螺旋钻采煤机输送机构的参数优化设计.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 螺旋钻采煤机输送机构的参数优化设计∗螺旋钻采煤机输送机构的参数优化设计∗ 李晓豁，林其岳，何洋 辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁 阜新，123000 Emaillixiaohuo 摘摘 要要为了改善螺旋钻采煤机的输送性能、提高其输送效率，以螺旋输送机构的内径、螺 距、螺旋升角、中心杆的强度以及转速为设计变量，选择输送机构输煤生产率最大和能耗最 低作为优化目标，采用遗传算法和蚂蚁算法的混合算法（GAAA 算法）对螺旋输送机构进 行参数优化。优化结果表明，在输送机构外径和螺旋叶片厚度不变的情况下、在保证结构强 度与刚度要求和不堵塞等条件下，螺旋钻采煤机的输煤生产率提高了 23.17，输送效率提 高了 12.93。该项研究对于合理设计螺旋输送机构、正确选择运动参数、改善螺旋钻采煤 机的性能有指导作用和参考价值。 关键词关键词螺旋钻采煤机 螺旋输送机构 参数优化 GAAA 算法 中图分类号中图分类号TD421.63 文献标识码文献标识码A 0 引言引言 输送机构是螺旋钻采煤机[1]的重要组成部分，是实现快速、优质钻进的关键部件，在工 作过程中传递钻机与孔内钻头间的动力， 承受着作用于钻头上的进给力和回转扭矩以及冲击 与振动[23]，工况十分复杂，计算、分析非常困难，其设计质量和工作性能直接影响螺旋钻 采煤机的工作可靠性和使用寿命。 现有螺旋输送机构一般按照传统方法设计， 参数取值不尽 合理，因此输送效率较低、能耗大、使用性能差。因此，对螺旋钻采煤机输送机构参数的研 究显得尤为重要。本文将利用遗传算法和蚂蚁算法的混合算法（GAAA 算法），对螺旋输 送机构的参数进行优化设计，以使其参数符合工况要求，更趋合理。 1 数学模型的建立数学模型的建立 1.1 螺旋输送机构输煤机理螺旋输送机构输煤机理 螺旋输送机构是利用螺旋叶片将煤块推移式前进，实现输送任务。煤块的自身重力、煤 块之间的粘滞力、以及煤块与叶片和煤壁之间的摩擦力，阻止其随螺旋叶片旋转，从而在叶 片推动下挤压式直线前进。 取标准的等螺距、等直径的多头螺旋进行分析。以距离螺旋轴线r处的煤颗粒 M 作为 研究对象，如图 1 所示。当输送机构以角速度ω绕轴旋转时，M 的运动速度可由图 2 所示 的速度三角形求解。煤颗粒 M（即点 O）的线速度 0 vωr用矢量OA表示，方向为沿 O 点 回转的切线方向； M 相对于螺旋面滑动的速度， 平行于 O 点的螺旋线切线方向， 用矢量AB 表示。当不考虑叶片摩擦时，M 绝对运动的速度v应是螺旋面上 O 点的法线方向，可用矢 量OB表示。由于煤与叶片有摩擦，煤颗粒 M 运动速度v的方向应与法线偏转一摩擦角φ。 对v进行分解，得到煤颗粒的轴向速度 1 v煤的输送速度和圆周速度 2 v煤的输送阻滞和干 扰[4]。 ∗ 1本课题得到国家自然科学基金（项目编号59774033）的资助； 2本课题得到国家煤矿安全监察局计划指导性项目（项目编号06-292）的资助。 中国中国科技论文在线科技论文在线 - 2 - 根据对煤颗粒 M 的运动速度分析，可得煤颗粒沿轴向移动的速度 tan1 60 cos 2 1 α α − Ln v 1 式中，L-叶片导程,L＝ c Dαπtan ； c α -螺旋叶片平均升角 c α 2 oi αα ； i α 、 o α -螺旋 叶片内、外径的升高角；n-输送机构转速；α-O 点的螺旋升角；-煤与叶片间的摩擦因 数,＝ φtan ；φ-煤对螺旋面的摩擦角。 1 V n V 0 V 2 V φ α 图 1 位于螺旋输送机构上的煤粒 M 图 2 螺旋面上煤颗粒运动速度分析 Fig.1 The coal particle M located on spiral conveyor device Fig.2 Velocity analysis of coal particles on Spiral surface 1.2 输送机构最大可能装载截面积输送机构最大可能装载截面积 根据文献[2]可知，输送机构的最大可能装载截面积为 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −− c io L m DDS α δπ cos 1 4 22 2 式中， o D-叶片外缘直径； i D-叶片内缘直径；m-叶片头数；δ-叶片厚度。 1.3 输送机构的输煤生产率输送机构的输煤生产率 输送机构输煤生产率为 1 60SvkQ c 3 式中， c k-煤流的充填系数； p v-煤沿输送机构的轴向流动速度,m/s。 煤沿输送机构轴向流动的速度 p v可按螺旋叶片平均升角 c α处的煤流速度 1 v简化计算， 由式1得 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ φ αα φ αα 2 cos cos60 2 cos oi oi p Ln v 4 则 22 o 4 i DDQ− π ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − δ αα mL io 2 cosc nkφφ αα cos 2 cos yg 5 1.4 输送机构的能耗输送机构的能耗 输送机构的输送功率[5]为 ] 30 8[ 360 11 11 1 ooo D LH D L fL D LQf N 6 中国中国科技论文在线科技论文在线 - 3 - 式中， 1 f-电动机安全系数； 1 H-螺旋槽深度,2 1 ）（ iO DDH−； 1 L-输送机构长度。 1.5 优化的数学模型优化的数学模型 由式5可知， 影响Q的参数共有 10 个，其中m，δ可根据输送机构结构预先确定， o D 是由钻头直径和截齿径向外伸长度确定， c k根据煤的机械物理性能确定。故选择 i D，n， L， i α， o α作为设计变量，则优化设计变量X可表示为 X[ 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x T ] [ i D n L i α o α T ] 输送机构输煤生产率Q和能耗N是X的函数， 构造输送机构输煤生产率及能耗的等价 目标函数如下 NQxFxFxF 212211 ][min[λλλλ−−−−− 7 式中， 1 λ、 2 λ加权因子，分别取为 0.55、0.45。 2 1 2 o1 4 xDxF− π ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − δm xx x 2 cos 54 3 2 x c kφφcos 2 cos 54 xx ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − − δφ φ π m xx x D xDL D x LxD xx D kxx xF o o oo c 2 cos] 15 35. 08[ 2 cos cos1200 54 3 113 1 2 1 2 o 5432 2 2 约束条件的选择约束条件的选择 2.1 刚度约束刚度约束 输送机构的最大挠度 max f不应超过其许用值[ ]f，即 ][ 64 102168 .90052.016 4 11 3 1 4 11max f D GLEIqLkf i ≤ π 8 式中， 1 k-系数；E-弹性模量；I-惯性矩，64 4 i DIπ；q-载荷， 1 8 . 9LGq；G- 输送机构的质量。 2.2 扭矩强度约束扭矩强度约束 输送机构螺杆轴所受的最大剪应力 max τ不应超过材料的极限剪应力][τ， 则有 ][ 16 1055.9 3 6 max τ π τ≤ in DW T 9 式中，T-螺杆轴所受的扭矩； n W-抗扭截面系数， 3 16 in DWπ [6]。 2.3 不堵塞的转速约束不堵塞的转速约束 为使输送机构在装煤过程中既不堵塞又不至于将煤块抛过采空区,输送机构的转速n大 于装煤不发生堵塞的最低临界速度 1 n且小于将煤块抛过采空区的最高临界速度 2 n [7],即 21 nnn≤≤ 10 coscos cos4 22 0 1 φαψδαπ φ −− − cccio lpq mLDD HkHkBv n , 222coscos cos 2 occ DhHL gba n −− αφα φ 。 式中，B-截深； q v-钻进速度；H-采高； p k-煤的松散系数； l k-装煤量系数； 0 H- 浮煤堆积厚度；a-输送机构外缘至输送机间的水平距离；b-溜槽宽度；h-溜槽高度；g-重 力加速度。 中国中国科技论文在线科技论文在线 - 4 - 2.4 螺旋叶片内径的约束螺旋叶片内径的约束 为保证螺旋叶片具有足够的装煤空间， 防止堵塞或过多的循环煤量， 因此螺旋叶片内径 一般推荐为[7] 0.3 o D≤ i D≤0.42 o D 11 2.5 螺旋叶片升角的约束螺旋叶片升角的约束 实践表明[7]，叶片内缘升角 i α一般取 25～45,而同一输送机构的叶片内外缘导程一样， 因此螺旋叶片外缘升角 o α一般取 8～22。 2.6 螺旋叶片导程的约束螺旋叶片导程的约束 输煤过程中要使得轴向输送速度尽可能大并且大于圆周速度，即 12 vv≤，将式1代入 并整理得 L≤42Φr−ππ 在螺旋叶片外缘处, o 2Dr ,上式可写成L≤π4ΦDo−π。同时，为了使两叶片之 间的空间能顺利排煤而不被大块煤卡住，两叶片间距应满足[8] 4 .025.0cos≥mL c α 12 螺旋叶片的螺距与叶片深度之比应满足[8] 4 . 4 2 0 . 1≤ − ≤ io DDm L 13 螺旋叶片任意直径处的导程相等，即 Lπ o D o αtan外缘，Lπ i D i αtan 内缘 根据以上条件，给出螺旋钻采煤机输送机构的参数约束为 中国中国科技论文在线科技论文在线 - 5 - ）（ 14 0tan 0tan 0][ 0][ 02 . 2 02 0 2cos4 . 0 0 4 tan 025 045 08 022 0cos222cos 2 cos 0 2 cos 2 coscos4 042. 0 03 . 0 .st 35116 3415 max14 max13 1312 3111 54310 39 58 57 46 45 5 54 24 54 5 54 3 2 1 2 03 o12 11 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ − − ≤− ≤− ≤−− ≤−− ≤− ≤−− ≤− ≤− ≤− ≤− ≤−−− ≤ − −−− ≤− ≤− xxxDxg xxDxg ffxg xg xDmxxg xxDmxg xxxmxg Dxxg xxg xxg xxg xxg gbaDhHx xx nxxg n xx mx xx xxDHkHkBvxg Dxxg xDxg o o o o o o colpq o π π ττ φ π π φφ φψπφ 3 优化方法的确定优化方法的确定 遗传算法和蚂蚁算法的混合算法（GAAA）的思路是前过程采用遗传算法，充分利用遗 传算法的快速性、随机性、全局收敛性，结果是产生有关问题的初始信息素分布；后过程采 用蚂蚁算法，在有一定初始信息素分布的情况下，充分利用蚂蚁算法的并行性、正反馈机制 以及求解效率高等特性，提高求解效率，在求精解效率上优于遗传算法.是时间效率和求解 效率都比较好的一种新的启发式方法[9]。 函数优化问题的 GAAA 算法描述如下 GAAA 的遗传算法部分1定义目标函数和适应值函数；2随机生成一组实数编码；3 根据适应值函数选择X,Y；4对X,Y进行交叉计算；5根据适应值函数进行逆转变异；6 进行递归迭代，直到生成若干组优化解。 GAAA 的蚁群算法部分1初始化参数，根据优化解生成吸引强度初始分布；2将l只 蚂蚁置于各自的初始邻域，每只蚂蚁按概率 ij p移动或做邻域搜索；3计算各蚂蚁的目标函 数 k zk1,,l，记录当前的最优解；4按更新方程修正轨迹强度；5 j τ∆ 修正， count←countl；6若 count预定的迭代次数,则转到 2；7输出最优解。算法结束。 4 优化实例优化实例 以某型螺旋钻采煤机作为研究对象，其有关参数如下 o D0.625m,m3,δ＝ 0.030.04m, c k0.40.6,α18, 1 k0.0052, 1 L1.20m, [ ]f0.0001 1 L,][τ8.0107, 1 f1.2,T9.55106N/m2,g9.8m/s2,B0.61.0m, H0.60.9m, p k1.51.7, l k0.56, 0 H0.1m,a0.20.3m,b0.30.4m,h0.150.3m, 中国中国科技论文在线科技论文在线 - 6 - 0 N132kW, q v1.5m/s。 利用 MATLAB7.1 软件包编制算法程序，根据 GAAA 算法对目标函数进行优化求解 [10-12]。经过 MATLAB 优化后的结果与原设计方法比较如表 1 所示，其中输送效率η 据下式 [13]求得 ∫ ∫ drr drr c D D c D D O i O i tan tan 22 2 22 2 φα α η 式中，r为 i D的半径。 表 1 优化前后的参数及其变化 Tab.1 Parameters and their changes before and after optimized i D m n r/min L m i α o α Q m3/min max τ max f N kW η 优化前 0.19 60 0.442 36.6 16.51.5736 7.39107 4.4310-7 126.35 46.08 优化后 0.20 64.5 0.447 34.6 16.41.9382 5.47107 4.7310-7 121.26 58.01 变化量 5.3 7.5 1.1 -5.5 -0.0623.17 -25.9 6.88 -4.02 12.93 由上可见，参数优化后，螺旋钻采煤机输送机构的转速由 60r/min 提高到 64.5r/min，使 输送生产率增加；输送机构内径的增大，提高了螺杆的强度；增加螺距提升了输送机的载煤 能力；挠度略增，但变化不大，满足设计要求；最大剪应力明显减小；螺旋叶片的升角减小， 使轴向输送速度变大，输送效率提高，实际输送功率（能耗）有所降低。 5 结论结论 研究表明， 在保证螺旋钻采煤机输送机构外径和螺旋叶片厚度不变的情况下， 通过参数 优化设计，可使螺旋钻采煤机输送机构螺杆轴的抗剪切强度提高 25.9，螺旋输送机构输煤 生产率增加 23.17，而输送机构功率降低 4.02，输送效率提高 12.93。 该项研究对于合理设计螺旋输送机构， 正确选取结构参数与运动参数、 改善螺旋钻采煤 机输送机的性能有一定的指导作用和参考价值。 参考文献参考文献 [1] 李纪青．螺旋钻采煤法[J]．煤矿开采，2001231-43. 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The productivity of coal conveying has improved 23.17 and the transmission efficiency has improved12.93. The study for reasonable design of spiral conveyor device, correcting choice motion parameters and improving the perance of coal auger has guidance and reference value. Key words Coal auger;spiral conveyor device;parameter optimization;GAAA algorithm 作者简介 李晓豁李晓豁（1953-），男，辽宁锦州人，教授，博士生导师；阜新矿业学院机电工程专业毕业， 现任辽宁工程技术大学机械工程学院副院长，机械设计及理论学科（博士点学科）学术带头 人，车辆工程学科带头人，研究方向现代机械设计理论与方法、机械系统建模与仿真、机 电一体化技术、 大型工矿装备的动力学行为与控制技术研究； 主持完成国家自然科学基金项 目、煤炭部重点科研项目和辽宁省教育厅重大基础研究项目等国家及省部级以上科研课题 12 项，获中国煤炭工业协会、中国煤炭学会等科技进步奖项 28 项；获国家发明专利、实用 新型专利 13 项；发表学术论文 280 篇，45 篇被 EI 和 ISTP 收录；出版专著 3 部、编著手册、 教材 13 部，其中主编 10 部；培养国内外博士、硕士研究生 88 名；兼任中国机械工程学会 机械工业自动化分会委员、 中国振动工程学会动态测试专业委员会委员、 全国高校机械工程 测试技术研究会理事、 中国煤炭学会煤矿机电一体化专业委员会委员、 中国煤炭学会短壁机 械化开采专业委员会委员、 国家煤炭工业煤矿专用设备标准化技术委员会委员 （并兼任其采 煤机械分会委员、掘进机械分会委员）、中国煤炭机械工业协会理事、中国重型机械工业协 会矿山机械分会委员、 国家煤炭工业矿山机械工程重点实验室主任、 大型工矿装备实验研究 中心（辽宁省高校重点实验室）主任、辽宁省大型工矿装备重点实验室主任、西部探矿工 程编委会副主任委员等职。地址辽宁省阜新市中华路 47 号。 林其岳林其岳（1984-），男，福建永春人，辽宁工程技术大学机械设计及理论专业硕士研究生 何洋何洋（1982-），男，辽宁锦州人，辽宁工程技术大学机械设计及理论专业硕士研究生 中国中国科技论文在线科技论文在线