改进粒子群算法的螺旋钻采煤机钻杆参数优化

第36卷第1期辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2017年1月Vol.36No.1JournalofLiaoningTechnicalUniversity（NaturalScience）Jan.2017收稿日期：2015-10-10作者简介：刘雨博（1973-），男，辽宁康平县，硕士，副教授，主要从事数字制造技术与信息化、先进制造系统与技术、工业工程等方面的研究.通讯作者：段芬（1990-），女，辽宁大连人，硕士研究生，主要从事先进制造系统与技术、工业工程等方面的研究.本文编校：焦丽辽宁工程技术大学学报（自然科学版)网址：://xuebao.lntu.edu.cn/ 刘雨博,段芬,刘思朔.改进粒子群算法的螺旋钻采煤机钻杆参数优化[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2017,36(1):61-64.doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2017.01.012LIUYubo,DUANFen,LIUSishuo.Parameteroptimizingofaugercoalminerdrillstembaseonimprovedparticleswarmoptimizationalgorithm[J].JournalofLiaoningTechnicalUniversity(NaturalScience),2017,36(1):61-64.doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2016.01.012改进粒子群算法的螺旋钻采煤机钻杆参数优化刘雨博，段芬，刘思朔（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000）摘要：针对螺旋钻采煤机输送生产率、煤块二次破碎率及能耗问题，根据螺旋钻采煤机输送机构参数，采用改进粒子群算法对螺旋钻采煤机多目标进行优化设计.通过优化得到：螺旋钻采煤机输送生产率提高了25.8%、二次破碎率降低了12.13%，能耗降低了4.97%.极大优化了螺旋钻采煤机输送机构导程、转速、螺旋升角、螺旋叶片厚度以及输送内径等参数，有效提高了螺旋钻采煤机的整机工作性能.关键词：螺旋钻采煤机；改进粒子群算法；多目标优化；二次破碎率；生产率；能耗中图分类号：TD421文献标志码：A文章编号：1008-0562(2017)01-0061-04ParameteroptimizingofaugercoalminerdrillstembaseonimprovedparticleswarmoptimizationalgorithmLIUYubo,DUANFen,LIUSishuo（SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China）Abstract:Aimingattheexistingproblemsofdeliveryefficiency,thesecondarycrushingquantityandenergyconsumptionofaugercoalminer,andaccordingtothespiralconveyordeviceparametersofaugercoalminer,thispaperoptimizedthedesignofaugercoalminermulti-objectivebasedonimprovedparticleswarmoptimizationalgorithm.Theresultsobtainedbyoptimizationarethatdeliveryefficiencyincreasesby25.8%,thesecondarycrushingratereducesby12.13%,andtheenergyconsumptionreducesby4.97%,whichgreatlyoptimizedtheparametersofspiralbladelead,speed,helixangle，spiralbladethicknessandinnerdiameterofthespiralconveyordevice.Comprehensiveperformanceofaugercoalmineriseffectivelyimproved.Keywords:augercoalminer;improvedparticleswarmoptimizationalgorithm;multi-objectiveoptimal;deliveryefficiency;secondarycrushingquantity;energyconsumption0引言螺旋钻采煤机是实现薄煤层钻采、煤输送的关键采掘机械之一，由于其工作环境恶劣及工况复杂，其参数合理与否直接影响采螺旋钻采煤机工作性能及功率损耗[1-2].针对以上问题一些学者对其结构进行了参数优化设计，如张强、李晓豁[3-4]等针对螺旋钻采煤机的输送生产率以及能耗等问题，对输送机构参数进行了多目标优化设计.2011年，李晓豁[5]等针对煤块的二次破碎率问题，采用人工鱼群算法进行参数优化.本文根据螺旋钻采煤机输送机构参数，对螺旋钻采煤机输送生产率、煤块二次破碎率、能耗多目标进行优化，借助改进的粒子群算法，求解出多目标函数的最优解，该算法既能保证算法的收敛速度、精度，又能提高局部收敛能力.1数学模型螺旋钻采煤机集开采、输送为一体的采煤机械，通过螺旋钻进行煤岩截割，通过螺旋叶片进行煤块推移完成输送工作，其煤块在螺旋叶片上的运动状态见图1，以距离轴线为r煤颗粒A为研究对象，其轴向运动速度为v1，圆周速度为v2，则煤颗粒的绝对运动速度为vn，螺旋升角为α，摩擦角为φ.辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第36卷辽宁工程技术大学学报（自然科学版)网址：://xuebao.lntu.edu.cn/ 62   φαα 图1螺旋输送机运动分析Fig1motionanalysisofaugercoalminer1.1设计变量的选择根据螺旋钻采煤机结构和工作参数，选取设计变量为：螺旋叶片外缘直径Di，叶片导程L，叶片厚度δ，钻杆转速n，内外螺旋升角αi，α0，即[][]TT123456iio,,,,,,,,,,xxxxxxDLnδαα==X.（1）1.2目标函数建立在螺旋钻采煤机优化中，以输煤生产率和二次破煤率、输送能耗为多目标进行优化.本文选择线性加权和法，将多目标优化问题转变为单目标优化问题来求解，考虑到各单目标具有同等地位，将各单目标最优值的倒数作权系数，达到多目标的规范化，转变后的目标函数为[]1312123()()()min()FFFFFFF−=++XXXX ，（2）式中，F1(X)、F2(X)、F3(X)分别为输煤生产率、二次破煤率、输送能耗为目标的优化函数；F1、F2、F3为输煤生产率，二次破煤率、输送能耗的最优值.（1）输煤生产率根据文献[6]～文献[9]可知，螺旋输送机构的最大装载截面积为22oiπ14cosmSDDLδα⎛⎞⎡⎤=−−⎜⎟⎣⎦⎝⎠，（3）式中，αc为螺旋叶片的平均升角，io2ααα+=，°.煤块轴向流动速度1v为ioio1cos2cos60cos2Lnvαααααϕϕ++⎛⎞==+⎜⎟⎝⎠，（4）则输送机构输煤生产率为()22iooicioπcos42cos/cos2QDDLmnkααδααϕϕ+⎛⎞=−−⋅⎜⎟⎝⎠+⎛⎞+⎜⎟⎝⎠，（5）式中，kc输送机构循环系数.（2）二次破碎率螺旋钻采煤机二次破碎率为[5]()()()()22io1oioi11II22222io1o1ioiosin22coscos2coscos.22qqqLknDDDDLvWvvLDvvLmφααρρααλλϕααααϕδ+−−=−⋅+−−++⎛⎞⎛⎞+−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（6）（3）输送机构能耗由文献[3]可知，螺旋钻采煤机输送机构的输送功率为11111ooo308360QfLLHLNLfDDD⎡⎤⎛⎞=++⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎣⎦，（7）式中，f1为安全系数；H1为螺旋槽深度，H1=(Do-Di)/2；L1为螺旋输送机构长度，mm.1.3约束条件确定（1）刚度约束[]41max,16fkqLffEI=≤（8）式中，kf为系数；E为弹性模量，Pa；I为惯性矩，4π/64iID=，kg·m2；q为载荷，1/8.9LGq=，N，G为输送机的质量，kg；取[]10.0001fL×≤，mm.（2）螺旋叶片内径约束[10]oio0.30.42.DDD≤≤（9）（3）叶片导程约束iocos2400.Lmαα+≥（10）（4）厚度约束0.030.04.δ≤≤（11）（5）输送机转速约束max,vnn≤（12）其中，maxo/vnAD=，A为煤块综合特性系数.（6）螺旋升角约束根据文献[11]～文献[12]可知：第1期刘雨博，等：改进粒子群算法的螺旋钻采煤机钻杆参数优化辽宁工程技术大学学报（自然科学版)网址：://xuebao.lntu.edu.cn/ 63i2545α≤≤DD，o822.α≤≤DD（13）（7）扭矩约束[]maxn/,TWττ=≤（14）式中，T为扭矩；Wn为抗扭截面系数，3inπ16DW=，取[]61080×=τ.（8）输送功率约束0ooo0.424.580.35,360QLLNmLNDDD⎡⎤⎛⎞=++⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎣⎦≤（15）式中，0N为电机额定功率，kW.2优化方法的选择利用改进粒子群算法对螺旋钻采煤机多目标进行优化，其算法改进后流程见图2. 图2改进的粒子群算法的设计流程Fig.2designprocessofimprovedparticleswarmoptimizationalgorithm步骤一对粒子群进行变异操作，即在基本粒子群的基础上引入一很小概率的随机变异操作，以此增强种群的多样性，消除了速度中的惯性部分，在微粒速度为零时使其发生变异.本文的变异操作是在每代进化过程中随机的选取若干个微粒对其位置进行变异操作，从而保证算法的全局收敛速度，且收敛精度会进一步提高.步骤二增添粒子的“邻居”历史最优位置，即在全局最优位置和历史最优位置对粒子目前位置影响的基础上，增添了“邻居(除此粒子之外的其他粒子)”历史最优位置对粒子目前位置的影响，使得粒子不仅能从全局最佳粒子中学习经验，且能从“邻居”历史最优位置中汲取经验，以使粒子之间能更好地共享社会信息，提高了算法的局部收敛能力.3优化实例及结果分析以某型螺旋钻采煤机为例进行多目标优化问题，其基本参数如下：L1=1.2m；kc=0.3~0.5；φ=30°；T=9.55MN·m2；m=4；ρ1=1.4t/m3；λ=5；vq=1.5m/s；N0=132kW；G=125.36kg；kf=0.0052；f1=1.2.利用Matlab软件编制改进粒子群优化算法，对螺旋钻采煤机进行多目标优化，其优化结果见表1.通过对比优化前、后螺旋钻采煤机的设计变量可知，采用改进粒子群算法优化后，该螺旋钻采煤机输送机构导程提高0.68%，转速由60转/min提高到64.7转/min；同时螺旋升角、螺旋叶片厚度以及输送内径均有所增加。螺旋升角和导程的减小使螺旋采煤机输送空间减小，即减少了循环煤流量从而提高，而输送内径和转速增加，则使煤流轴向运动速度增大，缩短了输送机机构对煤块的作用时间，从而提高了生产率，优化后的输送机结构必将对整机系统性能有所提高.对比优化前、后螺旋钻采煤机的目标函数，见表1可以发现：采用改进粒子群算法优化后，螺旋钻采煤机输送生产率得到了提高，二次破碎率以及能耗均降低，这必将使螺旋钻采煤机的整机性能得到了优化.表1优化前、后设计变量及目标函数Tab.1designvariablesandobjectivefunctionofbeforeandafteroptimization优化参数优化前改进粒子群算法变化量/%Di/