ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2024-1-31-39QCPJUNipolytech-793Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGОптимизационная конструкция механизма регулировки высоты барабана машины для добычи угля на основе алгоритма роя частицOptimization design of shearer drum height adjusting mechanism based on particle swarm optimization algorithmЛиД.LiD.

Ли Дэгэнь

150022, ул. Пуюань, р-н Сунбэй, г. Харбин, г. Хэйлунцзян

Degen Li

PuYuan Road, SongBei District, Harbin, Heilongjiang 150022

lidegen1982@126.comЦзяВ.JiaW.

Цзя Вэньбо

150022, ул. Пуюань, р-н Сунбэй, г. Харбин, г. Хэйлунцзян

Wenbo Jia

PuYuan Road, SongBei District, Harbin, Heilongjiang 150022

1120077954@qq.comЖэньЧ.RenC.

Жэнь Чуньпин

150022, ул. Пуюань, р-н Сунбэй, г. Харбин, г. Хэйлунцзян

Chunping Ren

PuYuan Road, SongBei District, Harbin, Heilongjiang 150022

 

renchunpin@sina.comХэйлунцзянский университет науки и технологийКитайHeilongjiang University of Science and TechnologyChina2024280320242813139Copyright © Ли Д., Цзя В., Жэнь Ч., 20242024Ли Д., Цзя В., Жэнь Ч.Li D., Jia W., Ren C.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/793

Цель – оптимизация конструкции механизма регулировки высоты барабана угледобывающей машины путем изменения размера и угла механизма регулировки для повышения надежности работы механизма в тяжелых эксплуатационных условиях. В работе использован метод оптимизации роя частиц. В качестве опорных параметров были выбраны значения длины большого рычага, длины малого рычага и максимального угла поворота коромысла. При условии ограничения рабочей высоты и длины коромысла установлена многоцелевая оптимизационная модель с углом качания и напряжением цилиндра барабана в качестве целевых функций и переведена в одноцелевую функцию (при помощи линейных весовых коэффициентов). Граничные условия оптимизации получены на основе анализа рабочих характеристик каждой части механизма регулировки рабочей высоты угледобывающей машины – угол качания, ход цилиндра, нагрузка на цилиндр и коромысло, ограничение по высоте и длине коромысла и рычагов. Алгоритм оптимизации роя частиц использован для оптимизации ключевых размерных и угловых параметров коромысла. Результаты оптимизации проверены для оценки их точности. Установлено, что по сравнению с исходными параметрами удалось достичь следующих изменений оптимизируемых величин: ход цилиндра сократился на 17,9%, длина цилиндра сократилась на 8,94%, угол качания уменьшился на 2,83%, напряжение цилиндра уменьшилось на 12,1%, на 6,83% увеличился изгибающий момент коромысла. Таким образом, предложены рекомендации по оптимизации конструкции системы регулировки высоты коромысла угледобывающей машины, способствующие повышению надежности ее работы в сложных условиях.

The underground working environment of the shearer is complex and the working conditions are relatively poor. It is necessary to continuously adjust the height of the rocker arm during the operation, improve the operation efficiency, and improve the ability of the shearer to adapt to the more complex coal seam working environment. In order to optimize the structure of the shearer adjustment mechanism, the strength and strength of the adjustment mechanism are improved by increasing the size and angle of the adjustment mechanism and reducing the size and angle. Therefore, an optimized particle group design method is proposed to optimize the drum adjustment mechanism of the shearer. Seven parameters such as large lever, small lever and maximum swing angle are selected as design variables. Under the condition of limiting mining height and rocker length, an optimization model with rolling angle and cylinder stress as objective functions is established. The working characteristics of each part of the coal machine height adjustment mechanism are analyzed. The particle swarm optimization algorithm is used to optimize the key parameters, and the optimization results are verified to ensure their accuracy. The optimization results are compared with the original parameters. The results show that compared with the pre-optimization, the cylinder stroke is shortened by 17.9%, the cylinder length is shortened by 8.94%, the rolling angle is reduced by 2.83%, the cylinder tension is reduced by 12.1%, and the rocker bending moment is increased by 6.83 %, which meets the original design goal. Therefore, the research provides a reference for the optimal design of the coal machine height adjustment system.

угледобывающая машинамеханизм регулировкиугол прокруткидлина коромыслаоптимизациярой частицоптимизационная конструкцияsheareradjustment mechanismrolling anglerocker lengthoptimizationparticle swarmoptimal designReferencesWang G.F., Zhang D.S. Innovation practice and development prospect of intelligent fully mechanized technology for coal mining // International Journal of Mining Science and Technology. 2018. Vol. 47. No. 3. P. 459–467.Wang G.F., Zhang D.S. Innovation practice and development prospect of intelligent fully mechanized technology for coal mining. International Journal of Mining Science and Technology. 2018;47(3):459-467.Su X.P., Zhu L.K., Li W. Development of loading experiment table for shearer-drum-height mechanism // Machine Design. 2015. Vol. 32. No. 2. P. 83–86.Su X.P., Zhu L.K., Li W. Development of loading experiment table for shearer-drum-height mechanism. Machine Design. 2015;32(2):83-86.Liu C.S., Ren C.Y. Optimised design of the coal miner drum height adjustment mechanism // Colliery Mechanical & Electrical Technology. 1990. No. 1. P. 12–17.Liu C.S., Ren C.Y. Optimised design of the coal miner drum height adjustment mechanism. Colliery Mechanical & Electrical Technology. 1990;1:12-17.Zhao L.J., Fan S.M., Liu X.D. Optimization design of coal mining height-regulating mechanism based on similarity theory // Machine Design. 2017. Vol. 34. No. 5. P. 94–98.Zhao L.J., Fan S.M., Liu X.D. Optimization design of coal mining height-regulating mechanism based on similarity theory. Machine Design. 2017;34(5):94-98.Wang Y.D., Zhao L.J., Zhang M.C. Research on self-adaptive height adjustment control strategy of shearer // Journal of Coal Science and Engineering. 2022. Vol. 47. No. 9. P. 3505–3522.Wang Y.D., Zhao L.J., Zhang M.C. Research on self-adaptive height adjustment control strategy of shearer. Journal of Coal Science and Engineering. 2022;47(9):3505-3522. 6. Li Q.F. Dynamic analysis of height-regulating structure of shearer’s cutting unit based on Matlab/Simulink. Coal mining technology. 2015;20(4):52-55. 7. Ji C. Research on dynamic characteristics of height adjustment system of drum shearer. Coal Mine Machinery. 2020;41(9):53-55.Li Q.F. Dynamic analysis of height-regulating structure of shearer’s cutting unit based on Matlab/Simulink // Coal mining technology. 2015. Vol. 20. No. 4. P. 52–55.Peng T.H., Zhang Y.L., Wang G.Y., et al. Simulation study on hydraulic-mechanical coupling adjusted by electro-hydraulic proportional of coal shearer. Coal Science & Technology. 2016;44(9):127-133.Ji C. Research on dynamic characteristics of height adjustment system of drum shearer // Coal Mine Machinery. 2020. Vol. 41. No. 9. P. 53–55.Jaśkowiec K., Pirowski Z., Głowacki M., Bisztyga-Szklarz M., Bitka A., Małysza M., et al. Analyze the wear mechanism of the longwall shearer haulage system. Materials (Basel). 2023;16(8):3090. https://doi.org/10.3390/ma16083090.Peng T.H., Zhang Y.L., Wang G.Y., et al. Simulation study on hydraulic-mechanical coupling adjusted by electro-hydraulic proportional of coal shearer // Coal Science & Technology. 2016. Vol. 44. No. 9. P. 127–133.Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski S. The impact of cutting with a shearer on the conditions of longwall ventilation. Energies. 2021;14(21):6907. https://doi.org/10.20944/preprints202106.0054.v1.Jaśkowiec K., Pirowski Z., Głowacki M., Bisztyga-Szklarz M., Bitka A., Małysza M., et al. Analyze the wear mechanism of the longwall shearer haulage system // Materials (Basel). 2023. Vol. 16. No. 8. P. 3090. https://doi.org/10.3390/ma16083090.Babokin G.I., Shpreher D.M., Zelenkov A.V. A software product for improving efficiency control of the electric drive of a shearer. Russian Electrical Engineering. 2022;93(1):26-33. https://doi.org/10.3103/S1068371222010035. EDN: CRWKCK.Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski S. The impact of cutting with a shearer on the conditions of longwall ventilation // Energies. 2021. Vol. 14. No. 21. P. 6907. https://doi.org/10.20944/preprints202106.0054.v1.Jaszczuk M., Pawlikowski A., Grzegorzek W., Szweda S. Prediction of the potential daily output of a shearer-loader. Energies. 2021;14(6):1647. https://doi.org/10.3390/en14061647.Babokin G.I.., Shpreher D.M., Zelenkov A.V. A software product for improving efficiency control of the electric drive of a shearer // Russian Electrical Engineering. 2022. Vol. 93. No. 1. P. 26–33. https://doi.org/10.3103/S1068371222010035. EDN: CRWKCK.Zhao Jiang-bin, Liang Meng-tao, Zhang Zao-yan, Cui Jian, Cao Xian-gang. Fault analysis of shearer-cutting units driven by integrated importance measure. Applied Sciences. 2023;13(4):2711. https://doi.org/10.3390/app13042711.Jaszczuk M., Pawlikowski A., Grzegorzek W., Szweda S. Prediction of the potential daily output of a shearer-loader // Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 6. P. 1647. https://doi.org/10.3390/en14061647.Kęsek M., Ogrodnik R. Method for determining the utilization rate of thin-deck shearers based on recorded electromotor loads. Energies. 2021;14(13):4059. https://doi.org/10.3390/en14134059.Zhao Jiang-bin, Liang Meng-tao, Zhang Zao-yan, Cui Jian, Cao Xian-gang. Fault analysis of shearer-cutting units driven by integrated importance measure // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. Iss. 4. P. 2711. https://doi.org/10.3390/app13042711.Ratanavilisagul C. Dynamic population size and mutation round strategy assisted modified particle swarm optimization with mutation and reposition. Procedia Computer Science. 2016;86:449-452. https://doi.org/10.1016/j.procs.2016.05.078.Kęsek M., Ogrodnik R. Method for determining the utilization rate of thin-deck shearers based on recorded electromotor loads // Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 13. P. 4059. https://doi.org/10.3390/en14134059.Stefenon S.F., Neto C.S.F., Coelho T.S., Nied A., Yamaguchi C.K, Yow K.-С. Particle swarm optimization for design of insulators of distribution power system based on finite element method. Electrical Engineering. 2022;104(2):615-622. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01332-3.Ratanavilisagul C. Dynamic population size and mutation round strategy assisted modified particle swarm optimization with mutation and reposition // Procedia Computer Science. 2016. Vol. 86. P. 449–452. https://doi.org/10.1016/j.procs.2016.05.078.Valencia-Rodríguez D.C., Coello C.A.C. Influence of the number of connections between particles in the performance of a multi-objective particle swarm optimizer. Swarm and Evolutionary Computation. 2023;77(3):101231. https://doi.org/10.1016/j.swevo.2023.101231.Stefenon S.F., Neto C.S.F., Coelho T.S., Nied A., Yamaguchi C.K, Yow K.-С. Particle swarm optimization for design of insulators of distribution power system based on finite element method // Electrical Engineering. 2022. Vol. 104. No. 2. P. 615–622. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01332-3.Ivanov A.Yu., Matrosovа E.R. Technogenically рrovoked seepage activity in the northwestern part of the Black sea according to data from space. Ekologia i promyshlennostʹ Rossii = Ecology and Industry of Russia. 2019;23(8):57-63. (In Russ.). https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-8-57-63. EDN: QSAUVP.Valencia-Rodríguez D.C., Coello C.A.C. Influence of the number of connections between particles in the performance of a multi-objective particle swarm optimizer // Swarm and Evolutionary Computation. 2023. Vol. 77. Iss. 3. P. 101231. https://doi.org/10.1016/j.swevo.2023.101231.Linnik Yu.N., Sherstkin V.V., Linnik V.Yu. Integral criterion of coal seam breakability. Gornyi Zhurnal. 2015;8:37-41. (In Russ.). EDN: UHKOSZ.Иванов А.Ю., Матросова Е.Р. Техногенная грифонная активность в северо-западной части Черного моря по данным съемок из космоса // Экология и промышленность России. 2019. № 8. С. 57–63. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-8-57-63. EDN: QSAUVP.Kantovich L.I., Grigor’ev S.M., Grigor’ev A.S. Results of studying punching installations for trenchless construction of underground utilities. Gornoe oborudovanie i elektromehanika. 2008;2:2-7. (In Russ.). EDN: HPLIIC.Линник Ю.Н., Шерсткин В.В., Линник В.Ю. Интегральный показатель оценки разрушаемости угольных пластов // Горный журнал. 2015. № 8. С. 37–41. EDN: UHKOSZ.Линник Ю.Н., Шерсткин В.В., Линник В.Ю. Интегральный показатель оценки разрушаемости угольных пластов // Горный журнал. 2015. № 8. С. 37–41. EDN: UHKOSZ.Кантович Л.И., Григорьев С.М., Григорьев А.С. Результаты исследования продавливающих установок для бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 2. С. 2–7. EDN: HPLIIC.Кантович Л.И., Григорьев С.М., Григорьев А.С. Результаты исследования продавливающих установок для бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 2. С. 2–7. EDN: HPLIIC.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.