采煤机截割齿轮受力及疲劳寿命研究.pdf

分类号分类号TD421.6TD421.6单位代码单位代码1011010110 学学号号SF180202SF180202 中中 北北 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （专（专硕）硕） 采煤机截割齿轮受力及疲劳寿命研究采煤机截割齿轮受力及疲劳寿命研究 硕士研究生硕士研究生车建伟车建伟 指导教师指导教师刘波刘波 副教授副教授 校外导师校外导师强卫军强卫军 高级工程师高级工程师 学科学科领域领域机械工程机械工程 20212021 年年5 5月月3030 日日 万方数据 图书分类号图书分类号TD421.6密级密级非密非密 UDCUDC 注注 1 1 621621 硕硕士士学学位位论论文文 采煤机截割齿轮受力及疲劳寿命研究采煤机截割齿轮受力及疲劳寿命研究 车建伟车建伟 校内指导教师（姓名、职称）校内指导教师（姓名、职称）刘波刘波 副教授副教授 校外指导教师（姓名、职称）校外指导教师（姓名、职称）强卫军强卫军 高级工程师高级工程师 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士 学科学科领域（研究方向）领域（研究方向）机械工程机械工程 论文提交日期论文提交日期________________年年____________月月____________日日 论文答辩日期论文答辩日期________________年年____________月月____________日日 学位授予日期学位授予日期________________年年____________月月____________日日 论文评阅人论文评阅人闫红红闫红红 教授教授闫宏伟闫宏伟 教授教授 答辩委员会主席答辩委员会主席李志农李志农 20212021 年年5 5月月3030日日 注注 1 1注明国际十进分类法注明国际十进分类法 UDCUDC的分类的分类 万方数据 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名论文作者签名日期日期 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括 ①①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②②学校可学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③③学校可允许学学校可允许学 位论文被查阅或借阅；位论文被查阅或借阅；④④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；论文；⑤⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定）。后遵守此规定）。 签签名名日期日期 导师签名导师签名日期日期 万方数据 中北大学学位论文 采煤机截割齿轮受力及疲劳寿命研究采煤机截割齿轮受力及疲劳寿命研究 摘要摘要 采煤机作为综合采煤设备的关键设备，广泛应用在煤炭生产中，并且随着计算机、 自动控制、通信、传感等技术的迅猛发展，现在的采煤机上一般都会装备设备的状态监 测装置，对设备的状态进行实时的监测，同时也配备了经验丰富的技术人员，能够快速 地对设备的故障类型及位置进行定位。 但在修复故障尤其是更换机械部件时却面临着困 难，导致设备故障在短期内不能得到修复。在采煤机中截割部齿轮在工作本文针对目前 采煤机维修时由于机械零部件比较大，从井下运输到井上维修比较困难，或者当前损坏 的零部件没有库存，需要临时采购，维修周期长，导致停产造成经济损失的现状，研究 了采煤机截部齿轮的受力和疲劳寿命。 根据采煤机的工作情况来预测采煤机截部齿轮的 剩余寿命， 以达到在采煤机运到井下前就能够对其进行预防性维修及提前采购需要更换 的齿轮的目的。主要工作包括 （1）进行了采煤机截割力与其运动参数及滚筒截齿几何参数之间的关系理论分析 研究，并在此基础上分析了采煤机截割半径、牵引速度、滚筒转速截割力的影响，重点 分析了夹矸层高度及位置对截割力的影响，利用 Matlab 软件编写了程序对上述分析进 行了模拟仿真。 （2）在对采煤机截齿的截割力和其影响因素分析的基础上，利用 SolidWorks 软件 建立了截割部输入轴齿轮及与其啮合齿轮的三维数字模型，并基于有限元理论利用 ANSYS Workbench 软件对其受力进行了模拟仿真分析，获得了工作过程中齿轮的应力 情况。 （3）在对疲劳累积损伤理论进行研究的基础上，利用有限元分析法已获得的应力 情况，在 nCode Design Life 软件中对截割部齿轮进行了疲劳寿命的模拟仿真分析，获得 了齿轮的疲劳寿命。重点研究了当采煤机截割不同性质及位置的夹矸煤的寿命情况，得 出了其平均寿命值。 关键词截割部齿轮，截割力分析，瞬态动力学，疲劳寿命 万方数据 中北大学学位论文 Research on Force and Fatigue Life of Cutting Gear of Coal Shearer Abstract As the core equipment of fully mechanized mining equipment, shearers have been widely used in coal production. With the rapid development of computer, communication, automatic control, and sensing technologies, current shearers are generally equipped with equipment condition monitoring devices , Real-time monitoring of the status of the equipment, and also equipped with experienced technicians, can quickly locate the type and location of the equipment failure. However, it is faced with difficulties in repairing faults, especially when replacing mechanical parts, resulting in equipment faults that cannot be repaired in a short period of time. The gears of the cutting unit in the shearer work. This article aims at the current shearer maintenance due to the relatively large mechanical parts, it is difficult to transport from the underground to the underground maintenance, or the currently damaged parts are not in stock, and need to be temporarily purchased and the maintenance cycle The current situation of long, leading to economic losses caused by production shutdown, the force and fatigue life of the shearers section gears are studied. By predicting the remaining life of the shearers cutting gear according to the working condition of the shearer, it is possible to carry out preventive maintenance of the shearer before it is transported underground and to purchase gears that need to be replaced in advance. The main tasks include 1 The analysis and research on the relationship between the shearer cutting force and its motion parameters and the geometric parameters of the drum pick are carried out. On this basis, the shearer traction speed, drum speed and cutting radius are analyzed. The influence of cutting force is mainly analyzed. The height and position of the gangue layer and the influence of cutting force are analyzed. A program is written using Matlab software to simulate the above analysis. 2 Based on the analysis of the cutting force of the shearer pick and its influencing factors, the SolidWorks software is used to establish a three-dimensional digital model of the 万方数据 中北大学学位论文 shaft gear of the cutting part and its meshing gear, and based on the finite element theory, use ANSYS Workbench software has carried on the simulation analysis to its force, obtained the gear stress situation in the working process. 3 On the basis of studying the theory of fatigue cumulative damage, using the stress situation obtained by the finite element analysis , the simulation analysis of the fatigue life of the cutting part gear was carried out in the nCode Design Life software, and the gears Fatigue life. The focus is on the life of the shearer when cutting the gangue coal of different properties and positions, and the average life value of the coal is obtained. KeywordsCutting gear, cutting force analysis,transient dynamics, fatigue life 万方数据 中北大学学位论文 I 目目录录 1.1. 绪论绪论 1.1 课题的背景课题的背景.................................................................................................................. 1 1.2 课题研究目的课题研究目的及及意义意义.................................................................................................. 2 1.3 国内外研究研究现状国内外研究研究现状.................................................................................................. 3 1.3.1 煤矿设备监控煤矿设备监控研究现状研究现状...................................................................................3 1.3.2 齿轮故障诊断齿轮故障诊断研究现状研究现状..................................................................................4 1.3.3 齿轮动力学分析齿轮动力学分析研究现状研究现状..............................................................................6 1.3.4 齿轮寿命分析齿轮寿命分析研究现状研究现状..................................................................................7 1.4 主要研究内容主要研究内容............................................................................................................ 10 2. 截割部截齿受力分析截割部截齿受力分析 2.1 采煤机结构采煤机结构................................................................................................................ 12 2.2 截割阻力计算截割阻力计算............................................................................................................ 13 2.2.1 截割煤岩过程截割煤岩过程................................................................................................ 13 2.2.2 截割时的受力计算截割时的受力计算........................................................................................15 2.3 仿真分析仿真分析.................................................................................................................... 15 2.3.1 截割半径变化对截割力的影响截割半径变化对截割力的影响.....................................................................16 2.3.2 牵引速度变化对截割力的影响牵引速度变化对截割力的影响.....................................................................17 2.3.3 滚筒转速变化对截割力的影响滚筒转速变化对截割力的影响.....................................................................18 2.4 夹矸煤层对截割力的影响夹矸煤层对截割力的影响........................................................................................ 18 2.4.1 煤层性质对截割力的影响煤层性质对截割力的影响.............................................................................20 2.4.2 夹矸位置对截割力的影响夹矸位置对截割力的影响.............................................................................20 2.4.3 夹矸高度对截割力的影响夹矸高度对截割力的影响.............................................................................23 2.5 本章小结本章小结................................................................................................................... 24 3. 截割部齿轮受力分析截割部齿轮受力分析 3.1 采煤机截割部传动系统采煤机截割部传动系统............................................................................................ 25 万方数据 中北大学学位论文 II 3.2 有限元基本理论有限元基本理论........................................................................................................ 26 3.3 求解接触问题的有限元方法求解接触问题的有限元方法.................................................................................... 27 3.3.1 直接迭代法直接迭代法..................................................................................................... 27 3.3.2 接触约束算法接触约束算法................................................................................................. 28 3.3.3 数学规划法数学规划法..................................................................................................... 30 3.4 ANSYS Workbench 接触方式及类型接触方式及类型.........................................................................30 3.5 采煤机截割部高速端齿轮瞬态动力学仿真采煤机截割部高速端齿轮瞬态动力学仿真............................................................31 3.5.1 采煤机截割部高速端齿轮三维建模采煤机截割部高速端齿轮三维建模.............................................................32 3.5.2 导入截割部高速端齿轮三维模型导入截割部高速端齿轮三维模型.................................................................34 3.5.3 添加添加 18Cr2Ni4WA 材料属性材料属性........................................................................34 3.5.4 设置接触对设置接触对..................................................................................................... 36 3.5.5 网格划分网格划分......................................................................................................... 37 3.5.6 添加载荷及求解设置添加载荷及求解设置.....................................................................................39 3.5.7 结果分析结果分析......................................................................................................... 40 3.6 本章小结本章小结.................................................................................................................... 42 4. 采煤机截割部齿轮的疲劳寿命研究采煤机截割部齿轮的疲劳寿命研究 4.1 疲劳损伤理论疲劳损伤理论............................................................................................................ 43 4.1.1 名义应力法名义应力法..................................................................................................... 43 4.1.2 应变寿命法应变寿命法..................................................................................................... 44 4.1.3 应力场强法应力场强法..................................................................................................... 44 4.2 疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论.................................................................................................... 45 4.2.1 线性损伤准则线性损伤准则................................................................................................. 45 4.2.2 双线性损伤累积理论双线性损伤累积理论.....................................................................................46 4.2.3 非线性损伤累积理论非线性损伤累积理论.....................................................................................46 4.2.4 概率疲劳损伤累积理论概率疲劳损伤累积理论.................................................................................47 4.3 基于基于 nCode Design Life 分析截割部齿轮的疲劳寿命分析截割部齿轮的疲劳寿命.............................................48 4.3.1nCode Design Life 软件简介软件简介............................................................................48 4.3.2 疲劳分析使用算法及曲线修正方法疲劳分析使用算法及曲线修正方法.............................................................49 万方数据 中北大学学位论文 III 4.3.3 截割部高速端齿轮的疲劳寿命仿真截割部高速端齿轮的疲劳寿命仿真.............................................................51 4.4 本章小结本章小结.................................................................................................................... 57 5. 总结与展望总结与展望 参考文献参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果 致谢致谢 万方数据 中北大学学位论文 1 1. 绪论绪论 1.1 课题的背景课题的背景 随着我国经济和社会的快速发展以及工业化的进程， 对能源的需求处于日益增长的 阶段，如图 1-1 所示，我国的能源总量已从 2010 年的 36.1 亿吨标准煤增加到 2019 年 的 48.6 亿吨标准煤。总体而言，过去十年中，我国的能源总消耗量持续增长。2019 年， 比 2010 年增加 12.5 亿吨标准煤。 图 1-1 2010～2019 年能源消费的总量和增速 Figure 1-1 Total energy consumption and growth rate from 2010 to 2019 中国是一个煤多油少的国家，中国的煤炭储存量占世界的煤炭储存量的 33.8。我 国的能源结构金字塔，煤炭长期占据主导性地位，清洁能源消费的比重在一直增加，发 展潜力巨大，我国能源供给侧结构的清洁化进程将一直加速。原煤生产占比在近十年的 能源占比来看略微下降趋势，但我国原煤的能源结构占比仍然稳定保持在 60以上的高 占有率，具有非常重要的且不可替代的作用。 煤炭在能源结构中的比重和需求促进了我国煤炭开采业的快速发展。 随着我国对安 万方数据 中北大学学位论文 2 全生产的要求以及科学技术的飞速发展，现代煤矿开采方法已经发生了巨大的变化，从 以前的传统手工开采方法变为机械化开采方法。煤矿使用高科技的综合机械化采矿设 备，它已被广泛使用，极大地提高了开采效率，节省了企业成本。 采煤机是综合矿山设备的核心设备之一，主要包括截割部，牵引部，电控箱和行走 部。在长壁采煤工作面，其主要的工作是利用截割滚筒把煤从煤壁上截割下来，然后装 进去输送机，这个过程中，采煤机按可设置的速度进行移动，这样就可以连续工作 [1,2]。 采煤机通过外力把煤从煤壁中截割出来。在此过程中，每个机械零件将承受非常大 的负载。 特别是在切割部分， 设备很容易发生故障。 故障将导致整个煤矿开采工作中断。 如果无法快速修复采煤机出现的故障，煤矿将面临停机停产造成巨大的经济损失。随着 计算机，自动控制，通信，传感等技术的飞速发展，当前的采煤机普遍配备有设备状态 监测装置，以对设备的状态进行实时监测。同时，还配备了经验丰富的技术人员。可以 快速定位设备的故障类型和位置。但是，在维修故障时尤其是在更换机械零件时面临困 难，导致设备故障无法在短时间内修复。主要原因是采煤机的机械零件比较大，很难从 井中运输到地下。更重要的原因是损坏的零件没有库存，需要暂时购买。零件的采购涉 及周期问题。包括购买时间，或者由于生产公司没有库存，因此需要临时制造，并且制 造周期非常长。因此，如何保证设备在损坏时有足够的备件，避免在地下进行设备维修 已成为煤矿企业面临的难题。 1.2 课题研究目的课题研究目的及及意义意义 煤炭生产企业为了提高资金使用效率， 一般不愿意购买过多的零部件备用件。 同时， 采煤机上的零部件种类太多，想要都有库存显然也是办不到的，特别是价格比较昂贵的 机械部件。另一方面，也不希望在井下设备有故障时才对设备进行维修，因为将大型的 零部件运送到井下也是一项非常艰巨和困难的工作， 这就需要提前能够对设备中各零部 件的状态进行判断， 在设备运送到井下之前对可能会出现问题的零部件进行提前的更换 或维修。 采煤机上的截割部分直接对煤壁进行切割，在工作时承受了主要的负载，是最容易 出现故障的部分。截割部的核心是齿轮传动部分，该部分的齿轮在工作过程中传递了切 割所需要的力矩，承受着切割过程中冲击和振动等，经常会出现断齿、点蚀、擦伤和裂 万方数据 中北大学学位论文 3 纹等故障，影响其使用寿命，发展到一定程度甚至会导致齿轮的整体损伤，采煤机无法 工作，带来停产损失。 本文针对上述一方面企业在实际中无法做到备件库存充足， 并希望在采煤机投入到 工作面前就能进行事前维修的要求， 研究对采煤机最容易损坏的截割部齿轮部件的寿命 预测方法， 对齿轮的使用寿命进行理论上的预测， 在齿轮出现故障前对零部件进行采购， 或者在井上提前进行维修更换，避免占用企业库存和井下维修，把事后维修变为预防性 维修，即能够降低企业由于库存占用带来的经营成本，又能够避免由于零部件损伤停产 带来的经济损失，既具有较大的理论价值也最有实际意义。 1.3 国内外研究研究现状国内外研究研究现状 对包括采煤机在内的综采设备的状态进行监测，获取各零部件的状态，以及对零部 件尤其是齿轮的状态和故障进行动力学分析、诊断及对其进行寿命分析，国内外研究者 做了大量的研究工作，取得了非常大的进展；在工程实践中，这些技术也得到了非常广 泛的应用，本节主要以这些研究进行综述。 1.3.1 煤矿设备监控煤矿设备监控研究现状研究现状 张文栋、薛晨阳总结了煤矿机械常见的故障及其成因、发生的特点，分析了其诊断 方法，在线和离线维护的时间和可能性。在构建诊断网络时，他们基于微型计算机，研 究了当前的技术问题以及未来技术的发展趋势，网络通信技术的引入，无线网络技术的 使用及研究了其可行性和供电方法。 微能源技术和 zigbee 无线网络的分组无线技术来监 测采矿设备的工作状态， 是煤矿机械状态监测过程中的监测方法和通信网络的构建方法 的良好解决方案，可以实现无人值守煤矿设备监控及监控数据的实时传输 [3]。 翟建强根据实际工作和经验，完成了采煤机监控系统的功能设计。设计的系统可以 从各种参数（例如温度，振动和噪声）中分析并提取常见的采煤机断层的特征参数。在 这些参数中，根据相关理论和经验对故障的位置和类型进行分析和确定；同时，还设计 了良好的人机交互环境来显示采煤机的相关参数， 以便操作员一目了然地了解采煤机的 工作状态 [4]。 万方数据 中北大学学位论文 4 刘栓俊等人已经认识到采煤机在工作过程中的要求和系统可能能够监控的参数， 并 结合现有的实现的功能，在结构和运行过程中发现了故障的难点。安装状态监测系统和 煤矿开采根据机器各部分的寿命管理要求，根据煤矿的现有环境和设施，监测系统通讯 网络的建设已经完成，并且监控平台已经开发出来，使用相关软件为采矿提供了良好的 监控交互环境，为煤矿机械状态监测提供了实践指导和理论帮助 [5]。 徐志鹏等从控制理论和方法入手，解决了采煤机中采煤机的切割要求，并结合理论 研究和实际工作经验， 对采煤机的自适应采煤方法进行了探讨。 将其视为约束控制问题， 以负荷为目标，通过适当调整和优化牵引速度，并考虑摇臂高度的主要因素，可以使用 主采煤机进行自动切割。该方法被引入到电动牵引采煤机的控制中，解决了采煤机自适 应切割的问题 [6]。 杨健健从物理信息系统的角度出发，建立了煤岩界面硬度的数学模型，当采煤机在 实际工况切割过程中， 要根据电机参数和其他参数， 如采煤机的姿态， 缸体载荷和振动， 滚筒的振动等， 建立采煤工作面边界的隶属函数， 并通过滚筒实现对煤岩的仿形切割[7]。 黄四平从采煤机状态监测中使用的硬件和故障特征识别方法研究了薄煤层开采设 备通用旋转系统的状态。采煤机上常见的轴承，齿轮和转子用于建立故障模拟平台，当 进行故障诊断时，使用人工智能方法，使用 RBF 神经网络进行故障识别，使用从作为神 经网络训练的振动信号中提取的特征的参数，和测试样品用于网络训练和测试 [8]。 除了上述对煤矿机械状态的理论监控之外，在实践中，传统的煤炭行业还与人工智 能，互联网和大数据进行了深度整合。贵州发耳煤矿等智能化综采工作面的开发，设计 和使用，采用基于可视化的远程干预式智能无人化综采工艺路线，基于网络通讯，采用 采煤机记忆切割，液压支撑自动跟踪，远程集中控制和可视化远程监控为手段，以自动 化和控制系统为核心，实现了智能化运营和地面远程采煤的目标。智能工作面已经运行 了两个多月，并且已经显示出升级和缩小规模的结果日产量增加了 900 吨，效率提高 了 47％；煤矿每年减少员工人数 89 人，每年节省人工成本 820 万元，提高了工作效率。 该项目的预期目标大大提高了安全系数。 1.3.2 齿轮故障诊断齿轮故障诊断研究现状研究现状 都玉辉等人研究了采煤机减速器的故障诊断， 尤其是对于润滑不良和齿轮局部磨损 万方数据 中北大学学位论文 5 的故障诊断。使用偏最小二乘回归法来判断减速器的故障。具体方法是提取润滑油中的 铁含量以及油的粘度， PH 值和水含量进行检测和分析， 并使用主成分分析和其他数据处 理方法来处理和建立模型。这些指标在实际操作条件下进行了测试，表明了该方法