非穩(wěn)態(tài)工況下采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、煤炭是我國(guó)目前和未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的主要能源，而且煤炭開(kāi)采向深部煤層發(fā)展，深部煤層的高壓、高溫、高濕等惡劣環(huán)境對(duì)采掘裝備的機(jī)械化、無(wú)人化以及工況適應(yīng)性提出了更高的要求。滾筒式采煤機(jī)能較好地適應(yīng)各種煤層賦存條件，是機(jī)械化采煤中最為常用而且重要的大型設(shè)備。截割部是滾筒式采煤機(jī)主要工作機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和滾筒。在滾筒切割煤巖時(shí)，由于煤巖強(qiáng)度的不均勻性、煤巖的脆性崩落以及巖石夾雜，導(dǎo)致滾筒載荷波動(dòng)大、沖擊大，而且截割部傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，使得截割

2、機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)成為采煤機(jī)的薄弱部分。目前普遍使用的采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速通常是不可調(diào)的（本文稱(chēng)這種采煤機(jī)為“恒速截割采煤機(jī)”），當(dāng)其遇到硬煤層時(shí)，通常降低牽引速度。雖然這會(huì)降低滾筒載荷和傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)載荷，但也會(huì)導(dǎo)致采煤率下降，因而擬對(duì)截割電機(jī)加以控制使?jié)L筒轉(zhuǎn)速可調(diào)，從而提高采煤機(jī)的工況適應(yīng)性，進(jìn)而提高采煤機(jī)可靠性、保證采煤率，本文稱(chēng)這種采煤機(jī)為“變速截割采煤機(jī)”。截割機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和工況適應(yīng)性與其機(jī)電動(dòng)態(tài)特性息息相關(guān)，而且采煤機(jī)通常工作

3、于非穩(wěn)態(tài)工況（載荷突變、變速過(guò)程），因此研究非穩(wěn)態(tài)工況下采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性是采煤機(jī)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。
　　本文依托于國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃，深部危險(xiǎn)煤層無(wú)人采掘裝備關(guān)鍵基礎(chǔ)研究）的課題四（重載突變工況的高效動(dòng)力傳遞原理及自適應(yīng)控制方法，2014CB046304），從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面開(kāi)展了非穩(wěn)態(tài)工況（載荷突變、變速過(guò)程）下采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)特性研究，以指導(dǎo)無(wú)人采煤機(jī)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)和

4、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為提高采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和工況適應(yīng)性奠定基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?、俨擅簷C(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)建模
　　建立截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型需要三類(lèi)模型：電機(jī)模型、齒輪動(dòng)力學(xué)模型和滾筒載荷模型。電機(jī)模型和滾筒載荷模型前人已提出，可以直接使用。目前齒輪動(dòng)力學(xué)模型主要是針對(duì)齒輪振動(dòng)問(wèn)題提出，其名義角速度是恒定的（本文的“變速過(guò)程齒輪動(dòng)力學(xué)”也是針對(duì)此提出），而且其廣義坐標(biāo)選用了振動(dòng)角位移，不便于與

5、電機(jī)模型連接形成截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型。鑒于此，也考慮到以后可能會(huì)用人字齒輪代替采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的直齒輪而且人字齒輪動(dòng)力學(xué)模型也可應(yīng)用于直齒輪，本文提出了變速過(guò)程人字齒輪（包括平行軸人字齒輪、人字齒行星齒輪）動(dòng)力學(xué)模型，選用角位移作為廣義坐標(biāo)，而且時(shí)變剛度直接表達(dá)為角位移的周期函數(shù)，因而該模型便于與電機(jī)模型連接形成截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型，也能應(yīng)用于變速過(guò)程。最后，將電機(jī)模型、滾筒載荷模型以及本文提出的變速過(guò)程齒輪（包括平行

6、軸、行星齒輪）動(dòng)力學(xué)模型組合形成采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型。
　　②突變載荷下恒速截割采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電動(dòng)態(tài)特性研究
　　恒速截割采煤機(jī)指的是目前常見(jiàn)的采煤機(jī)，其滾筒轉(zhuǎn)速不可調(diào)。本文對(duì)突變載荷下恒速截割采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，主要包括：
　　1）研究了采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)突變載荷下的動(dòng)力學(xué)特性，分析了機(jī)械參數(shù)（剛度、阻尼等）對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律，從而為機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　

7、2）研究了截割電機(jī)在突變載荷下的電特性。由于滾筒工況惡劣，不適宜在滾筒處添加力矩傳感器，探索了將定子電流作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)來(lái)反映滾筒載荷的可行性。
　　3）對(duì)比了穩(wěn)態(tài)電機(jī)模型和動(dòng)態(tài)電機(jī)模型對(duì)仿真所得的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性的影響，為采煤機(jī)截割傳統(tǒng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)建模提供指導(dǎo)。
　?、鄯欠€(wěn)態(tài)工況下變速截割采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電動(dòng)態(tài)特性研究
　　“變速截割采煤機(jī)”指滾筒轉(zhuǎn)速可調(diào)的采煤機(jī)，這種采煤機(jī)遇到硬煤層時(shí)可以通過(guò)提高滾筒轉(zhuǎn)

8、速來(lái)降低滾筒載荷，不需降低牽引速度從而保證采煤率不下降。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度均可調(diào)時(shí)，對(duì)于不同的煤層，通過(guò)滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制易于獲得最佳的采煤效益，并增強(qiáng)采煤機(jī)的可靠性和工況適應(yīng)性。對(duì)變速截割采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，主要包括：
　　1）研究了不同載荷（脈沖、階躍、隨機(jī)載荷）下變速截割采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性，為變速截割采煤機(jī)截割機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)、截割狀態(tài)監(jiān)測(cè)、反饋控制信號(hào)的選取提供指

9、導(dǎo)。
　　2）研究了不同變速過(guò)程下變速截割采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性，為變速截割采煤機(jī)控制策略的制定提供指導(dǎo)。
　?、懿擅簷C(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電動(dòng)態(tài)特性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與仿真研究
　　為驗(yàn)證本文提出的采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)建模方法及獲得的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性，搭建了采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)。對(duì)采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所獲得的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)本文的建模方法建立了實(shí)驗(yàn)截割傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)