面向井下巷道环境的掘进机设计方案求解与性能优化仿真技术及其应用研究

摘要

井下巷道环境的复杂性给煤矿采掘装备的开发设计带来了挑战，本文针对掘进机设计过程中其功能方案描述信息不完整、截割参数难以保证掘进性能、设计结果缺乏综合验证等问题，在对相关方面进行研究的基础上，提出了面向井下巷道环境的掘进机设计方案求解与性能优化仿真技术，并结合实际项目需要将其应用于掘进机的开发设计过程中。
　　论文的主要内容如下:
　　第一章概述了掘进技术和掘进设备的发展，综述了产品功能建模、设计参数优化、性能仿真技术的研究现状，在分析现有方法不足的基础上，提出了面向井下巷道环境的掘进机设计方案求解与性能优化仿真技术，给出了本文的研究内容和组织结构。
　　第二章提出了一种基于物元可拓变换的功能特征多属性建模方法，定义了掘进机的功能特征，将其工作的井下巷道环境作为属性的一种，采用多种属性对其进行描述，利用物元模型来形式化表达功能特征及其属性，通过功能特征物元和属性物元的置换、增删、分解、扩缩等一系列可拓变换，构建掘进机功能特征层次模型，从而实现掘进机的功能建模。最后以EBZ-160型掘进机截割功能特征层次模型的构建为例进行了说明。
　　第三章在从煤岩硬度、截割粉尘等方面分析井下巷道环境对掘进机截割参数影响的基础上，提出了基于混合蛙跳算法的掘进机截割参数多目标求解方法。分析并确定了掘进机掘进性能的三个优化目标，以相关设计参数为变量，以截割时参数变量的取值范围为约束条件，建立了掘进机截割参数的多目标优化模型，对混合蛙跳算法中种群排序与局部搜索方法进行改进并用于模型求解。最后利用该方法对EBZ-160J18型掘进机的关键截割参数进行了优化，使其掘进性能得到提升。
　　第四章对巷道掘进过程中掘进机工作部件的多个性能进行仿真分析，采用构件化技术建立掘进机的仿真模型;给出了掘进机多性能仿真分析的流程和内容;从运动学、动力学、静力学三个方面分析了纵轴式掘进机巷道掘进的摆臂运动、截割振动、装载关键部件强度，并建立相关的运动学及动力学数学模型，以此来对其进行多性能仿真;最后以EBZ-260HD型掘进机为例，给出了其摆臂升降运动、星轮及连接花键的结构强度的仿真分析结果。
　　第五章结合实际项目，开发了沈阳三一重装纵轴式掘进机方案设计与优化仿真系统，并在企业中得到实际应用，验证了本文所提技术的可行性与有效性。
　　第六章总结了本文的研究内容和工作，并对今后的研究方向进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 产品方案设计与性能优化仿真关键技术研究现状

1．2．1 产品功能建模研究现状

1．2．2 设计参数优化研究现状

1．2．3 性能仿真技术研究现状

1．3 面向井下巷道环境的掘进机设计方案求解与性能优化仿真技术的提出

1．3．1 掘进机功能方案描述信息的不完整性问题

1．3．2 掘进机截割参数难以保证掘进性能的问题

1．3．3 掘进机设计结果缺乏综合性能验证的问题

1．4 论文的研究内容与结构框架

1．4．1 论文的研究内容

1．4．2 论文的结构框架

1．5 本章小结

2．基于物元可拓变换的掘进机功能特征多属性建模

2．1 引言

2．2 掘进机功能特征及其属性

2．2．1 掘进机功能特征定义

2．2．1 掘进机属性描述

2．3 井下巷道环境中掘进机功能特征建模

2．3．1 功能特征及属性的物元表达

2．3．2 功能特征及属性物元的可拓变换

2．3．1 掘进机功能特征层次模型

2．4 应用实例

2．4．1 EBZ-160型掘进机总体方案

2．4．2 EBZ-160型掘进机功能特征的主要属性信息

2．4．3 EBZ-160型掘进机截割功能特征层次模型

2．5 本章小结

3．基于混合蛙跳算法的掘进机截割参数多目标求解

3．1 引言

3．2 井下巷道环境对截割参数的影响

3．2．1 煤岩硬度值对截割参数的影响

3．2．2 截割粉尘含量对截割参数的影响

3．2．3 煤岩体蠕变松弛对截割参数的影响

3．3 掘进机截割参数优化模型

3．3．1 截割性能指标及表征

3．3．2 截割参数设计变量的确定

3．3．3 基于环境影响的参数约束条件

3．4 基于混合蛙跳算法的多目标优化模型求解

3．4．1 混合蛙跳算法描述

3．4．2 算法的改进

3．4．3 基于模糊集合理论的pareto优选

3．5 应用实例

3．5．1 EBZ-160J18型掘进机截割参数设计变量取值范围

3．5．2 EBZ-160J18型掘进机截割参数优化模型求解

3．5．3 EBZ-160J18型掘进机截割参数优化方案结果分析

3．6 本章小结

4．基于构件的掘进机巷道掘进多性能仿真

4．1 引言

4．2 掘进机构件化仿真

4．2．1 掘进机构件化仿真模型

4．2．2 掘进机仿真构件形式化描述

4．2．3 掘进机多性能仿真的流程

4．3 掘进机巷道掘进的性能分析

4．3．2 巷道掘进摆臂运动分析

4．3．3 巷道掘进截割振动分析

4．3．4 巷道掘进装载关键部件结构强度分析

4．4 应用实例

4．4．1 EBZ-260HD型掘进机仿真模型建立

4．4．2 EBZ-260HD型掘进机截割机构升降摆动仿真

4．4．3 EBZ-260HD型掘进机星轮装置结构强度分析

4．5 本章小结

5．纵轴式掘进机方案设计与优化仿真系统集成应用

5．1 引言

5．2 系统应用背景及体系架构

5．2．1 系统的应用背景

5．2．2 系统的体系架构

5．3 系统功能模块

5．3．1 井下巷道环境信息管理模块

5．3．2 方案生成管理模块

5．3．3 设计参数优化模块

5．3．4 可视化仿真模块

5．3．5 设备工况信息监控模块

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历