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全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 采煤机截割部振动特性研究 Research on the Vibration Characteristics of the Shearing Section of the Shearer 作者姓名 孙国强 导师姓名 赵丽娟 教授 学科专业 机械工程 研究方向 机械设计及理论 完成日期 2020 年 8 月 11 日 辽宁工程技术大学 Liaoning Technical University 万方数据 采 煤 机 截 割 部 振 动 特 性 研 究 孙 国 强 辽 宁 工 程 技 术 大 学 万方数据 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 有关保留、使 用学位论文的规定，同意 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅， 学校可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手 段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议。 学位论文作者签名____________ 导师签名_____________ 年 月 日 年 月 日 万方数据 20208 13 中图分类号 TD421 学校代码 10147 UDC 621 密 级 公 开 辽宁工程技术大学 全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 采煤机截割部振动特性研究 Research on the Vibration Characteristics of the Shearing Section of the Shearer 作者姓名 孙国强 学 号 471720048 导师姓名 赵丽娟（教授） 副导师姓名 申请学位 工学硕士 培养单位 机械工程学院 学科专业 机械工程 研究方向 机械设计及理论 二○二零年八月 万方数据 致致 谢谢 时光荏苒，岁月如梭。在这宝贵的三年研究生学习生涯中，在我敬爱的赵丽娟教授培 养下，使得我的学术水平有了快速的提高。当初无论是从我的学位论文选题方案，到撰写 论文的过程中，赵老师都给了我极大的帮助。赵老师优秀的做人品质、严谨治学的工作态 度都潜移默化地在我心中树立起典范形象，这也是我未来的人生中最宝贵的精神财富。在 此，向我的赵老师致以崇高的敬意。 其次，我要向我实验室的师兄、师姐、师弟、师妹们表示感谢，正是在日常学习生活 中，彼此之间的相互交流、学习，才能使得我的学业进展顺利。这里要特别感谢刘宏梅博 士、李明昊博士、金鑫博士、王雅东博士、陈洋硕士、张海宁硕士、张波硕士、崔旭东硕 士在撰写论文过程中提供的帮助。 同时， 在我人生漫长的学习生涯中， 正是家人的无私奉献， 才使我完成我的学业生涯； 正是家人的陪伴，我才拥有了无限动力，保证全身心投入到学习研究中。 最后向引用文献中各位作者提供的理论和方法表示感谢。 万方数据 I 摘摘 要要 在含夹矸煤岩条件下工作的薄煤层采煤机，会与夹矸煤岩发生强烈的力学耦合作用， 所受载荷具有时变性、冲击性和非线性等特点，剧烈的冲击载荷容易引起采煤机截割部的 强烈振动，影响采煤机工作的可靠性。 以 MG2 55/250-BW 型薄煤层采煤机截割部为工程对象，在 Pro/E 软件中建立其三维 实体模型并导入到动力学仿真软件 ADAMS 中施加约束、驱动等；以兖矿集团 17 层煤为 原型， 在 EDEM 中建立含夹矸煤岩空间， 将 ADAMS 中采煤机螺旋滚筒导入到离散元软件 EDEM 中，实现其与含夹矸煤岩的空间耦合；基于 EDEM-ADAMS 双向耦合原理，利用 EAlink 接口搭建螺旋滚筒截割含夹矸煤岩双向耦合模型的连接，通过改变采煤机牵引速度、 螺旋滚筒转速、截深参数研究采煤机螺旋滚筒截割含夹矸煤岩过程中的载荷波动状况。结 果表明螺旋滚筒所受合力均值随采煤机牵引速度的增大而增大，随滚筒转速的增大而降 低，随滚筒截深的增大而增大；螺旋滚筒所受截割阻力大于其所受牵引阻力，螺旋滚筒所 受侧向力最小； 当采煤机牵引速度为 5m/min， 滚筒转速为 95r/min， 滚筒截深为 540mm 时， 所受载荷波动最小，载荷波动系数为 0.3008，此工况下采煤机工作最平稳；当采煤机牵引 速度为 7m/min，滚筒转速为 85r/min，滚筒截深为 540mm 时，所受载荷波动最大，载荷波 动系数为 0.3408，以此工况作为采煤机截割部振动特性研究的原始工况。 基于双向耦合仿真结果，利用 ADAMS/Vibration 模块对采煤机截割部进行受迫振动分 析。结果表明当频率为 70.09Hz 时，采煤机滚筒质心在截割阻力方向的振动加速度达到 峰值，为 614.306 mm/s2；当频率为 137.29Hz 时，摇臂壳体质心位移频率响应值达到最大 值为 21.1dB；摇臂壳体质心在截割阻力方向的振动加速度大于牵引阻力方向和侧向力方向 的振动加速度；截割部系统处于第 17 阶模态时，系统模态频率为 71.5Hz，此阶模态下， 摇臂壳体伸出端具有较大扭转变形，分析其原因是伸出端连接工作机构螺旋滚筒时受载较 大导致；采煤机截割部系统各阶模态频率均远离激振频率，不会发生共振情况。 该论文有图 50 幅，表 11 个，参考文献 79 篇。 关键词关键词采煤机截割部；离散元;动力学；双向耦合；振动 万方数据 II Abstract The thin coal seam shearer working under the condition of containing gangue coal rock will have a strong mechanical transation with the gangue coal rock, and the offset it suffers has the characteristics of time-varying, impact and non-linearity, resulting in impact .It is easy to cause strong vibration of the shearing part of the shearer and affect the reliability of the shearers work. Taking the cutting part of MG2 55/250-BW thin seam shearer as the engineering object,its three-dimensional solid model is established through Pro/E software and imported into the dynamic simulation software ADAMS to apply constraints, driving, etc.; The 17-story coal of the Group was used as a prototype, and the coal wall space with gangue was established in EDEM. The shearer screw drum of ADAMS was imported into the discrete element software EDEM to complete the spatial coupling with the coal wall with gangue; Based on EDEM-ADAMS Two- way coupling principle, using the EAlink software to build the connection of the two-way coupling model of the spiral drum cutting coal wall with gangue, by changing the shearer traction speed, spiral drum speed, cutting depth parameters to study the shearer helical drum cutting with gangue coal Load fluctuations during the rock process. The results show that the average value of the combined force of the spiral drum increases with the increase of the shearer traction speed, decreases with the increase of the drum speed, and increases with the increase of the drum depth; The cutting resistance of the spiral drum is greater than its the traction resistance suffered by the screw drum is the smallest lateral force; When the shearing speed of the shearer is 5m/min, the drum speed is 95r/min, and the drum depth is 540mm, the load fluctuation is the smallest, and the load fluctuation coefficient is 0.3008 , Under this condition, the shearer works most smoothly; when the shearing speed of the shearer is 7m/min, the drum speed is 85r/min, and the drum depth is 540mm, the load fluctuation is the largest, and the load fluctuation coefficient is 0.3408. This working condition is used as the original working condition for studying the vibration characteristics of the shearing section of the shearer. Based on the results of bidirectional coupling simulation, the forced vibration of shearer cutting part is analyzed by using ADAMS / vibration module. The results show that when the frequency is 70.09hz, the vibration acceleration of shearer drum mass center in cutting resistance direction reaches the peak value, which is 614.306 mm/s2 ;When the frequency is 137.29hz, the displacement frequency response value of the body center of the rocker arm shell reaches the maximum value of 21.1dB; The vibration acceleration of the body center of the rocker arm shell in the cutting resistance direction is greater than that in the traction resistance direction and the 万方数据 III lateral force direction; When the cutting part system is in the 17th order mode, the system modal frequency is 71.5hz, under this mode, the extension end of the rocker arm shell has large torsion ;The deation is caused by the large load when the extended end is connected with the spiral drum of working mechanism; The modal frequencies of the shearer cutting part system are far away from the excitation frequency, and resonance will not occur. The paper has 50 pictures, 11 tables and 79 references. Keywords shearer cutting section; discrete element; dynamics; two-way coupling; vibration 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 I I 目目 录录 IVIV 图清单图清单 V VIIIIII 表清单表清单 XIXI 变量注释表变量注释表 XIIXII 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 论文来源及选题的背景 1 1.2 采煤机振动特性国内外研究现状 1 1.3 EDEM-ADAMS 双向耦合技术国内外研究现状 3 1.4 采煤机截割含夹矸煤岩国内外研究现状 4 1.5 本文研究的意义及主要内容 5 2 2 相关基础理论相关基础理论 7 7 2.1 EDEM-ADAMS 双向耦合原理 7 2.2 采煤机振动与多体动力学基础理论 8 2.3 离散元基础理论 10 2.4 本章小结 11 3 3 螺旋滚筒截割含夹矸煤岩耦合模型构建螺旋滚筒截割含夹矸煤岩耦合模型构建 1212 3.1 基于 Pro/E 的采煤机截割部三维模型的构建 12 3.2 薄煤层采煤机截割部动力学模型的构建 13 3.3 含夹矸煤岩与螺旋滚筒空间耦合模型的构建 15 3.4 本章小结 21 4 4 双向耦合仿真及结果分析双向耦合仿真及结果分析 2222 4.1 双向耦合仿真参数的设置 22 4.2 仿真工况设定及其结果验证分析 23 4.3 运动学参数对截割含夹矸煤岩采煤机受载影响分析 25 4.4 本章小结 39 5 5 采煤机截割部振动特性分析采煤机截割部振动特性分析 4141 万方数据 V 5.1 薄煤层采煤机截割部刚柔耦合模型构建 41 5.2 截割部振动测试的添加 42 5.3 基于双向耦合的采煤机截割部振动特性分析 45 5.4 双向耦合与传统振动分析方法比较 53 5.5 本章小结 55 6 6 结论与展望结论与展望 5656 6.1 结论 56 6.2 展望 56 参考文献参考文献 5858 作者简历作者简历 6262 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 6363 学位论文数据集学位论文数据集 6464 万方数据 VI Contents Abstract I Contents IV List of Figures VIII List of Tables XI List of Figures XI List of Variables XII 1 Introduction 1 1.1 The source of the paper and the background of the topic 1 1.2 Research status of shearer vibration characteristics at home and abroad 1 1.3 Research status of DEM-MBD two-way coupling technology at home and abroad 3 1.4 Shearer cutting coal seams with ga