煤炭是我國目前和未來很長一段時間的主要能源,而且煤炭開采向深部煤層發(fā)展,深部煤層的高壓、高溫、高濕等惡劣環(huán)境對采掘裝備的機械化、無人化以及工況適應(yīng)性提出了更高的要求。滾筒式采煤機能較好地適應(yīng)各種煤層賦存條件,是機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主要工作機構(gòu),包括電機、齒輪傳動系統(tǒng)和滾筒。在滾筒切割煤巖時,由于煤巖強度的不均勻性、煤巖的脆性崩落以及巖石夾雜,導(dǎo)致滾筒載荷波動大、沖擊大,而且截割部傳動鏈長,使得截割機電傳動系統(tǒng)成為采煤機的薄弱部分。目前普遍使用的采煤機的滾筒轉(zhuǎn)速通常是不可調(diào)的(本文稱這種采煤機為―恒速截割采煤機‖),當其遇到硬煤層時,通常降低牽引速度。雖然這會降低滾筒載荷和傳動系統(tǒng)內(nèi)部動載荷,但也會導(dǎo)致采煤率下降,因而擬對截割電機加以控制使?jié)L筒轉(zhuǎn)速可調(diào),從而提高采煤機的工況適應(yīng)性,進而提高采煤機可靠性、保證采煤率,本文稱這種采煤機為―變速截割采煤機‖。截割機電傳動系統(tǒng)的可靠性和工況適應(yīng)性與其機電動態(tài)特性息息相關(guān),而且采煤機通常工作于非穩(wěn)態(tài)工況(載荷突變、變速過程),因此研究非穩(wěn)態(tài)工況下采煤機截割傳動系統(tǒng)的機電動態(tài)特性是采煤機設(shè)計的重要任務(wù)之一。本文依托于國家重大基礎(chǔ)研究計劃(973計劃,深部危險煤層無人采掘裝備關(guān)鍵基礎(chǔ)研究)的課題四(重載突變工況的高效動力傳遞原理及自適應(yīng)控制方法,2014CB046304),從理論和實驗兩方面開展了非穩(wěn)態(tài)工況(載荷突變、變速過程)下采煤機截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)特性研究,以指導(dǎo)無人采煤機機電傳動系統(tǒng)的機械參數(shù)設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計,為提高采煤機截割傳動系統(tǒng)的可靠性和工況適應(yīng)性奠定基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如下:(1)采煤機截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)建模建立截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)模型需要三類模型:電機模型、齒輪動力學(xué)模型和滾筒載荷模型。電機模型和滾筒載荷模型前人已提出,可以直接使用。目前齒輪動力學(xué)模型主要是針對齒輪振動問題提出,其名義角速度是恒定的(本文的―變速過程齒輪動力學(xué)‖也是針對此提出),而且其廣義坐標選用了振動角位移,不便于與電機模型連接形成截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)模型。鑒于此,也考慮到以后可能會用人字齒輪代替采煤機傳動系統(tǒng)的直齒輪而且人字齒輪動力學(xué)模型也可應(yīng)用于直齒輪,本文提出了變速過程人字齒輪(包括平行軸人字齒輪、人字齒行星齒輪)動力學(xué)模型,選用角位移作為廣義坐標,而且時變剛度直接表達為角位移的周期函數(shù),因而該模型便于與電機模型連接形成截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)模型,也能應(yīng)用于變速過程。最后,將電機模型、滾筒載荷模型以及本文提出的變速過程齒輪(包括平行軸、行星齒輪)動力學(xué)模型組合形成采煤機截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)模型。(2)突變載荷下恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究恒速截割采煤機指的是目前常見的采煤機,其滾筒轉(zhuǎn)速不可調(diào)。本文對突變載荷下恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性進行了研究,主要包括:1)研究了采煤機截割傳動系統(tǒng)突變載荷下的動力學(xué)特性,分析了機械參數(shù)(剛度、阻尼等)對其動力學(xué)特性的影響規(guī)律,從而為機械參數(shù)設(shè)計提供指導(dǎo)。2)研究了截割電機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)的反饋信號來反映滾筒載荷的可行性。3)對比了穩(wěn)態(tài)電機模型和動態(tài)電機模型對仿真所得的機電動態(tài)特性的影響,為采煤機截割傳統(tǒng)系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)建模提供指導(dǎo)。(3)非穩(wěn)態(tài)工況下變速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究―變速截割采煤機‖指滾筒轉(zhuǎn)速可調(diào)的采煤機,這種采煤機遇到硬煤層時可以通過提高滾筒轉(zhuǎn)速來降低滾筒載荷,不需降低牽引速度從而保證采煤率不下降。當滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度均可調(diào)時,對于不同的煤層,通過滾筒轉(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,并增強采煤機的可靠性和工況適應(yīng)性。對變速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)的機電動態(tài)特性進行了研究,主要包括:1)研究了不同載荷(脈沖、階躍、隨機載荷)下變速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)的機電動態(tài)特性,為變速截割采煤機截割機電傳動系統(tǒng)的機械設(shè)計、截割狀態(tài)監(jiān)測、反饋控制信號的選取提供指導(dǎo)。2)研究了不同變速過程下變速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)的機電動態(tài)特性,為變速截割采煤機控制策略的制定提供指導(dǎo)。(4)采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性臺架實驗與仿真研究為驗證本文提出的采煤機截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)建模方法及獲得的機電動態(tài)特性,搭建了采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性實驗臺。對采煤機截割傳動系統(tǒng)的機電動態(tài)特性進行了實驗研究,驗證了所獲得的機電動態(tài)特性。根據(jù)本文的建模方法建立了實驗截割傳動系統(tǒng)的機電耦合動力學(xué)模型,并將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比,驗證了本文所提的建模方法的有效性,為深入進行采煤機傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)分析和基于機電耦合動力學(xué)分析的控制系統(tǒng)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TD632.1
【文章目錄】：
中文摘要
英文摘要
1 緒論
    1.1 論文研究背景及意義
    1.2 滾筒式采煤機、截割機電傳動系統(tǒng)及其無人化操作概述
        1.2.1 滾筒式采煤機
        1.2.2 截割機電傳動系統(tǒng)
        1.2.3 采煤機無人化操作研究現(xiàn)狀
    1.3 采煤機截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)研究現(xiàn)狀
    1.4 齒輪動力學(xué)模型研究現(xiàn)狀
        1.4.1 平行軸齒輪動力學(xué)模型
        1.4.2 行星齒輪動力學(xué)模型
    1.5 課題研究技術(shù)路線及主要研究內(nèi)容
2 平行軸人字齒輪變速過程動力學(xué)建模與分析
    2.1 引言
    2.2 變速過程人字齒輪動力學(xué)模型描述
    2.3 嚙合力、摩擦力和摩擦力矩的計算
        2.3.1 斜齒圓柱齒輪嚙合過程分析
        2.3.2 嚙合力、摩擦力和摩擦力矩的計算
        2.3.3 誤差激勵的模擬
    2.4 人字齒輪實例仿真與分析
    2.5 本章小結(jié)
3 人字齒行星齒輪變速過程動力學(xué)建模與分析
    3.1 引言
    3.2 內(nèi)外嚙合人字齒輪副的嚙合力的計算
        3.2.1 內(nèi)外嚙合人字齒輪副的受力和運動分析
        3.2.2 內(nèi)外嚙合人字齒輪副嚙合力的計算
    3.3 變速過程人字齒行星齒輪動力學(xué)建模
        3.3.1 動力學(xué)模型整體描述
        3.3.2 內(nèi)外人字齒輪副在動坐標系上的轉(zhuǎn)化
        3.3.3 動力學(xué)模型的運動方程
    3.4 人字齒行星齒輪加速過程的仿真與分析
    3.5 本章小結(jié)
4 突變載荷下恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究
    4.1 引言
    4.2 突變載荷下恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)動力學(xué)特性研究
        4.2.1 直齒行星齒輪動力學(xué)模型
        4.2.2 恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型
        4.2.3 仿真與結(jié)果分析
    4.3 突變載荷下恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究
        4.3.1 恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)模型
        4.3.2 突變載荷下恒速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性分析
    4.4 本章小結(jié)
5 非穩(wěn)態(tài)工況下變速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究
    5.1 引言
    5.2 不同載荷下變速截割采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究
        5.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制電機模型
        5.2.2 機電耦合動力學(xué)模型
        5.2.3 不同載荷下截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性分析
    5.3 變速過程的截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究
        5.3.1 滾筒載荷模型
        5.3.2 基于滾筒載荷模型的變速方案
        5.3.3 不同變速過程的截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性分析
    5.4 本章小結(jié)
6 采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性臺架實驗與仿真研究
    6.1 引言
    6.2 截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性實驗臺構(gòu)成
    6.3 實驗結(jié)果分析
        6.3.1 聯(lián)軸器阻尼對機電動態(tài)特性的影響
        6.3.2 穩(wěn)態(tài)載荷下的實驗結(jié)果分析
        6.3.3 突變載荷下的實驗結(jié)果分析
        6.3.4 變速過程的實驗結(jié)果分析
    6.4 實驗與仿真結(jié)果對比分析
        6.4.1 實驗截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)模型
        6.4.2 沖擊載荷下實驗與仿真對比分析
        6.4.3 變速過程下實驗與仿真對比分析
    6.5 本章小結(jié)
7 論文總結(jié)與展望
    7.1 本課題主要工作總結(jié)
    7.2 論文的創(chuàng)新點
    7.3 后續(xù)研究工作與展望
致謝
參考文獻
附錄
    A. 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄
    B. 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項目

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