1、附录A采煤机滚筒的优化设计陶驰东 陈翀摘要：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。 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。1 采煤
2、机滚筒的模拟实验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： ， ，这里T是次数。其他
3、的符号的意思如表格1-1所示表1-1 与截割过程相关的采煤机滚筒的参数Tab.1-1Parameters associated with the cutting process of shearer drum参数 LMT 比例 独立值 量纲 因子 独立非独立结构发动机械性能指数滚筒直径D/mm滚筒宽度W/mm螺旋叶片Y截齿密度N刀具间隔S/mm切刃宽度B/mm滚筒速度n/ rmin -进给速度V/mmin - 1切物抗压强度R1 /MPa滚筒势力FX ,Fy , FZ /N滚筒转矩M /Nm比能/MJ /m- 3负载波动/%LL-LLLT- 1ML - 1T- 2MLT- 2ML2T- 2ML
4、 - 1T- 21:41:41:11:11:41:42:11:21:41:641:2561:4(300) 3 , (400) ,500140(2) ,3 , ,41 , (2) ,3 ,4(10) ,15 ,20660(90) 20001175(1) 5125013 ,0148 ,015(0153) , (0157) ,1117为了全面的看参数之间的关系，所有的实验安排如表1-2所示。表1-2实验程序Tab.1-2Experimental procedure实验条件步骤 变量 数据 追加第一步123456 ， ， ， ， ，第二步23456， 最后一步1， 每个关系式中(I=1,2,36) 数
5、值，另外第二个数值/和/分别对应和关系式。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1-2里。每个项的基准值（i=1到6），另外和的第二个基准值和被分别确定。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
6、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到的基准组合的分析。对组进行修改需要改变滚筒的直径。它的困难一点不比修改小。为了方便，实验的最后阶段可以与具有不同和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1-1）。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（MJ/）可以用下列等式计算：=， （1-1） 这里的是滚筒速度，单位是rad/s。其余的符号的意思在表格1-1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： ， （1-2
7、） ， （1-3） ， （1-4） ， （1-5） ， （1-6） ， （1-7） 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h的增加，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1-1）。图1-1比能与独立变量的关系Fig.1-1Relationships between Specific Energy H and Independent Parameters2 采煤机滚筒的数学模型
8、采煤机滚筒优化设计的数学模型是基于以下不同的x值建立的： X=x,x,x,x,x,x,x=D,S,V/(nN),Y,N,n, （2-1）其中是叶片的螺旋升角。2.1目标函数 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, （2-2） 从方程（1-3）和（1-7）我们可以得到H(x)=H(D),H(x)=H(s)等等。 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minF(X)=H(X)+(X) , （2-3） 这里的和是权重因子。 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
9、从模拟实验中得到。但是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,正向切割阻力为和侧向力，相应地由下面公式给出： ， （2-4） ， （2-5） ， （2-6） 其中： 在截齿的切屑阻力，； 切屑材料的抗压能力，MPa； 齿尖磨损面在切屑投影面的面积，； =0.38到0.42阻力因数小于碎片厚度，且大于因数值； =0.5到0.7比例因数小于切屑厚度并大于材料脆性因数 =0.8到1.5比例因数，大于材料脆性且小于因数 进给区域中第i个截齿的三角位移 相邻割线上第i个截齿的工作空间，； 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=0.3，d=0.15，
10、e=1.4； 当不连续布置时 .c=2.2，d=0.1，e=1.0；作用在叶片齿上的侧向力Ai指向煤壁，端盘齿受的侧向力指向采空去。在同一时间j作用在所有做参与截割的齿上的力沿着坐标轴分解成分量，然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： , （2-7） , （2-8） , （2-9） 这里的NP是在同一时间做切割运动的齿的个数。 采煤机滚筒载荷波动系数可以定义为： （2-10） 其中 质量因数； 的各自自振动因数； ， 其中 NK滚筒旋转的计算值； NK位置的力的值；（） 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
11、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。2.2 约束性能2.2.1 切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n决定。找出截齿空间的真正影响比掘进速度V更有用。那就是为什么V/(nM)被作为独立设计变量x而采用。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 ， （2-11） 每线三齿的三头螺旋叶片 ， （2-12）其中切割槽的断角；螺旋叶片的导程，mm；切割的最大深度，mm。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 （2-13） 其中截齿的延伸半径，mm；修正因素。同时，刀具最大尺寸约束条件满足 。
