非穩(wěn)態(tài)工況下采煤機截割傳動系統(tǒng)機電動態(tài)特性研究.pdf

1、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性提出了更高的要求。滾筒式采煤機能較好地適應各種煤層賦存條件，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，導致滾筒載荷波動大、沖擊大，而且截割部傳動鏈長，使得截割

2、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性與其機電動態(tài)特性息息相關(guān)，而且采煤機通常工作

3、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)機電耦合動力學特性研究，以指導無人采煤機機電傳動系統(tǒng)的機械參數(shù)設(shè)計和

4、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性奠定基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如下：
　?、俨擅簷C截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學建模
　　建立截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學模型需要三類模型：電機模型、齒輪動力學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”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

5、電機模型連接形成截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學模型。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模型也可應用于直齒輪，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)機電耦合動力學模型，也能應用于變速過程。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

6、軸、行星齒輪）動力學模型組合形成采煤機截割傳動系統(tǒng)機電耦合動力學模型。
　?、谕蛔冚d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特性，分析了機械參數(shù)（剛度、阻尼等）對其動力學特性的影響規(guī)律，從而為機械參數(shù)設(shè)計提供指導。
　　

7、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)機電耦合動力學建模提供指導。
　　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)

8、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

9、導。
　　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。
　?、懿擅簷C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