非稳态工况下采煤机截割传动系统机电动态特性研究

发布时间：2020-10-27 03:03

　　 煤炭是我国目前和未来很长一段时间的主要能源,而且煤炭开采向深部煤层发展,深部煤层的高压、高温、高湿等恶劣环境对采掘装备的机械化、无人化以及工况适应性提出了更高的要求。滚筒式采煤机能较好地适应各种煤层赋存条件,是机械化采煤中最为常用而且重要的大型设备。截割部是滚筒式采煤机主要工作机构,包括电机、齿轮传动系统和滚筒。在滚筒切割煤岩时,由于煤岩强度的不均匀性、煤岩的脆性崩落以及岩石夹杂,导致滚筒载荷波动大、冲击大,而且截割部传动链长,使得截割机电传动系统成为采煤机的薄弱部分。目前普遍使用的采煤机的滚筒转速通常是不可调的(本文称这种采煤机为―恒速截割采煤机‖),当其遇到硬煤层时,通常降低牵引速度。虽然这会降低滚筒载荷和传动系统内部动载荷,但也会导致采煤率下降,因而拟对截割电机加以控制使滚筒转速可调,从而提高采煤机的工况适应性,进而提高采煤机可靠性、保证采煤率,本文称这种采煤机为―变速截割采煤机‖。截割机电传动系统的可靠性和工况适应性与其机电动态特性息息相关,而且采煤机通常工作于非稳态工况(载荷突变、变速过程),因此研究非稳态工况下采煤机截割传动系统的机电动态特性是采煤机设计的重要任务之一。本文依托于国家重大基础研究计划(973计划,深部危险煤层无人采掘装备关键基础研究)的课题四(重载突变工况的高效动力传递原理及自适应控制方法,2014CB046304),从理论和实验两方面开展了非稳态工况(载荷突变、变速过程)下采煤机截割传动系统机电耦合动力学特性研究,以指导无人采煤机机电传动系统的机械参数设计和控制系统的设计,为提高采煤机截割传动系统的可靠性和工况适应性奠定基础。主要研究内容如下:(1)采煤机截割传动系统机电耦合动力学建模建立截割传动系统机电耦合动力学模型需要三类模型:电机模型、齿轮动力学模型和滚筒载荷模型。电机模型和滚筒载荷模型前人已提出,可以直接使用。目前齿轮动力学模型主要是针对齿轮振动问题提出,其名义角速度是恒定的(本文的―变速过程齿轮动力学‖也是针对此提出),而且其广义坐标选用了振动角位移,不便于与电机模型连接形成截割传动系统机电耦合动力学模型。鉴于此,也考虑到以后可能会用人字齿轮代替采煤机传动系统的直齿轮而且人字齿轮动力学模型也可应用于直齿轮,本文提出了变速过程人字齿轮(包括平行轴人字齿轮、人字齿行星齿轮)动力学模型,选用角位移作为广义坐标,而且时变刚度直接表达为角位移的周期函数,因而该模型便于与电机模型连接形成截割传动系统机电耦合动力学模型,也能应用于变速过程。最后,将电机模型、滚筒载荷模型以及本文提出的变速过程齿轮(包括平行轴、行星齿轮)动力学模型组合形成采煤机截割传动系统机电耦合动力学模型。(2)突变载荷下恒速截割采煤机截割传动系统机电动态特性研究恒速截割采煤机指的是目前常见的采煤机,其滚筒转速不可调。本文对突变载荷下恒速截割采煤机截割传动系统机电动态特性进行了研究,主要包括:1)研究了采煤机截割传动系统突变载荷下的动力学特性,分析了机械参数(刚度、阻尼等)对其动力学特性的影响规律,从而为机械参数设计提供指导。2)研究了截割电机在突变载荷下的电特性。由于滚筒工况恶劣,不适宜在滚筒处添加力矩传感器,探索了将定子电流作为控制系统的反馈信号来反映滚筒载荷的可行性。3)对比了稳态电机模型和动态电机模型对仿真所得的机电动态特性的影响,为采煤机截割传统系统机电耦合动力学建模提供指导。(3)非稳态工况下变速截割采煤机截割传动系统机电动态特性研究―变速截割采煤机‖指滚筒转速可调的采煤机,这种采煤机遇到硬煤层时可以通过提高滚筒转速来降低滚筒载荷,不需降低牵引速度从而保证采煤率不下降。当滚筒转速和牵引速度均可调时,对于不同的煤层,通过滚筒转速和牵引速度的联合协调控制易于获得最佳的采煤效益,并增强采煤机的可靠性和工况适应性。对变速截割采煤机截割传动系统的机电动态特性进行了研究,主要包括:1)研究了不同载荷(脉冲、阶跃、随机载荷)下变速截割采煤机截割传动系统的机电动态特性,为变速截割采煤机截割机电传动系统的机械设计、截割状态监测、反馈控制信号的选取提供指导。2)研究了不同变速过程下变速截割采煤机截割传动系统的机电动态特性,为变速截割采煤机控制策略的制定提供指导。(4)采煤机截割传动系统机电动态特性台架实验与仿真研究为验证本文提出的采煤机截割传动系统机电耦合动力学建模方法及获得的机电动态特性,搭建了采煤机截割传动系统机电动态特性实验台。对采煤机截割传动系统的机电动态特性进行了实验研究,验证了所获得的机电动态特性。根据本文的建模方法建立了实验截割传动系统的机电耦合动力学模型,并将仿真结果与实验结果对比,验证了本文所提的建模方法的有效性,为深入进行采煤机传动系统机电耦合动力学分析和基于机电耦合动力学分析的控制系统设计奠定了基础。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TD632.1
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
    1.1 论文研究背景及意义
    1.2 滚筒式采煤机、截割机电传动系统及其无人化操作概述
        1.2.1 滚筒式采煤机
        1.2.2 截割机电传动系统
        1.2.3 采煤机无人化操作研究现状
    1.3 采煤机截割传动系统机电耦合动力学研究现状
    1.4 齿轮动力学模型研究现状
        1.4.1 平行轴齿轮动力学模型
        1.4.2 行星齿轮动力学模型
    1.5 课题研究技术路线及主要研究内容
2 平行轴人字齿轮变速过程动力学建模与分析
    2.1 引言
    2.2 变速过程人字齿轮动力学模型描述
    2.3 啮合力、摩擦力和摩擦力矩的计算
        2.3.1 斜齿圆柱齿轮啮合过程分析
        2.3.2 啮合力、摩擦力和摩擦力矩的计算
        2.3.3 误差激励的模拟
    2.4 人字齿轮实例仿真与分析
    2.5 本章小结
3 人字齿行星齿轮变速过程动力学建模与分析
    3.1 引言
    3.2 内外啮合人字齿轮副的啮合力的计算
        3.2.1 内外啮合人字齿轮副的受力和运动分析
        3.2.2 内外啮合人字齿轮副啮合力的计算
    3.3 变速过程人字齿行星齿轮动力学建模
        3.3.1 动力学模型整体描述
        3.3.2 内外人字齿轮副在动坐标系上的转化
        3.3.3 动力学模型的运动方程
    3.4 人字齿行星齿轮加速过程的仿真与分析
    3.5 本章小结
4 突变载荷下恒速截割采煤机截割传动系统机电动态特性研究
    4.1 引言
    4.2 突变载荷下恒速截割采煤机截割传动系统动力学特性研究
        4.2.1 直齿行星齿轮动力学模型
        4.2.2 恒速截割采煤机截割传动系统动力学模型
        4.2.3 仿真与结果分析
    4.3 突变载荷下恒速截割采煤机截割传动系统机电动态特性研究
        4.3.1 恒速截割采煤机截割传动系统机电耦合动力学模型
        4.3.2 突变载荷下恒速截割采煤机截割传动系统机电动态特性分析
    4.4 本章小结
5 非稳态工况下变速截割采煤机截割传动系统机电动态特性研究
    5.1 引言
    5.2 不同载荷下变速截割采煤机截割传动系统机电动态特性研究
        5.2.1 直接转矩控制电机模型
        5.2.2 机电耦合动力学模型
        5.2.3 不同载荷下截割传动系统机电动态特性分析
    5.3 变速过程的截割传动系统机电动态特性研究
        5.3.1 滚筒载荷模型
        5.3.2 基于滚筒载荷模型的变速方案
        5.3.3 不同变速过程的截割传动系统机电动态特性分析
    5.4 本章小结
6 采煤机截割传动系统机电动态特性台架实验与仿真研究
    6.1 引言
    6.2 截割传动系统机电动态特性实验台构成
    6.3 实验结果分析
        6.3.1 联轴器阻尼对机电动态特性的影响
        6.3.2 稳态载荷下的实验结果分析
        6.3.3 突变载荷下的实验结果分析
        6.3.4 变速过程的实验结果分析
    6.4 实验与仿真结果对比分析
        6.4.1 实验截割传动系统机电耦合动力学模型
        6.4.2 冲击载荷下实验与仿真对比分析
        6.4.3 变速过程下实验与仿真对比分析
    6.5 本章小结
7 论文总结与展望
    7.1 本课题主要工作总结
    7.2 论文的创新点
    7.3 后续研究工作与展望
致谢
参考文献
附录
    A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
    B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

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本文编号：2857930