不同截割工况下变速截割采煤机截割性能多目标优化.pdf

第4 3 卷第8 期煤炭学报 V 0 1 ．4 3N o ．8 2 0 1 8 年8 月J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y A u g ． 2 0 1 8 葛帅帅，秦大同，胡明辉，等．不同截割工况下变速截割采煤机截割性能多目标优化[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 8 ，4 3 8 2 3 3 8 2 3 4 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 7 ．1 5 4 2 G ES h u a i s h u a i ，Q I ND a t o n g ，H UM i n g h u i ，e ta 1 ．M u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nf o rc u t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev a r i a b l es p e e dc u t t i n gs h e a r e r u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 8 ，4 3 8 2 3 3 8 - 2 3 4 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 7 ．1 5 4 2 不同截割工况下变速截割采煤机截割性能多目标优化 葛帅帅，秦大同，胡明辉，刘永刚 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆4 0 0 0 4 4 摘要为了在不同截割工况下实现采煤机安全运行和高效生产，以牵引速度、滚筒转速为优化变 量，以齿轮动载荷、采煤生产率、块煤率以及截割比能耗为子目标，建立了采煤机截割性能多目标优 化模型提出了基于权重系数轮换的各性能子目标权重系数的寻优方法，以确定适应不同截割工况 的最优权重组合。利用遗传算法优化得到正常煤层、夹矸煤层和岩石断层工况下随截割阻抗变化 的最优牵引一截割运动参数，并对比分析最优运动参数控制和传统牵引调速控制下采煤机的截割 性能。结果表明，与传统牵引调速控制相比，采用最优运动参数控制不但明显提高了正常煤层和夹 矸工况下的采煤经济性能，而且可安全快速通过断层区；此外，滚筒转速在2 4r ／m i n 附近时截割传 动系统出现局部共振，因此滚筒变速截割时应避免在共振转速下运行。所得结果为采煤机自适应 变速截割的实施提供参考。 关键词采煤机；变速截割；运动参数；截割性能；多目标优化 中图分类号T I M 2 1 ．6 文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 8 0 8 2 3 3 8 1 0 M u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nf o rc u t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev a r i a b l es p e e d c u t t i n gs h e a r e ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s G ES h u a i s h u a i ，Q I ND a t o n g ，H UM i n g h u i ，L I UY o n g g a n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f M e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n ，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4 ，C h ／n a A b s t r a c t I no r d e rt or e a l i z et h es a f eo p e r a t i o na n dh i g he f f i c i e n c yp r o d u c t i o no ft h es h e a r e ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，u s i n gt h et r a c t i o ns p e e da n dc u t t i n gs p e e da st h ed e s i g nv a r i a b l e s ，u s i n gt h ed y n a m i cl o a d so fg e a r s ，c o a lm i n i n g p r o d u c t i v i t y ，l u m pc o a lp e r c e n t a g ea sw e l la sc u t t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na st h es u b g o a l s ，am u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fc u t t i n gp e r f o r m a n c ei se s t a b l i s h e d ．T h e n ，a no p t i m i z a t i o nm e t h o df o rt h ew e i g h tc o e f f i c i e n t ss e l e c t i o no f t h ed i f f e r e n tc u t t i n gp e r f o r m a n c e si sp r o p o s e db a s e do nt h ew e i g h tc o e f f i c i e n t st r a n s f o r m a t i o n ，t od e t e r m i n et h eo p t i m u mw e i g h tc o m b i n a t i o nf o rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ．F i n a l l y ，t h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o ni sc o n d u c t e db a s e do ng e n e t i c o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h eo p t i m a lm o t i o np a r a m e t e r sw i t ht h ec h a n g eo fc u t t i n gr e s i s t a n c ea r eo b t a i n e du n d e rn o r - m a lc o a ls e a m ，g a n g u ec o a ls e a ma n dr o c kf a u l tc o n d i t i o n ．B e s i d e s ，ac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc u t t i n gp e r f o r m a n c eo f s h e a r e rb a s e do nt h eo p t i m a lm o t i o np a r a m e t e r sc o n t r o la n dt r a d i t i o n a lt r a c t i o ns p e e dc o n t r o li sc o n d u c t e d ．R e s e a r c h r e s u l t si n d i c a t et h a tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt r a c t i o ns p e e dc o n t r o l ，n o to n l yt h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c eo fs h e a r e r u n d e rn o r m a lc o a ls e a ma n dg a n g u ec o a ls e a mi so b v i o u s l yi m p r o v e d ，b u ta l s ot h ef a u l tz o n ec a nb ec u tt h r o u g hs a f e l y a n dr a p i d l yb ya d o p t i n gt h eo p t i m a lm o t i o np a r a m e t e r sc o n t r o l ；b e s i d e s ，t h el o c a lr e s o n a n c eo fc u t t i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa p p e a r e dw h e nt h ed r u ms p e e di s2 4r ／m i n ，h e n c ei ti sn e c e s s a r yt oa v o i dr u n n i n ga tt h er e s o n a n ts p e e dw h e n 收稿日期2 0 1 7 一l l 0 6修回日期2 0 1 8 0 3 - 0 6 责任编辑许书阁 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 4 作者简介葛帅帅 1 9 8 8 一 ，男，山东济宁人，博士研究生。E m a i l g e s s c q u ．e d u ．c a 通讯作者秦大同 1 9 5 6 一 ，男，重庆人，教授，博士生导师。E m a i l d t q i n c q u ．e d u ．c a 万方数据 第8 期葛帅帅等不同截割工况下变速截割采煤机截割性能多目标优化 t h ed r u mi sv a r i a b l e - s p e e dc u t t i n g ．T h eo b t a i n e dr e s u l t sl a yat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ea d a p t i v e v a r i a b l es p e e dc u t t i n go fd r u ms h e a r e r ． K e yw o r d s s h e a r e l ’；v a r i a b l es p e e dc u t t i n g ；m o t i o np a r a m e t e r s ；c u t t i n gp e r f o r m a n c e ；m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 滚筒式采煤机 简称采煤机 作为综合机械化采 煤工作面的核心设备，对提高工作面的产能和效率起 着决定性的作用【卜2 I 。然而当采煤机的结构参数给定 后，为了适应截割工况的变化、获得更高的经济效益， 可行的措施只能是调节运动参数，即牵引速度和滚筒 转速。但现有采煤机并未实现截割电机调速，滚筒仅 以恒定的转速进行截割，通过调节牵引速度防止截割 部过载。然而，当牵引速度在较大范围内变化时，滚筒 恒速截割很难保证采煤机处于截割能力强、截割比能 耗小、生产率高等综合| 生能最佳的工作状态。3J 。 针对采煤机滚筒恒速截割存在的不足，已有学者 提出采用滚筒变速截割，以提高采煤机截割性能。马 正兰等1 4 。o 为了对不同截割阻抗的煤层实现高块煤 率截割，提出了采煤机滚筒变速截割的思路，并通过 优化得到与截割阻抗相匹配的截割速度和牵引速度。 李晓豁等。6 1 为研究采煤机运动参数对块煤产量的影 响，建立了基于威布尔分布的块煤产量数学模型，得 出块煤产量随牵引速度、滚筒转速而变化的规律。程 雪等“ o 研究发现，在保证采煤机滚筒正常落煤、输送 的情况下，根据所采煤层条件的变化，可通过减小滚 筒转速或增大牵引速度来增大块煤率。谭聪等。8o 和 B A K H T A V A R 等‘9J 研究了不同滚筒转速对截割粉尘 的影响规律，得到通过降低滚筒截割速度可降低截割 粉尘的结论。刘永刚等‘10 j 将煤层截割阻抗划分为5 个等级范围，并以块煤率、截割比能耗为优化目标，获 得了每个等级对应的牵引速度和滚筒转速。以上研 究M ’1 1 。分析了滚筒转速对采煤机截割性能的影响，但 仅以提高块煤率‘5 。8 j ，或仅以降低截割粉尘。9 一o j ，或 以提高块煤率和降低截割比能耗⋯1 为目标，并未考 虑采煤机的综合截割性能。为了提高采煤机截割性 能，秦大同等1 ”建立了包括采煤生产率、块煤率以及 截割比能耗等不同性能指标的多目标优化数学模型， 并得到了不同截割阻抗的最优牵引速度和滚筒转速。 然而，该研究仅考虑了滚筒载荷，并未考虑传动系统 的动载荷，因此，优化结果无法确保截割传动系统安 全可靠运行；此外，该研究仅针对正常煤层的截割工 况，并未考虑煤岩夹矸工况和断层工况。因此，现有 研究无法获得复杂截割工况下采煤机最优的运动参 数和截割性能。 鉴于此，本文以牵引速度、滚筒转速为优化变量， 以齿轮动载荷、采煤生产率、块煤率以及截割比能耗 等性能指标为子目标，建立了不同截割工况下采煤机 截割性能的多目标优化模型；采用权重系数轮换法， 寻找采煤生产率和块煤率对应的权重系数，实现不同 截割工况下权重组合的动态调整。最后，利用遗传算 法进行优化计算，分别得到了正常煤层、夹矸煤层和 断层工况等不同截割工况下采煤机截割性能最优的 牵引速度、滚筒转速的变化规律，并对比分析了不同 截割工况下采用最优运动参数控制和传统牵引调速 控制的采煤机截割性能。 1 采煤机截割性能模型及截割工况 图1 为滚筒式采煤机，主要包括牵引部、截割部 以及液压系统等。采煤机以牵引速度V 。 m ／m i n 沿 工作面推进，滚筒直接与煤层接触，且以滚筒转 速几， r ／m i n 进行截煤。采煤机牵引速度和滚筒转 速共同决定滚筒截齿的切削厚度以及滚筒负载。 图1滚筒式采煤机 F i g ．1 D r u ms h e a r e r 1 ．1 截割性能模型 为了保证采煤机在安全可靠的前提下，提高采煤 经济效益，采煤机截割性能考虑齿轮动载荷、采煤生 产率、块煤率以及截割比能耗等性能指标，各性能指 标的数学模型如下。 1 ．1 ．1 齿轮动载荷 图2 为截割传动系统结构和示意。由于截割环 境恶劣，煤层中含有强度较高的岩石夹矸、硬质包裹 体以及岩石断层等，使得作用在滚筒的外载荷具有随 机性、强冲击的特点，易导致采煤机截割传动系统疲 劳破坏2 I 。因此，为了提高截割传动系统可靠性，应 尽量降低截割过程中的齿轮动载荷。 动载系数是考虑齿轮系统外部负荷、运转速度对 轮齿动载荷影响的系数，通过降低截割转速，使得动 载系数接近1 ，从而减小齿轮动载荷的波动幅值。图 3 为动载系数计算示意。 万方数据 煤炭学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 a 结构 【b 示意图 图2 采煤机截割传动系统 F i g ．2 D r u ms h e a r e rc u t t i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m 图3 动载系数计算不恿 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fd y n a m i cl o a dc o e f f i c i e n tc a l c u l a t i o n 动载系数计算公式如下 F 岛 } 1 』1 “ 式中，F 。为齿轮动态啮合力；F 。为第／／, 级齿轮动载 荷的理论值。 图4 为齿轮副扭转振动模型，F 。的表达式为 F 。 c 。l t R 。0 。一R b o b k 。1 t R 。0 。一R b o b 2 式中，0 。m 0 分别为主从齿轮旋转角位移，r a d ；0 。， 0 。分别为主从齿轮角速度，r a d ／s ；k 。。 ￡ 为齿轮时 变啮合刚度；c 。。 t 为啮合阻尼。 动载荷理论值F 。可通过式 3 计算得到，即 F 。 T o i 。叼。／R 。 3 式中，t 为电机转矩；R 。为第n 级齿轮的半径；i 。为 电机与第凡级齿轮之间的传动比；叼。为传动效率。 1 ．1 ．2 采煤生产率 采煤生产率与牵引速度有关，与滚筒转速无关， 动轮 图4 齿轮副扭转振动模型 F i g ．4 T o r s i o n a lv i b r a t i o nm o d e lo fg e a rp a i r 为了增大生产率，采煤机需在较高的牵引速度下运 行。采煤生产率 t ／m i n 数学模型3 。为 Q k B L p v 。 4 式中，矗为实际连续工作因子；B 为平均截深，m ；L 为 截割机构宽度，m ；p 为煤岩的平均密度，k g ／m 3 ；秽。为 采煤机牵引速度，m ／m i n 。 1 ．1 ．3 块煤率 块煤率是衡量煤炭品质的重要指标。块煤率越 大，煤炭的品质越好，煤炭价格越高，反之亦然。块煤 率主要与截齿的切削面积有关，切削面积越大，块煤 率越大。而切削面积随牵引速度的增大而增大，随滚 筒转速的增大而减小。 衡量块煤率大小的切削面积 m m 2 4o 为 。 10 0 0 v q 2 1 T D 。t a nc E t a n ‘；p Ⅳ N 一1 n g 1 T D 。n g t a nd 一10 0 0 v q t a n 妒 5 式中，D ．为滚筒直径，r a m ；Ⅱ为滚筒螺旋叶片的升 角，r a d ；m 为滚筒每条截线上的截齿数；妒为煤体破 碎时的崩落角，r a d ；Ⅳ为滚筒螺旋叶片头数。 1 ．1 ．4 截割比能耗 截割比能耗越小，滚筒的截割损耗量越小，截割 效率越高。截割比能耗随牵引速度的增大而减小，随 滚筒转速的增大而增大。截割比能耗 k W - h ／m 3 的数学模型4o 为 日。兰塑也一1 0 一， 6 ” n g m 6 p 10 0 0 v q t a n ‘；p 式中，A 。为平均截割阻抗，k N ／m ；K 为综合考虑煤的 压张情况、脆塑性、截割条件等参数的修正参数；b 。 为截齿齿刃宽度，m m ；危。为平均切削厚度，m 。 h 。 1 一C O S 妒。 口。／ p 。，n 几。 7 式中，驴。为煤体对滚筒的围包角， 。 。 1 ．2 典型截割工况 地下煤层复杂多变，采煤机截割工况主要有正常 煤层、夹矸煤层和岩石断层等∞J 。 1 正常煤层中随机分布硬质包裹体，如图 5 a 所示。截割正常煤层时，在保证较低齿轮动载 万方数据 第8 期葛帅帅等不同截割工况下变速截割采煤机截割性能多目标优化 荷的前提下，主要考虑采煤经济效益，要求保证较高 的采煤生产率、块煤率，降低截割比能耗。 a 正常煤层工况 b 夹矸煤层工况 C 岩石断层工况 图5采煤机典型截割工况 F i g ．5T y p i c a lc u t t i n gc o n d i t i o no fS h e a r e r 2 夹矸煤层是指煤层中含有一定厚度的矸石， 如图5 b 所示。为了不影响采煤效率，矸石和煤被 一起截割。因此，截割夹矸煤层时在保证较低齿轮动 载荷的前提下，考虑采煤生产率，并根据夹矸厚度适 当考虑块煤率，同时降低截割比能耗。 3 图5 C 为断层工况，在采煤工作面上，经常 遇到落差为1m 左右的断层，约占总断层数的 8 2 ％H 5o 。为保证整个工作面较高的采煤效率，在保 证截割传动系统不过载的前提下应快速通过断层区， 因此，可不考虑块煤率。 2 截割性能多目标优化模型 2 ．1 多目标优化数学模型 当驱动电机、传动系统以及滚筒等结构参数确定 后，上述各性能指标仅受运动参数的影响，因此选取 牵引速度秽。和滚筒转速n 。为优化变量。采煤机截 割性能优化目标的数学模型为 X z 。，z 7 [ 秽。，n g ] 7 m i n F X 入。K v x 入[ 一Q X ] 入。[ 一．s x ] ． L 。日w x 8 ∑． L i 1 s ．t ．g j x ≤0 J 1 ，2 ，⋯，n 式中，． L 。，入，入，，． L 。分别为齿轮动载荷、生产率、块煤 率和截割比能耗的权重系数。 2 ．2 约束条件的建立 为保证采煤机安全可靠运行，需考虑如下约束条 件。 2 ．2 ．1 滚筒载荷波动系数约束 滚筒切向阻力的波动系数存在一个极限值，若超 过此值将导致采煤机失去稳定性，甚至造成截割传动 系统的损坏，因此，载荷波动系数不允许超过 0 ．0 5 ‘15 | 。即 1 斤丽二_ g - 2 吉√未荟 彬一M 2 0 ’0 5 ≤0 9 式中，M ㈤为滚筒处在任意位置k 时，所受切向阻力 的合力；M 为滚筒旋转一周所受切向阻力均值∞J 。 2 ．2 ．2 滚筒负载力矩约束 为防止系统过载，滚筒负载力矩M 。应不大于截 割电机额定转矩疋对应的负载力矩。即 9 2 M d T o 芘T ／o ≤0 1 0 式中，i 。，m 分别为截割部总减速比、传动效率。 滚筒负载力矩u 卜17 。为 M 。 0 ．5 ∑ 毛D 。 ，一 竺丝。 旦 Q 。 竺垒坠坠墨竺 1 1 ‘ [ b ， K ／危。 c o sJ B ] 式中，Ⅳ。为单个滚筒截齿总数；z 为单齿截割阻力， N ；K ，K ， ，K ，K 。，民等为截齿或煤岩相关系数；t 为截齿切削宽度，m ；／3 为截齿对于采煤机推进方向的 偏转角， 。 。 2 ．2 ．3 滚筒装载性能约束∞1 为保证采煤机正常装煤，滚筒理论煤岩装载量应 大于滚筒实际截割量，即 9 3 Q 。一Q ≤0 Q 。 B v q D 。 t k I 1 0 3 Q 詈 。，2 一D 2 g 1 一忑N a _ 仅 如咿 1 2 里旦 垡竺旦 垡堡 C O S0 式中，Q ．为滚筒截割量，m m 3 ／r a i n ；Q 。为滚筒理论装 载量，m m 3 ／m i n ；D ，，D 。为滚筒外缘及滚毂直径，m m ； △为叶片厚度，m m ；s 为叶片导程，m m ；k 。为应装煤的 份数；k 为煤流充满系数；臼为绝对速度方向偏离法 向的摩擦角， 。 ；入为煤岩的松散系数。 2 ．2 ．4 牵引力矩约束 牵引阻力矩L 应不大于牵引电机额定转矩t 。 对应的力矩，即 r 9 4 V q T o q i l 叼l ≤0 { ％2F 。。7 1 3 【F 。。 k f [ 5 G s i nd 。 厂C O Sa 。 F ，] 式中，i 。，叼。分别为牵引部总减速比、传动效率；F 。。为 牵引阻力M 1 ；r 为行走轮半径；k ，为附加阻力系数；G 为采煤机自重，k g ；d 。为煤层倾角，r a d ；厂为行走轮与 齿条间的摩擦因数；F 。为滚筒平均牵引阻力，N 。 2 ．2 ．5 牵引功率约束 牵引电机提供的额定功率P 。。应不小于阻力功 率P 。。∞J ，因此 万方数据 2 3 4 2 煤炭学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 9 5 P 驴- P 扩等州o ～- P ， 0 1 4 2 ．2 ．6 截割线速度约束 由于较大的滚筒截割线速度加剧对截齿的磨损， 影响截齿寿命，因此，截齿齿尖的截割线速度限制在 5m ／s 以内㈣。 96i“rrDcns109 一一5 ≤0 1 5 2 1 r 一一5 ≤ 2 ．2 ．7 牵引速度和滚筒转速约束 』9 7 2 ”m j 一秽u ≤o ；9 82 q { 一∥m n x ≤0 1 6 【g q 2 n 。。一n g ≤0 ；gm o 2n 一n 。。，≤0 式中，‰。和‰．。分别为最小和最大牵引速度；凡。。 和凡。。、分别为最小和最大滚筒转速。 3 优化与结果分析 以某M G 3 0 0 ／7 0 0 电牵引采煤机为研究对象，分 析采煤机前滚筒的截割性能，主要仿真参数见表1 。 截割性能优化原理如图6 所示。 表1 主要仿真参数 T a b l e1M a i ns i m u l a t i o np a r a m e t e r s 主要参数数值或方式 截割电机额定功率／k W 牵引电机额定功率／k W 截割电机额定转速／ r m i n “ 牵引电机额定转速／ r m i n “ 戡割电机额定转矩／ N F n 牵引电机额定转矩／ N n 1 最大牵引力／k N 整机质量G ／t 滚筒直径／m m 叶片头数 截齿排列方式 传动比i o ，i ， 传动效率叼l ，“ 0 2 ／％ n 。。，n m a , ／ r m i n l ”m ，．V m a x ／ m 。m i n l 基于多目标遗传算法的截割性能优化模型由两 部分组成一部分是M a t l a b ／m F i l e 平台上的改进遗 传算法，即将遗传算法和模拟退火算法相结合，从而 提高求解效率，避免陷入局部最优“18 | ；设初始种群大 小为1 0 0 ，最大迭代次数为5 0 0 ，交叉概率为0 ．9 ，变异 概率为0 ．0 5 ，初始温度为1 0 0 ，退温系数为0 ．9 。另一 部分是在M a t l a b ／S i m u l i n k 平台上的整机耦合动力学 模型和性能指标模型，包括截割／牵引电机模型、齿轮 图6 采煤机截割性能优化原理 F i g ．6O p t i m i z a t i o np r i n c i p l eo fc o m p r e h e n s i v ec u t t i n g p e r f o r m a n c eo fS h e a r e r 传动系统平移一扭转动力学模型、滚筒载荷模型以及 直接转矩控制系统模型。截割部与牵引部通过滚筒 载荷传递关系进行耦合‘1 9 。。 3 ．1 权重系数的确定 在不同截割工况下均要求减小齿轮动载荷和截 割比能耗，而对采煤生产率和块煤率的截割要求有所 不同。因此，首先将齿轮动载荷和截割比能耗的权重 系数固定，然后采用权重轮换法选取采煤生产率和块 煤率的权重系数，从而根据不同的截割工况动态调整 子目标的权重系数。各权重系数设为 选取截割阻抗分别为1 5 0 ，2 0 0 ，⋯，4 5 0k N ／m 的 多组截割工况作为仿真工况。采煤生产率权重系数 入从0 ．8 逐渐减／J , 至l J0 ，相应地，块煤率权重系数入， 从0 逐渐增加到0 ．8 。在约束条件下，权重系数入 和 、的变化导致牵引速度和滚筒转速发生变化，从 而影响采煤生产率和块煤率。定义7 。，为实际采煤生 产率Q 与最大采煤生产率的比值；T 。为实际块煤 率s 与最大块煤率的比值。即 式中，Q 。。。为牵引速度为口。。、时对应的最大采煤生产 率；S 。、为牵引速度和滚筒转速分别为”。、和n 。m 时 对应的最大块煤率。 因此，为了保证较高的采煤生产率和块煤率，可 根据7 。和7 。的变化，寻找兼顾两者的最优权重系 数。限于篇幅，表2 给出了截割阻抗2 5 0k N ／m 时， 不同权重系数组合下各性能指标P a r e t o 解集。当． L ， 和． L3 分别为0 ．8 ，0 时，7 。，和7 ，分别为9 9 ．9 9 ％和 2 2 ．4 ％，随入的减小以及 ，的增加，7 。，逐渐降低， 7 805 ， 0 k ． 0 一 l 1 8 ． ． 0 ． 0 O ●0 ●4 i 入 入 入 入 ％ 殇 吩 恸 愀 ∞ Q一‰s一跽 姗∞一一一～渤舵一，一一一一 万方数据 第8 期葛帅帅等不同截割工况下变速截割采煤机截割性能多目标优化 2 3 4 3 7 s 逐渐增加。当| L 2 和入3 分别为0 ，0 ．8 时，7 0 和7 s 分别为5 3 ％和9 1 ．2 ％。然而，当 入，入， 分别为 0 ．5 ，0 ．3 ， 0 ．4 5 ，0 ．3 5 ， 0 ．4 ，0 ．4 ，以及 0 ．3 5 ， 0 ．4 5 时，采煤生产率和块煤率所占比重相对均衡， 其中 入2 ，入3 为 0 ．4 5 ，0 ．3 5 时，7 Q 和7 s 分别为 9 6 ．6 ％和7 6 ．3 ％，兼顾性较好。 表2 不同权重系数组合下各性能指标P a r e t o 解集 A 。 2 5 0k N ／m T a b l e2P a r e t os o l u t i o ns e t so fe a c hp e r f o r m a n c ei n d e xu n d e rd i f f e r e n tw e i g h tc o e f f i c i e n tc o m b i n a t i o n s A p 2 5 0k N ／m 图7 为不同煤岩阻抗下权重系数与目标函数关 系的等高线一瀑布图。图7 a ～ c 给出了截割阻 抗分别为2 5 0 ，3 0 0 和3 5 0k N ／m 时，权重系数入2 ，入3 与目标函数关系的瀑布图，图7 d 一 f 分别为对应 的等高线图，通过结合等高线的颜色变化来确定最优 权重系数。由于不同截割工况下，目标函数的等高线 变化趋势基本一致，因此，以截割阻抗为2 5 0k N ／m 的图7 d 为例进行介绍。图7 d 中每个红点表示 一组权重系数，随入的减小，等高线颜色先变浅后变 深，而在点A 0 ．4 5 ，0 ．3 5 处，颜色最浅。因此，结合 表2 的P a r e t o 解集和图7 的等高线一瀑布图可知，采 用点A 处的权重系数可更好的兼顾采煤生产率和块 煤率；优先考虑生产率时，可选择点A 左侧权重系数 组合；优先考虑块煤率时，可选择点A 右侧权重系数 组合。因此，煤矿开采企业可根据实际煤层硬度与含 夹矸厚度选择相应的权重系数。 3 ．2 仿真结果 首先获得正常煤层、夹矸煤层和断层工况下运动 参数随截割阻抗变化的最优解集。然后对比分析优 化前后，传统牵引控制 滚筒恒速截割，滚筒转速为 3 7 ．8r ／m i n ；最大牵引速度移。。。为7m ／m i n 和基于最 优运动参数控制的截割性能。 3 ．2 ．1 不同截割工况下最优运动参数 根据不同工况的截割要求和权重系数选择方法， 正常煤层、某夹矸煤层和断层工况下齿轮动载荷、生 产率、块煤率和截割比能耗的权重系数分别取为 0 ．1 ，0 ．4 5 ，0 ．3 5 ，0 ．1 ；0 ．1 ，0 ．5 5 ，0 ．2 5 ，0 ．1 和0 ．1 ， 0 ．8 ，0 ，0 ．1 。图8 给出了不同截割工况下随截割阻抗 变化的采煤机牵引速度和滚筒转速的最优解集。 3 ．2 ．1 ．1 正常煤层工况 图8 a 为正常煤层工况下随截割阻抗变化的采 煤机最优牵引速度和滚筒转速。当截割阻抗小于 2 5 0k N ／m 时，牵引速度和滚筒转速分别维持在 7m ／m i n 和3 0 ．8r ／m i n ；随截割阻抗的增加，由于约 束条件限制，牵引速度逐渐下降，同时滚筒转速随牵 引速度的降低而匹配调整，并逐渐降低；当截割阻抗 达到3 7 0k N ／m 时，滚筒转速维持在2 0r ／m i n 的稳定 值。 3 ．2 ．1 ．2 夹矸煤层工况 图8 b 为夹矸煤层工况下最优牵引速度和滚筒 转速。当截割阻抗小于2 3 0k N ／m 时，牵引速度和滚 筒转速分别维持在7m ／m i n 和3 4 ．2r ／m i n ；随截割阻 万方数据 2 3 4 4 煤炭学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 抗的增加，由于约束条件限制，牵引速度逐渐下降，同 时滚筒转速随牵引速度的降低而匹配调整；当截割阻 鼎 闰 蠖 皿 a A 。 2 5 0k N ／m 鼎 闰 蜷 皿 抗达到3 4 0k N ／m 时，滚筒转速维持在2 2 ．8r ／r a i n 的 稳定值。 b A 。 3 0 0k N ／m 8羹瑟。 ， ．g g ● g 创 捌 而 { 辔卜 O0 ．10 ．2 0 ．3 0 ．4 0 ．50 ．6 0 ．7 0 ．8 块煤率权重以 d A p 2 5 0 k N ／m 00 ．1 0 ．2 0 ．30 ．4 0 ．5 0 ．6 0 ．70 8 块煤率权重厶 e A 。- 3 0 0 k N ／m O0lO 2 030 ．40 ．50 ．60 ．7 0 ．8 块煤率权重也 f 4 D - 3 5 0k N ／m 图7 权重系数与目标函数关系的等高线一瀑布图 F i g ．7 C o n t o u r w a t e r f a l lm a po fr e l a t i o nb e t w e e nw e i g h tc o e f f i c i e n ta n do b j e c t i v ef u n c t i o n 截割阻抗／ k N m 。1 a 正常煤层 ， ’吕 ● 至 摆 盟 屙 衽 截割阻抗／ k N - m 。 b 夹矸煤层 ， 吕 ● 多 堰 盟 丽 柩 截割阻抗／ k N - m 。1 c 岩石断层 图8 不同截割工况下的运动参数最优解集 F i g ．8 O p t i m a ls o l u t i o ns e t so fm o t i o np a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tc u t t i n gc o n d i t i o n s 3 ．2 ．1 ．3 断层工况 图8 e 为断层工况下最优牵引速度和滚筒转 速。当截割阻抗小于2 3 0k N ／m 时，为了快速通过断 层区，牵引速度维持在7m ／m i n ；随截割阻抗逐渐增 加，滚筒转速由3 2 ．9r ／m i n 逐渐增加，当滚筒转速增 加至最大值3 7 ．8r ／m i n 时，滚筒负载达到额定值。 由于约束条件限制，当截割阻抗大于2 3 0k N ／m 时， 随截割阻抗的增加，牵引速度逐渐下降，滚筒转速一 直维持在最大值3 7 ．8r ／m i n 。 3 ．2 ．2 截割性能对比 在获得不同截割工况下的最优牵引一截割运动 参数的基础上，对比分析优化前后，