文献翻译-采煤机滚筒的优化设计

1 附录 A 采煤机滚筒的优化设计 陶驰东 陈翀 (机械工程学院，中国矿业大学，徐州 221008) 摘要 ： 在模拟实验的基础上，采煤机滚筒优化设计软件已有了很大的发展，采煤机滚筒的主要参数也已经被优化，优化技术与模型实验相结合使得采煤机滚筒的设计理论更完善。 关键词 ：采煤机滚筒；模拟实验；优化设计 采煤机滚筒是现代采煤机械的主要工作机构。 1993年，我国有三亿多吨煤是利用采煤机装卸设备完成的。因此，采煤机滚筒结构和主要参数的优化设计不可避免地带来其工作性能的改进 。如生产率、截煤率和单位能耗等。这不仅仅是经济效率，更重要的是降低了因采煤粉尘造成的危害性。 2 这篇论文就是要讨论的是优化技术与模型实验相结合，这样可使得滚筒的设计理论系统更为完善，设计质量更高。 研究采煤机滚筒技术的模拟实验是具有经济效益和实际效益的，完成装备测试和实验材料的加工意味着信息资料的搜集和整理已经完成。因此，必要的材料和理论基础已准备好实现我们研究任务。 本文所讨论的采煤机截割过程中的相关参数如表 1所示。这些参数范围含盖了现代采煤机装卸 机构的所有可能方面。模型长度比例为 1： 4，其他的模型参数依此而得。考虑到拉力强度和易碎材料的抗压强度的弹性模量之间存在固定的比例关系，简化了模型切削材料的机械参数。在尺寸模拟分析之后，特征方程式也就建立了。收集最基本的变化是为了将独立的参数代入相对应的独立的 的方程。在我们的模型实验里有 6个独立的 的方程： 1 ， 2 ， 3 4 ， 5 ， 6 3 这里 他的符号的意思如表格 1所示 根据第二相似原理，相似现象的相似性标准具有相同的值。因此，根据相似性特征，模拟实验的结果可以被展开成相似的截割过程。在实验中采煤机滚筒的受力沿着三个坐标方向，并且滚筒轴转矩可以直接测量出来。但是，滚筒的单位能耗和载荷波动是不可分割的参数，只能从实验结果中计 算出来。为了全面观察各参数之间的关系，所有实验结果被列在表格 2里。每个 项的基准值 i（ i=1到 6），另外 1 和 2 的第二个基准值 1 和 2 被分别确定。 每次实验时一个 项不相同而其他值相同。因为准备多种切削强度不同的人造工作面是很困难的，所以，对于 1 来说有两个基准值，并且因此而需要进行更多的实验。 通过两个实验结果，足可以证明标准方程式的成立。从这方面来说，实验的最后阶段是不需要，但是它可满足所有的从 2 到6的基准组合的分析。对 2 组进行修改需要改变滚筒的直径。它的困难一点不比修改 1 小。 为了方便，实验的最后阶段可以与具有不同 1 和 2 值的第一阶段实验一起进行。 测量系统在实验开始前已经调整好。所有的信息都将被记录在磁盘上。然后根据不同需要进行动态分析（图表 1）。也就是将测量值和他们的波动计算出来，不同参数之间的关系就知道了。 作为一般效率的滚筒，单位能耗 3m ）可以用下列等式计算： M 30 ， （ 1） 4 这里的 是滚筒速度，单位是 s。其余的符号的意思在表格 1中给出单位能耗与独立参数之间的关系如图 2。公式关系如下： 1 8 ， （ 2） ， （ 3） 9 2 ， （ 4） 2 ， （ 5） ， （ 6） m a xm a x / ， （ 7） 因此，截割材料的抗压强度会对其产生一个非常明显的影响，滚筒直径的影响是不显著的。三头叶片比其他的好。每线一齿适合低速、高硬度的煤层，而每线三齿的适合高速软煤层。 随着切削厚度的最大值 单位能耗在减小，但是超过它的最佳值仅能使单位能耗有少量降低。通常，刀具的空间与切屑的最大厚度的最佳比例是 1： 2（见图 3）。 5 2 采煤机滚筒的数学模 型 采煤机滚筒优化设计的数学模型是基于以下不同的 X=x3,x5,x6,D,S,V/(nN),Y,N, ,n, （ 8） 其中 是叶片的螺旋升角。 标函数 根据模拟实验结果的部分数据，各项之间的乘法关系已经得到。因此，单位能耗的函数如下： H(X)=R 51)(i （ 9） 从方程（ 3）和（ 7）我们可以得到 H(=H(D),H(=H(s)等等。 6 这项工作的优化目标是单位能耗和滚筒的载荷波动趋于最小，因此 )= 1 H(X)+ 2 (X) , （ 10） 这里的 1 和 2 是权重因子。 滚筒的载荷波动受很多因素影响，大体上，由滚筒的设计决定。滚筒的受力波动和独立参数之间的联系，也可以从模拟实验中得到。但是 )(x 的推论是相当复杂的，因此，这个可以近似地计算。 作用在径向的阻力向切割阻力为应地由下面公式给出： 0， （ 11） 0， （ 12） )s i n(s i nm a xm a x ， （ 13） 其中： 0z 在截齿的切屑阻力， 6,5N ； R 切屑材料的抗压能力， 齿尖磨损面在切屑投影面的面积， 2 f = 阻力因数小于碎片厚度，且大于因数值； 比例因数小于切屑厚度并大于材料脆性因数 比例因数，大于材料脆性且小于因数 i 进给区域中第 相邻割线上第 c,d,e 由滚筒边缘布置的扁平面的齿决定的因数： 当连续布置时 c=d=e= 当不连续布置时 d=e= 作用在叶片齿上的侧向力 盘齿受的侧向力指向采空去。在同一时 间 后在每个方向上合成，作用在水平方向、垂直方向和轴向力分别为： 7 s s( , （ 14） )c o ss i n(1 , （ 15） （ 16） 这里的 采煤机滚筒载荷波动系数可以定义为： )(（ 17） 其中 ,xc zy 质量因数； ,的各自自振动因数； ， , 其中 滚筒旋转的计算值； , ） 通常，采煤机滚筒由螺旋圆柱和叶片组成。在计算中，这 两部分的不同的连接必须被考虑，这样以来，计算就相当复杂了。在本工程中，计算采煤机滚筒的载荷波动系数的软件已经开发成功。 束性能 削功能上的约束 在齿数恒定的情况下，切屑的最大厚度由 V与 出截齿空间的真正影响比掘进速度 就是为什么 V/(nM)被作为独立设计变量 碎块的横断面是合理的切削条件，虽然理论推导需要由最佳的进给刀具获得。每线一齿的三头螺旋叶片 8 a xm a （ 18） 每线三齿的三头螺旋叶片 )1(3 m a xm a ， （ 19） 其中 切割槽的断角； 螺旋叶片的导程， 00切割的最 大深度， 等式（ 18）是优化设计的基础条件。 此外，延长截割的约束条件，使 20） 其中 截齿的延伸半径， 修正因素。 同时，刀具最大尺寸约束条件 。 （ 21） 荷约束 为了保证滚筒不受挤压，滚筒转速不能超过极限值 c o s)c o s ()c o (c o s)(4220 ， （ 22） 其中 螺旋叶片外径， 滚筒的轴径， 螺旋叶片与煤块的磨擦角； 0H 煤层离地面的高度， 9 =1.5 煤的松散系数。 z 滚筒的充满系数。 实验证明和理论分析，滚筒的螺旋升角 为 18 23 时，承受载荷能力最好。 为了装载一定块度的煤（材料），叶片空间尺寸不能小于极限值（ 其值不能超过极限值 因此 m i ns in y ， （ 23） 其中 t 螺旋叶片的厚度， 为了避免材料或煤和滚筒一起旋转，螺旋叶片的高度和空间位置必须保证合理， )(2 1 （ 24） 为了使 滚筒载荷稳定，螺旋叶片的包角不能超过 420 ， 20360 ， （ 25） 构约束 没线截齿数不能多于叶片头数 ， （ 26） 喷嘴的布置，沿着螺旋叶片的分布，相邻之间的距离不能小于极限值 （ 27） 为了避免采煤过程中碰到顶板和底版，滚筒直径必须小于采煤机最小截割高度 m D （ 28） 如滚筒的前后载荷性能相同，装载效率从 60%到 80%，对中厚煤层应满足 （ 29） 对薄煤层，考虑到装载能力的要求，滚筒直径应满足 （ 30） 10 学模型 综上所述，采煤机滚筒优化设计的数学模型如下 )()()(.m i n 21 ， 0)(1 0)(2 ， 其中75m a x3 02)( 234 0)(35 76 22）滚筒速度决定的。 0)(457 i n)(64m i y 其中2 1 螺旋叶片的外径 0s i n)( 6m i 0)(21)(4610 04)(2)(46111 03 6 04 2 0)(6412 tg 113 x 1300 11 ,0150)( m 1x 1300 ,115 3001 x ,116 3001 x 3 优化算法和优化软件 在滚筒的近似设计，例如 国） （前 苏联）的算法和软件，载荷波动系数是检验设计质量的一个重要指标。但在本篇论文中载荷波动的计算放在了目标函数中，使其趋于最小。当然，对于目标函数的评估是很复杂。 我们的计算机程序中包括一组优化算法程序包，通过模型特征和分析比较细微结果来确保随机方向算法的有效实现，它的特点是需要数学建模来确保对运行结果的比较与分析，随机系统是有效且合理的。 采煤机滚筒优化设计软件提供了系统化的设计，它包含如下不同种命令： 1） 主要命令，它是选择输入与输出的格式化命令子程序； 2 ） 数据区中评估参数的子程序命令； 3） 最初输出数据并建立数据结果的命令； 4） ； 5） 6） 2 优化设计的子程序。 此外，这些子程序命令用来坐标计算，受力分析，载荷波动系数分析。在随机系统中，每个命令也可以随即指派任务。该软件工作流程如图 4。采煤机滚筒优化设计用 为了检验并证明，举 6型采煤机为例，初始化参数为： ， ， 50 ， 1 ， 35 3 630W m， 25B m， 75PL 数： 20 ， 4.0z ， k ， 3.04.03.0 ， 。主要参运行参数和采煤机滚筒程序运行结果见表 3和表 4参数并不明显，但程序执行变化值得注意，动力减少了 8%，载荷波动减少了 负载能力增加了 16%。 4 结论 本篇论文主要结论如下： 1）单位能耗取决于很多因素。其中受材料的性能和截齿密度的影响 最为重要 2）对中厚煤层，每条割线上三个截齿的三头螺旋叶片适合大进程切割软煤层，每条割线上带一个截齿的三头或两头螺旋片适合小进程切割硬煤层，每条割线上带两个截齿两头螺旋叶片采煤机适合人机共同操作形式。 3）滚筒镶边的布置对其运动很有影响，概括为，多变的布置提供大的煤块的运动速度，低能耗和低载荷。 4）滚筒的周边截齿的布置，尤其是最后一个对载荷波动变化的影响很多。 5）对于最佳截齿间隔安排，切屑最大厚度们之间都有明确的关系。 13 6）合理的螺旋叶片 角度是从 18 到 23 ，只要符合结构就好，当然最小值更好。 7）本篇论文涉及到不同种综合因素。从最初的研究证明到