不同工况下掘进机截割性能多目标优化.pdf
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1、1037.Vol.55,No.9COAL ENGINEERING第55卷第9 期程炭煤doi:10.11799/ce202309018不同工况下掘进机截割性能多目标优化张洪清,韩振国,马传斌,王国徽3,王斌3,孙安磊3,谢苗4,蒋泽旭4,吴吴霞4(1.扎贵诺尔煤业有限责任公司生产技术部,内蒙古满洲里021400;2.扎贵诺尔煤业有限责任公司灵露煤矿,内蒙古满洲里021400;3.扎贵诺尔煤业有限责任公司铁北矿,内蒙古满洲里021400;4.辽宁工程技术大学,辽宁阜新123000)摘要:为了提高掘进机的截割效率,以掘进机截割部的运动参数为设计变量,研究悬臂式纵轴掘进机的截割头自转速度、摆动速度等
2、运动参数对截割性能的影响,用MATLAB模拟各性能参数变化规律,以单个截齿载荷分析为基础,建立截割头各向载荷数学模型,根据现场经验给定运动参数设计空间,建立截割头的截割阻力、负载转矩、截割比能耗和截割生产率目标函数,采用线性加权法将多个优化目标转为单个目标,分别给出正常工况和夹研工况的加权系数,求解截割运动参数最优配置,在EDEM仿真软件中对优化前后的截割性能进行验证,结果表明最优运动参数下的掘进机综合截割性能更优,截割能力、破岩能力提升,截割比能耗降低,生产率得到了显著提高,产尘量得到了一定程度的控制。关键词:掘进机;截割性能;运动参数;多目标优化中图分类号:TD421;T B42 1.5文
3、献标识码:A文章编号:1 6 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 9-0 1 0 3-0 5Multi-objective optimization of cutting performance of roadheaderunder different working conditionsZHANG Hongqing,HAN Zhenguo,MA Chuanbin,WANG Guohui,WANG Bin,SUN Anlei,XIE Miao*,JIANG Zexu*,WU Xia(1.Production Technology Department,Zalainuoer Coal Mi
4、ne Co.,Ltd.,Manzhouli 021400,China;2.Linglu Coal Mine,Zalainuoer Coal Mine Co.,Ltd.,Manzhouli 021400,China;3.Northern Iron Mine,Zalainuoer Coal Mine Co.,Lid.,Manzhouli 021400,China;4.School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)Abstract:In order to improve the cu
5、tting efficiency of the roadheader,the motion parameters of the cutting part were taken asthe design variables,and the influence of the motion parameters such as the rotation speed and swing speed of the cutting headof the cantilever longitudinal roadheader on the cutting performance was studied.MAT
6、LAB was used to simulate the variationlaw of each performance parameter.Based on the analysis of a single pick load,the mathematical model of the load in eachdirection of the cutting head was established.According to the design space of the motion parameters given by the fieldexperience,the objectiv
7、e functions of the cutting resistance,load torque,cutting specific energy consumption and cuttingproductivity of the cutting head were established.The linear weighting method is used to transform multiple optimizationobjectives into a single objective.The weighting coefficients of normal working con
8、ditions and gangue working conditions weregiven respectively,and the optimal configuration of cutting motion parameters was solved.The cutting performance before andafter optimization was verified in EDEM simulation software.The results show that the comprehensive cutting performance ofroadheader un
9、der the optimal motion parameters is better,the cutting ability and rock breaking ability are improved,the cuttingspecific energy consumption is reduced,the productivity is significantly improved,and the dust production is controlled to acertain extent.Keywords:roadheader;cutting performance;motion
10、parameters;multi-objective optimization收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 0作者简介:张洪清(1 97 6),男,内蒙古呼伦贝尔人,研究方向:煤矿机械设计,E-mail:1 6 58 452 1 q q.c o m。引用格式:张洪清,韩振国,马传斌,等。不同工况下掘进机截割性能多目标优化J煤炭工程,2 0 2 3,55(9):1 0 3-1 01042023年第9 期程研究探讨炭煤近几年我国煤炭开采智能化发展速度逐步加快,综掘工作面的无人化发展研究也在相应展开。而随着生产需求对掘进效率、掘进安全的要求的逐渐提升,如何通过现代机械设计理论和计算机优化设计
11、方法实现掘进效率提升的同时降低研究成本和保障研究结果可靠成为未来的发展趋势1-31 。国外专家学者主要针对采煤机的运动参数优化问题展开了谈论,对粉尘量及生产率的影响归结为采煤机截割深度和滚筒转速,鲜有研究悬臂式掘进机截割运动参数优化问题4-6 。国内专家学者在基于截割性能的采煤机、掘进机截割部结构参数优化方面的研究成果较为丰富7.8 ,但是针对截割部运动参数优化仍有较大研究空间。部分学者在研究截割运动参数的优化问题时,忽略了待截割断面的组织结构的复杂性和特殊性,在截割较硬煤岩和软岩时截割部性能在不同方面表现出较大差异9-1。因此,本文考虑不同截割工况对截割性能的影响不同,利用线性加权法对夹研煤
12、岩和普通煤岩截割过程的截割运动参数进行优化设计,考虑实验成本和实际截割过程中干扰项较多,因此本文拟使用仿真实验的方法对优化设计结果进行验证1截割性能指标1.1截割载荷煤是一种非均质性材料,煤的破碎过程是一个不确定性过程。镐齿通过截齿以一定角度和速度楔人煤岩,当镐齿截割煤岩时齿尖接触煤岩产生的压力超过一定值,煤岩产生破碎,并且破碎的面积会随着镐齿楔人逐渐增大1 2,1 3O煤岩块体剥落截齿图1截齿破岩过程单个截齿截割力模型:sin2(/2+yai)/2+p,/3FcFJh?+1580(1)cos(p/2+ai)/2+p,/3g=0.4g。+5.6 5g,(2)式中,Fc,为无截槽影响时最大截割力
13、,N;。和,分别为煤岩抗压强度和抗拉强度,MPa;为截齿锥角,();。为截割角,();,为煤岩与截齿之间的摩擦角,();h,为截齿截割厚度,mm。10020(0.95sing;+0.05)092Tmn(3)式中,为截齿齿尖处摆动速度,m/min;m 为同一条截线上的截齿数;n为截割头转速,r/min;为截齿的位置角,rad。法向力可用下式计算:Fc;Fn;=(4)tangr式中,为煤岩内摩擦角:9-4c29,=arctan(5)4g.c式中,为煤岩煤岩内聚力。摆动截割时,纵轴式掘进机截割头上第i个截齿的三个方向分力分别为:Ra;=Fc,cosp;+Fn,sinp;coseRb,=Fc,sing
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