掘进机双向耦合建模截割参数优化研究.pdf

170引用格式：顾文杰.掘进机双向耦合建模截割参数优化研究J：煤炭工程，2 0 2 3，55（8）：17 0-17 5.Vol.55.No.8第55卷第8 期COALENGINEERING程炭煤doi:10.11799/ce202308031掘进机双向耦合建模截割参数优化研究顾文杰（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司，山西大同037003)摘要：针对掘进机的截割参数优化问题，利用离散元法-多体动力学（DEM-MBD）双向耦合技术，基于数值模拟、多目标优化方法，以某型号掘进机截割机构为工程对象，联合Pro/E、EDEM和RecurDyn建立掘进机截割过程的DEM-MBD双向耦合仿真模型，探究不同工况对截割头受载情况及截割性能的影响，利用Design Expert中的Box-Bohnken试验法设计三因素三水平响应面回归试验，以截割比能耗、载荷均值、载荷波动系数为截割性能评价指标，通过主成分法将三维目标降维至截割综合评价度一维寻优模型，结果表明：当横摆速度为1.2 7 0 m/min、转速范围为44.158r/min、垂直摆角为12.2 32，此时截割综合评价度达0.90 3。关键词：掘进机；双向耦合；数值模拟；响应面法中图分类号：TD421文献标识码：A文章编号：16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 8-0 17 0-0 6Optimization of cut-off parameters for bidirectional coupling modeling of roadheadeGUWenjie(Madaotou Coal Industry Co.Ltd.,Jinneng Holding Coal Group,Datong 037003,China)Abstract:In order to optimize the cut-off parameters for roadheader,discrete element method-multi-body dynamics bi-directional coupling technique,and numerical simulation,multi-objective optimization method were used on a certain type ofroadheader cutting mechanism.Joint Pro/E,EDEM and RecurDyn were also applied to build a DEM-MBD bi-directionalcoupling simulation model of the cut-off process of the roadheader,thus to investigate the effect of different working conditionson the load on the cutting head and cutting performance.Then a three-factor,three-level response surface regression test wasdesigned using the Box-Bohnken test method in Design Expert,with cut-off ratio energy consumption,load mean value andload fluctuation coefficient as cut-off performance evaluation indexes,reducing the three-dimensional objective to a truncatedintegrated evaluation degree one-dimensional merit search model by principal component method.The results show that whenthe transverse pendulum speed is 1.270 m/min,the speed range is 44.158 r/min,and the vertical pendulum angle is12.232,the integrated evaluation degree of truncation reaches 0.903.Keywords:roadheader;bidirectional coupling;numerical simulation;response surface method随着中国制造2 0 2 5战略的深入实施，我国更加注重掘进装备的发展。掘进机作为巷道掘进的主要设备，广泛用于破岩领域2-4。由于截割过程存在大量不稳定因素，因此截割头在破岩过程中所受到的载荷不稳定，需要不断调整工作参数5.6 传统的现场作业中，多采用经验法进行调解，该方法主观性较强且推广性较差。研究不同工况下截割头截割过程所受载荷情况对于提升巷道掘进效果具有重要意义。影响掘进机截割性能的因素有很多，其中以截割头的结构参数和工况参数为主。对于截割头结构参数的研究，国内外学者通常采用理论分析与数值模拟相结合的方法。针对截割模拟问题，国内外学者通过研究得到了许多相关成果。德国学者CarbonellJM7为研究刀具的磨损问题，利用粒子有限元方法（PFEM)结合Alpha形状技术模拟了截割头的破岩过程，设计出可预测刀具磨损量的接触程序，得到了掘进机工作时刀具的压力分布规律；收稿日期：2 0 2 2-10-17作者简介：顾文杰（198 7 一），男，山西大同人，工程师，研究方向：煤矿安全生产管理，E-mail：g u w e n j i e 12 。1712023年第8 期程炭煤装备技术蔡文安8 借助LS_DYNA有限元软件分析不同参数下截割头特性，对比理论与试验分析得到仿真结果可反映真实工况，为掘进机截割特性及参数选择提供理论依据；刘旭南9.10 1等利用Workbench软件进行静态仿真获得截割头应力信息，采用四维拟合方法研究在横摆速度、转速和螺旋升角下切削力的变化规律，以三种因素为设计变量，以截割比能耗、切削阻力、波动系数为目标函数建立多目标优化函数，寻找最优性能参数，为截割头螺旋升角设计和优化提供参考价值；HeY1等人通过动态仿真模拟出不同岩石硬度下的截割头载荷变化规律，构建液压缸压力与岩石硬度间的函数模型，提出一种基于液压缸信号的识别控制方法。上述文献对掘进机截割模拟进行了大量相关研究，但研究方法多为煤岩体与截割头单向耦合，利用有限元、离散元软件以及动力学软件之间的单向接口实现。而在实际掘进作业中，二者之间的影响因素复杂多样，煤岩体性质、截割头的结构参数、掘进机运动学参数等都会对二者之间的耦合产生影响。双向耦合虚拟仿真技术分析截割头截割煤岩体，能有效避免在物理样机上进行试验带来的数据扰动不准确以及采集时困难的风险，减少其带来的时间和经济成本12 。因此，笔者通过对截割头的整体受力情况展开研究，建立掘进机破岩DEM-MBD的双向耦合模型，基于该技术研究不同工况对截割头受载情况及截割性能的影响，建立了掘进机截割性能的响应面优化模型1掘进机截割理论1.1截割头受力分析当截齿齿体不断深人，其齿尖与煤岩体之间的作用力不断增大，煤岩体产生的裂纹从齿尖开始向四周扩散13。如图1所示，当合力2 W大于该区域的拉应力合力时，开始崩落并产生裂纹，当裂纹不断延长，煤岩体破碎最终形成一个类似于“V”的截槽。图中，W为爆破力；为齿尖作用的圆孔半径，mm；d 为截齿的截割厚度，mm；为煤岩体的崩落角，rad；r 为被研究位置半径，mm。截割煤岩时截齿受力为：0.35b,+0.3Z。=10 Ab,+K,(hm.sine).sPsingmaxte,K,K,K.K.K(1)maxcosZ式中，A，为截割阻抗均值，N/mm；b p 为截齿受力部分宽度，cm；h ma x 为切削厚度最大值，cm；0为截齿所处位置角度，（）；tep为截齿切削宽度，cm；K,为自由表面系数；K,为截角影响系数；K。为截齿前刃面形状影响系数；K。为截齿排列方式系数；K。为地压对煤壁影响系数；为截齿对于牵引方向的偏转角，（）。W个XXXXXVbbduN2cNNCZ(a)(b)(c)图1截齿截割受力模型1.2掘进机摆动模型掘进机进行横摆截割时，主要靠与本体架相连的回转油缸推动回转台带动截割臂实现横摆运动，通过截割头旋转实现煤岩的破碎与剥落14。掘进机截割头摆动模型如图2 所示。2掘进机-煤岩体耦合建模本研究基于某型号掘进机利用Pro/E进行等比例建模，先建立各零部件再进行装配。AAAO2B72A2x0VVA2yA2V.B2yVB2B,VBB2xB图2截割头与回转液压杆空间位置11722023年第8 期程装备技术炭煤2.1截割过程动力学建模本节采用RecurDyn对掘进机进行动力学建模，将Pro/E装配的掘进机模型保存导人RecurDyn软件。其中零部件采用软件默认设置选项，截割部件增加旋转副、固定副、平移副约束，回转台与本体架之间连接的轴承添加回转约束，液压缸的液压杆和油缸之间添加平移约束，减速器一级太阳轮加旋转驱动，液压杆添加平移驱动。2.2机一岩双向耦合2.2.1岩壁参数设定采用矿区煤岩样本，通过对其物理力学性能的测定得出煤岩各项物理、力学性质并计算粘结参数见表1。表1岩壁相关参数设定名称试样1试样2试样3泊松比0.230.210.19内摩擦角/()3238.7240.08抗压强度/MPa425264抗拉强度/MPa5.88.84.7法向刚度/(Nm)7.411081.0710%2.31109切向刚度/(N m3)5.931088.541081.88109最大法向应力/Pa2.761072.821072.89107最大切向应力/Pa1.281071.261071.221072.2.2双向耦合原理DEM-MBD可以实现颗粒与物体交互作用的过程，前者计算它们之间的力和力矩，后者模拟几何体运动并将运动数据实时传递回EDEM15-1，具体计算原理如图3所示RecurDynEDEM速度/位置作用力颗粒间作用力煤壁图3双向耦合计算原理耦合过程中设置EDEM和RecurDyn中的截割头与煤壁位于同一位置。调整仿真时间和步长，点击EDEM中双向耦合按钮，保持耦合通道在打开。3截割过程数值模拟3.1截割过程煤岩体力学行为颗粒内部受到外力时的传递路径称为力链，力链反映复杂颗粒运动的宏观力学性能，力链的粗细位置变化以及密集程度可以直观体现出岩石颗粒受力时的变化情况【18 。相邻两颗粒间的接触称为粘结键，粘结键的断裂是由于受到外力作用导致，通过观察岩壁内部裂纹的变化，可以看到截割头在截割破碎过程中力的传递规律。其中力链传递形态与岩壁力链网络的形态如图4所示。图4力链传递形态及网络结构由图4可知，力链的受力大小随齿尖周围开始向远处逐渐递减，当截齿对岩壁施加外力截割颗粒时，齿尖与岩壁接触处力链形态完整，向内部放射性传递且力链分支明显，此时齿尖附近的粘结键受力最大。当随着截割头旋转，力链分支逐渐从齿尖沿着截齿截割阻力反方向延展，当截齿刚接触岩壁时，可以看到有弱力链网络的产生，齿尖周围的所受应力较小，力链网络不明显，但岩壁颗粒内部开始有裂纹的产生。当截齿旋转完全截入岩壁时，力链网络数量逐渐增加，像岩壁斜上方蔓延，网络形态逐渐清晰，颗粒间粘结键的力以齿尖为起点，沿截齿阻力方向向岩壁内部传递，靠近齿尖附近的力最大，逐渐形成以齿尖为中心的裂纹扩展区。通过截割头的旋转和平移，颗粒内部在截齿的作用下不断产生裂纹，颗粒间粘结键断裂，粘结力逐渐变小，最终通过截齿的推动与岩壁分离剥落。3.2截割性能影响因素分析为探究掘进机工况参数对截割头受载影响及其载荷波动变化的规律，利用双向耦合技术，通过改变掘进机的横摆速度、转速、垂直摆角三种参数进行仿真研究。利用单因素控制变量法对横摆速度、转速、垂直摆角各取5组工况进行研究，其中各工况设置情况见表2，不同工况下模拟结果如图5所示。表2双向耦合仿真工况设置影响因素序号横摆速度/截割头转速/垂直摆角(m:min)(r:min)）10.635-1820.840-1031.045041.2502051.4554017320233年第8 期程炭煤装备技术2.40105-载荷均值载荷最大值2.101051.801051.501051.201050.60.81.01.21.4横摆速度/(mmin*)(a)横摆速度不同2.50105一载荷均值载荷最大值2.251052.001051.751051.501051.251053540455055截割头转速/(rmin)(b)截割头转速不同2.70105+载荷均值载荷最大值2.101051.501059.0010512345垂直摆角p/(）(c)垂直摆角不同图5不同工况下截割头受载最大值与均值1）由图5（a）可得，横摆速度由0.6 m/min增大到1.2 m/min时载荷均值与最大值呈现上升趋势，从1.2 m/min到1.4m/min时呈线性下降趋势。原因在于，横摆速度在0.6 m/min到1.2 m/min范围内逐渐增大时，截齿的截深增加，导致截割阻力增加，切削面积增大，截割头上下崩落线差值减小；当横摆速度增大到1.4m/min时，上下崩落线差值开始增大，此时载荷均值与最大值开始减小。2）由图5（b）可知，当转速从35r/min增加到45r/min时，载荷均值与最大值不断增加；当转速由45r/min增加到55r/min时，载荷均值与最大值开始下降，此时截齿截割煤岩体时，在相同时间内，碰撞次数增多，切削面积逐渐减小，因此受到的阻力减小。3）由图5（c）可得，当垂直摆角从下极限位置-18抬起至0 时，截割头载荷均与最大值值逐渐减小，当从0 抬起至2 0 时，载荷均值与最大值呈上升趋势，从2 0 抬起至上极限位置时，载荷均值与最大值迅速下降。由于在下极限位置截割岩壁底部时，煤岩颗粒间的粘结键受力遭到破坏从而产生裂纹，会对上部岩壁产生影响，上部颗粒间的粘结力变小，在截割上部岩体时，截割头所受的载荷也相对减小，载荷波动平稳。4春截割参数优化4.1截割效果评价指标本研究选择截割比能耗、载荷均值、载荷波动系数作为掘进机截割性能的评价指标，因此属于多目标优化问题，借助主成分分析法为三个评价指标进行赋权，以标准化计算后的加权值作为截割综合评价度。设计三因素三水平回归试验，试验见表3。表3因素编码影响因素编码横摆速度/截割头转速/垂直摆角(m minl)(r minl)/）-10.835-1801.145011.45540利用Design expert软件中的Box-Behnken试验法对截割综合评价度进行响应分析 19 ，试验共分为17组。主成分分析法是一种应用广泛的数据降维算法。具体计算过程如下：G,=Pa/S.(2)22=CN/2N.2F=(3)j=1=1i=1w;=F,/ZF;(4)式中：G,为主成分在各线性组合中的系数；P为各因素不同主成分值；S，为主成分总计值平方根；N，为方差百分比；F，为各因素在综合得分模型中的系数；w，为各检测指标的加权系数。利用式（2）计算成分矩阵确定主成分在各线性组合中的系数G，式（3）通过初始特征值的方差百分比对各指标的主成分进行加权平均确定各因素在综合得分模型中的系数Fi，最后通过式（4)将各因素综合得分模型中的系数进行归一化得到各因素的权重系数wj。各指标权重分配结果如下：截割比能耗为0.2 9 1；载荷均值为0.2 33；载荷波动系数为0.476。综合评分结果见表4。考虑到不同影响因素之间两两交互影响与单因素二次项影响，本试验采用二阶响应曲面模型 2 0,2 1。利用 Design expert 软件对表试验数据进行多元回归拟合，建立综合评分响应模型。综合评分回归方程为：y=0.77+0.13A+0.039B-0.01C-0.11AB+0.063AC+0.067BC-0.13A-0.12B-0.23C2(5)1742023年第8 期程装备技术炭煤式中，为综合评分响应值；A为横摆速度；B为转速；C为垂直摆角。表4综合评分结果横摆垂直截割比载荷载荷波截割综合序号转速速度摆角能耗均值动系数评价度11101.000.950.180.602-1-10.000.350.290.2230000.810.790.940.8740-110.190.460.280.2950000.650.730.770.736-1100.670.000.640.507-1010.160.080.350.2381010.820.700.320.5691-100.390.741.000.7610000.501.000.830.77110000.800.620.700.71120-1-10.340.630.400.441310-10.810.670.140.46140000.610.850.800.7615-10-10.010.140.720.38160110.970.740.150.521701-10.880.630.000.40预测的综合评分值与试验值的比较如图6 所示。由图6 可知，试验点分布在对角线上及对角线的两边，说明预测值与试验值比较接近，平均偏差小。因此，预测值与计算值之间差异较小，说明模型建立合理，拟合方程的可靠性较好。预测模型的残差结果如图7 所示，图7 中的残差均在零附近随机分布，无异常点，表明预测值与实测值吻合度高。0.90.870.810.220.70.60.50.40.30.20.20.30.40.50.60.70.80.9试验值图6试验值与预测值比较6.004.819634.000.870.222.0000.00-2.00-4.00-4.81963-6.000.20.30.40.50.60.70.8预测值图7预测模型的残差预测模型拟合后回归方程的方差分析见表5。由表5结果，模型的P值小于0.0 1，模型极其显著，具有统计学意义；对于A、B、C三个单因素，截割比能耗对模型评分影响非常显著，载荷均值与载荷波动系数影响不显著，3种因素影响的主次为截割比能耗 载荷均值 载荷波动系数。模型的失拟项均大于0.0 5，失拟项不显著，表明方程模拟较好，与实际规律的契合度高。表5影响因素回归方程方差分析参数平方和自由度均方差FP显著性模型0.6390.07021.710.0003*A0.1410.1442.770.0003*B0.01210.0123.730.0948一C0.000810.00080.250.6336一AB0.04810.04815.020.0061*AC0.01610.0164.850.0635一BC0.01810.0185.660.0490*A20.06710.06720.910.0026*B20.06210.06219.290.0032*C20.2310.2371.550.0001*残差0.02370.00322失拟误差0.00727530.0024250.630.6307一绝对误差0.01540.00382总离差0.6516注：*为显著(0.0 1 p0.05)；*为极其显著（p0.01)；-为不显著。4.2最优参数预测响应曲线图表示响应结果与其中2 个因素构成的三维图，响应曲面的弯曲程度代表各因素间的相互影响程度，弯曲度大说明各因素之间的交互作用影响较大，反之说明交互作用影响较小 2 0.2 1。为分析截割比能耗、载荷均值与载荷波动系数之间的交互作用对截割综合评价度的影响，绘制各个因素之间交互作用影响的响应曲面。由图8(a)可知，随着横摆速度增加截割综合评价度呈非线性先增加后降低，转速对截割综合评价度的影响程度低于横摆速度，影响趋势相似；由图8(b）可知，横摆速度与垂直摆角对截割综合评价度的影响显著，随着横摆速度、垂直摆角增加逐渐有明显的增加趋势；由图8（c)可知，转速与垂直摆角对截割综合评价度的影响更加显著，截割综合评价度增加效果明显。利用DesignExpert软件自带的数据优化功能，设置横摆速度范围为0.8 1.4m/min，转速范围为3555r/min，垂直摆角范围为-18 40，以截割综175赵巧芝）2023年第8 期程炭煤装备技术截割综合评价度5510.80.650-u./单转0.70.44550.20.60.8551.4400.5转速/(r:minl)500.4451.2401.035.0.3350.80.81.01.21.4横摆速度/(mmin)横摆速度/(mminl)(a)横摆速度与转速交互作用40.010.3截割综合评价度0.40.828.40.50.616.80.40.60.750.80.25.20-6.4028.41.40.5垂直摆角/)5.21.01.2-18.00.4国0.81.01.21.4-180.8横摆速度/m-minl)横摆速度/(mminl)(b)横摆速度与垂直摆角交互作用截割综合评价度0.840.00.40.50.60.628.40.416.80.25-5.24055-6.40.7垂直摆角/)1145500.50.60.540-18.0-18353540455055转速/(r-minl)转速/(rmin)(c)转速与垂直摆角交互作用图：各影响因素交互关系合评价度最大为寻优目标进行求解。计算结果为横摆速度为1.2 7 0 m/min、转速范围为44.158 r/min、垂直摆角为12.2 32，此时截割综合评价度达0.9 0 3。5结论1）以某型号掘进机为工程对象，建立掘进机的Pro/E三维实体模型；根据岩石的物理力学特性，在EDEM中建立岩壁的离散元模型；结合掘进机的实体模型在RecurDyn中建立掘进机截割过程的动力学模型；利用EDEM与RecurDyn的接口，实现掘进机截割硬岩的EDM-MBD双向耦合模型2）随着横摆速度的增大，截割头载荷最大值与均值呈上升后下降趋势；随着转速的增大，载荷最大值与均值呈先上升后下降趋势；随着垂直摆角的增大，载荷最大值与均值先减小后增加。3）以截割综合评价度为寻优目标，利用响应面寻优法得到横摆速度为1.2 7 0 m/min、转速范围为44.158r/min、垂直摆角为12.2 32 时截割效果达到最优，此时截割综合评价度达0.9 0 3。参考文献：1周济智能制造是“中国制造2 0 2 5”主攻方向J企业观察家，2 0 19（11）：54-55.2王梦恕。中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路 J隧道建设，2 0 14，（3）：17 9-18 7.3赵学社煤矿高效掘进技术现状与发展趋势【J煤炭科学技术，2 0 0 7(4)：1-10.4王虹我国综合机械化掘进技术发展40 aJ 煤炭学报，2 0 10(11)：18 15-18 2 0.5阎鹏。掘进机截割头设计及有限元仿真研究【D秦皇岛：燕山大学，2 0 17.6彭天好，何兴川，储安圆悬臂式掘进机截割部系统建模及仿真研究J机床与液压，2 0 2 2，50（9）：17 3-17 8.7CARBONELL J M,ATE E S,et al.Modelling of tunnellingprocesses and rock cutting tool wear with the particle finite elementmethod J.Computational Mechanics,2013,52(3):607-629.8蔡文安.掘进机截割头截割特性与载荷混沌性分析【D.太原：太原理工大学，2 0 18.9刘旭南基于虚拟样机技术的采煤机建模与仿真研究【D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 11.10赵丽娟，刘旭南，曹拓纵轴式掘进机横摆运动参数的优化设计 J煤炭学报，2 0 12，37(12)：2 112-2 117.11HE Y,TIAN M,FENG J.Recognition of 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