 55121 每线齿数i2/22/20/0 摆动速度vb/ mmin - 1 2/ 2 312/ 212460/ 12 截线间距t/ cm6/ 68196/ 711249133/ 18167 截齿切屑厚度hmax/ cm2117/ 21176126/ 514618815/ 15116 单位产尘量q/ gt - 1 2419/ 211319193/ 16165- 19196/ - 21183 理论生产率/ m3h - 1 01017 5/ 01017 501028/ 01019 660/ 12 注表中数据分子为脆性煤岩,分母为黏性煤岩. 由表1可以看出,优化以后,两种情况下的截割头转速都明显降低,这符合现代掘进机设计低速化的 趋势;而且,对于脆性煤岩,其截割头转速和悬臂的摆动速度都比黏性煤岩的高,符合实际情况;优化之 后截线间距有所增大,切屑厚度也有较大的增加,单位产尘量平均减少约20 ;理论生产率也得到了明 显的提高. 834 煤 炭 学 报 2003年第28卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 综上可见,掘进机单位产尘量的多少受各方面因素的综合影响;根据煤岩的性质,合理地确定掘进机 的设计参数可抑制截割粉尘的产生;降低截割头转速、加大悬臂的摆动速度,使截线间距和切屑厚度保持 恰当的比例,保证最佳的截槽形状,可使单位粉尘量最小. 参考文献 作者简介 李晓豁1953 - ,男,辽宁锦州人,教授,研究生导师,研究方向为机械CAD、系统动态设计及仿真技术.Tel 0418 - 3350504. Optimized design of roadheader parameters on the basis of minimum dust production LI Xiao2huo , J IANGJian Mechanical Engineering College , Liaoning Technical University , Fuxin 123000, China Abstract The relationship of the cutting dust with primary influence factors is analyzed1Taking aim at de2 creasing cutting dust , roadheader design parameters ing minimum dust per unit coal output are sought by means of optimization 1The study shows that dust production per unit coal output of a roadheader may be re2 duced about 20 after optimized design by this . Key words roadheader ; dust production per unit coal output ; optimized design 934第4期李晓豁等基于产尘量最小的掘进机参数优化设计研究 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.