滚筒式采煤机截割部动力学及扭矩轴动力学性能研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 滚筒式采煤机截割部动力学性能及扭矩轴动力学性能研究 摘 要 滚筒式采煤机在截割煤岩体时，滚筒的受力情况是复杂多变的，从而 致使采煤机截割部传动系统承受冲击载荷作用，导致截割部在工作过程中 关键零部件极易发生故障。所以本文以某型号滚筒式采煤机为研究对象， 对冲击载荷下滚筒式采煤机截割部传动系统动力学性能以及截割部扭矩轴 动力学性能进行研究。 首先，为了对冲击载荷下滚筒式采煤机截割部传动系统动力学性能进 行研究，本文充分考虑了截割电机的固有机械特性对采煤机滚筒受力特性 的影响，利用 SIMULINK 建立采煤机截割电机模型；通过 ADAMS 建立采 煤机截割部虚拟样机模型；使用截割电机模型对采煤机截割部进行驱动， 同时将电机所受力矩反馈到电机模型中，建立了基于 MATLAB/SIMULINK 和 ADAMS 的采煤机截割部机电耦合模型。 其次，本文采用有限元软件对采煤机滚筒截割煤岩体的过程进行模拟 仿真，得到了在截煤过程中采煤机滚筒的受力情况。将通过截割仿真得到 的载荷添加在采煤机滚筒上，进行了多次采煤机截割部机电联合仿真，得 到了最终滚筒负载曲线以及截割电机负载转矩和输出转速的曲线，为研究 截割部动力学规律以及截割电机的过载保护提供了数据支持。 再者，为了保护采煤机截割部中的重要部件，有必要对采煤机截割部 扭矩轴进行优化设计和动力学分析，确保扭矩轴在达到一定负载时及时断 裂。利用有限元分析软件对采煤机截割部扭矩轴进行静力分析，确定了在 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 额定载荷下扭矩轴恰好能扭断的结构和参数；基于刚柔耦合多体动力学理 论，利用有限元分析软件建立了扭矩轴的模态中性文件，在 ADAMS 中对 采煤机截割部进行刚柔耦合动力学仿真，得到了不同结构和参数的扭矩轴 对截割部传动系统其他零件以及截割电机的动力响应影响。 最后，利用有限元分析软件对采煤机截割部扭矩轴进行模态分析，得 到其各阶固有频率和振型，为扭矩轴的优化设计提供参考。 关键词采煤机截割部，虚拟样机，机电耦合，刚柔耦合，模态分析 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON DYNAMICS PERANCE OF CUTTING PART OF DRUM SHEARER AND TORQUE SHAFT ABSTRACT When the drum shearer cuts coal and rock mass, the force on the drum is complex and changeable. Consequently, the transmission system of shearers cutting section bears impact load, which leads to the failure of key parts in the working process of the cutting section. So this paper takes MG1000/2500-WD drum shearer as the research object， the dynamic perance of the cutting part transmission system and the torque shaft of the cutting part of the drum shearer under impact load were studied. Firstly, in order to study the dynamic perance of the cutting part drive system of the drum shearer under impact load, the influence of the inherent mechanical characteristics of the cutting motor on the mechanical characteristics of the shearer drum is fully considered . Using SIMULINK to establish cutting motor model of Shearer, the virtual prototype model of cutting section of shearer is established by ADAMS, The motor model is used to drive the shearer cutting section, and the moment of the motor is fed back to the motor model.,the electromechanical coupling model of cutting part of Shearer Based on MATLAB/SIMULINK and ADAMS is establishedand simulated jointly. Secondly, finite element software is used to simulate the process of shearer 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV drum cutting coal and rock mass, and the stress of shearer drum in the process of cutting coal is obtained. The load obtained by cutting simulation will be added to the shearer drum, and the mechanical-electrical joint simulation of the shearer cutting section is carried out for many times. The load curve of the final drum and the load torque and output speed curve of the cutting motor are obtained, which provides data support for the study of the dynamic law of the cutting section and the overload protection of the cutting motor. Furthermore, in order to protect the important parts of the shearer cutting section, it is necessary to optimize the design and dynamic analysis of the shearer cutting section torque axis, to ensure that the torque axis breaks in time when it reaches a certain load. The static analysis of the shearers cutting parts torque shaft is carried out by using the finite element analysis software, and the structure and parameters of the torque shaft which can just break under the rated load are determined. Based on the rigid-flexible coupling multi-body dynamics theory, the modal neutral file of the torque shaft is established by finite element analysis software. The rigid-flexible coupling dynamics simulation of the shearer cutting part is carried out in ADAMS, and the influence of the torsion shaft with different structure and parameters on the dynamic response of other parts of the cutting part transmission system and the cutting motor is obtained. Finally, The modal analysis of the shearer cutting parts torsion shaft is carried out by using finite element analysis software, and the natural frequencies and vibration modes of each order are obtained, which can provide reference for 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V the optimal design of the torsion shaft. KEY WORDSShearer cutting section, virtual prototype, electromechanical coupling , rigid-flexible coupling, modal analysis 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目 录 第一章 绪论.. ........................................................................................................................... 1 1.1 课题研究目的和意义 .................................................................................................. 1 1.2 国内外研究动态 .......................................................................................................... 2 1.2.1 采煤机截割部动力学研究动态 ....................................................................... 2 1.2.2 采煤机截割部机电耦合动力学研究动态 ....................................................... 4 1.2.3 扭矩轴动力学研究动态 ................................................................................... 5 1.3 主要研究内容 .............................................................................................................. 6 第二章 采煤机截割部机电耦合动力学建模 ......................................................................... 9 2.1 引言 ............................................................................................................................. 9 2.2 采煤机截割部虚拟样机建模 ...................................................................................... 9 2.2.1ADAMS 软件功能介绍 ..................................................................................... 9 2.2.2 截割部的结构简介 ......................................................................................... 10 2.2.3 虚拟样机模型的建立 ..................................................................................... 11 2.2.4 齿轮接触力参数的计算 ................................................................................. 12 2.3 截割电机模型 ............................................................................................................ 13 2.3.1 截割电机的数学模型 ..................................................................................... 13 2.3.2 基于 MATLAB/SIMUNLINK 的截割电机建模 ........................................... 15 2.4 截割部机电联合仿真模型 ........................................................................................ 17 2.4.1 采煤机传动系统数学模型 ............................................................................. 17 2.4.2 截割部机电联合仿真建模 ............................................................................. 18 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 20 第三章 采煤机截割部机电耦合动力学仿真 ....................................................................... 21 3.1 引言 ............................................................................................................................ 21 3.2 滚筒截割煤岩模拟 .................................................................................................... 21 3.2.1 滚筒截割煤岩有限元模型的建立 ................................................................. 21 3.2.2 仿真结果及分析 ............................................................................................. 22 3.3 采煤机截割部机电联合仿真 .................................................................................... 24 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.3.1 机电联合仿真方法 .......................................................................................... 24 3.3.2 机电联合仿真迭代 .......................................................................................... 26 3.4 仿真结果分析 ............................................................................................................. 29 3.5 本章小结 ..................................................................................................................... 31 第四章 扭矩轴破断条件研究 ................................................................................................ 33 4.1 引言 ............................................................................................................................. 33 4.2 扭矩轴的缺口效应 ..................................................................................................... 33 4.2.1 应力集中介绍 .................................................................................................. 33 4.2.2 理论应力集中系数 .......................................................................................... 33 4.2.3 扭矩轴缺口效应的研究 .................................................................................. 35 4.3 扭矩轴静学分析 ......................................................................................................... 36 4.3.1 有限元模型的建立 .......................................................................................... 36 4.3.2 静力分析结果 .................................................................................................. 38 4.4 额定载荷下扭矩轴破断条件研究 ............................................................................. 38 4.4.1 二倍额定载荷下扭矩轴破断条件研究 .......................................................... 39 4.4.2 五倍额定载荷下扭矩轴破断条件研究 .......................................................... 41 4.5 本章小结 ..................................................................................................................... 43 第五章 截割部刚柔耦合动力学相关理论 ............................................................................ 45 5.1 引言 ............................................................................................................................. 45 5.2 多体动力学理论 ......................................................................................................... 45 5.2.1 多刚体系统动力学理论 .................................................................................. 45 5.2.2 刚柔耦合多体动力学理论 .............................................................................. 47 5.3 截割部刚柔耦合模型的建立 ..................................................................................... 50 5.3.1 扭矩轴柔性体模型建立 .................................................................................. 50 5.3.2 刚柔耦合模型的建立 ...................................................................................... 51 5.4 本章小结 ..................................................................................................................... 52 第六章 截割部刚柔耦合动力学及扭矩轴模态分析 ............................................................ 53 6.1 引言 ............................................................................................................................. 53 6.2 截割部刚柔耦合动力学仿真 ..................................................................................... 53 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 6.3 仿真结果分析 ............................................................................................................ 53 6.3.1 截割电机负载转矩分析 ................................................................................. 53 6.3.2 截割部行星齿轮啮合力分析 ......................................................................... 55 6.4 扭矩轴模态分析 ........................................................................................................ 57 6.4.1 模态分析简介 ................................................................................................. 57 6.4.2 模态分析结果 ................................................................................................. 58 6.5 本章小结 .................................................................................................................... 61 第七章 总结与展望 ............................................................................................................... 63 7.1 全文总结 ................................................................................................................... 63 7.2 结论 ........................................................................................................................... 64 7.3 课题展望 ................................................................................................................... 64 参考文献 ................................................................................................................................. 67 致谢.............. ....................................................................................................................... 71 攻读硕士学位期间发表的学术论文 ..................................................................................... 73 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究目的和意义 我国的煤炭资源储备非常丰富，且煤炭资源的分布十分广泛。近年来，我国经济发 展持续快速增长。因此，我国对于能源的需求量进一步增长。据调查资料显示[1]，煤炭 在我国一次能源的消费结构中所占比重很大，约占为 75。煤炭资源为我国提供了约为 80的民用商品能源、75的工业燃料，以及 76的发电燃料。出于生产需要对煤炭资 源需求量的增长，非常有必要提高煤矿综采设备的可靠性和煤炭资源开采的效率。 目前，国内外广泛使用的煤炭资源开采设备是滚筒式采煤机。滚筒式采煤机可以大 幅度提高采煤效率，有效的减轻采煤工作人员的劳动强度，明显的提高采煤作业的安全 性。 因此， 滚筒式采煤机作为采煤生产现代化和机械化的关键设备， 对于提高煤炭产量、 保证工作安全，以及降低人力物力消耗等方面都起着至关重要的作用。 在煤矿井下的综采工作面处的工作环境对采煤机提出了很高的要求。综合煤岩体的 物理特性和综采工作面的生产空间，在煤矿开采过程中极易发生生产事故。生产事故的 发生对于采煤工作人员的生命安全和煤矿开采的生产效率都具有极大的恶劣影响。 采煤 机在工作过程中，使用大功率的防爆电机作为其动力来源，通过截割电机带动采煤机滚 筒进行破煤、截煤和落煤工作。煤岩体的结构是比较复杂的，煤岩体中常常会有厚度不 均匀的夹矸层， 这将导致采煤机在截煤过程中不可避免的会出现负载较大的情况。 因此， 需要对采煤机工作部件进行过载保护，尤其是截割部的截割电机。若不进行保护，发生 过载情况时，将会损坏采煤机的齿轮传动系统，甚至烧毁电机，从而导致整个采煤工作 过程发生中断，对生产效率生产影响。 滚筒式采煤机主要主要由截割部、牵引部、截割电机、驱动电机、破碎机构以及电 气设备等部件组成。其中，截割部是滚筒式采煤机生产工作的主要机构。采煤机的截割 部分别位移采煤机机体两侧，截割部由滚筒、齿轮传动系统以及大功率截割电机组成。 滚筒是截割部的主要部件，它承担着截煤、落煤和装煤的工作。齿轮传动系统起着支撑 滚筒、传递动力和完成减速的工作。截割电机则为整个截割部提供动力。 国内外现有的采煤机截割部均采用扭矩轴传动起过载保护的作用。扭矩轴一端花键 与截割电机输出轴连接，另一端花键与截割部齿轮传动系统一级齿轮轴连接。扭矩轴作 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 为采煤设备中一种电机和传动部件的过载保护装置，不仅可以平稳的传递扭矩，而且还 能起到一定的缓冲减震作用，最重要的是能够在截割电机承受过大载荷时，从扭矩轴卸 荷槽处及时断裂从而起到截割电机的过载保护保护作用。 在滚筒式采煤机工作过程中，扭矩轴的扭断值设置的是否合理，将会直接影响到截 割部各个零件的使用寿命。若扭矩轴的扭断值设置过小，则扭矩轴会频繁的发生断裂， 使得井下更换频率过高，使得在维修成本增加的同时，还会影响生产效率；但若扭矩轴 的扭断值设置过小，则会导致截割部传动系统中零部件的损坏，甚至烧毁截割电机。因 此研究扭矩轴在冲击载荷下对截割部传动系统动力响应影响的规律，以及进一步的明确 其的冲击破断条件，对于采煤机截割部扭矩轴的设计，采煤机工作安全可靠性的提升， 以及节省企业开采费等方面都具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究动态 1.2.1 采煤机截割部动力学研究动态 2005 年， 廉自生和刘凯安等人以刚柔耦合动力学运动方程为基础， 对采煤机截割部 进行了刚柔耦合动力学建模，并通过 ADAMS 软件对其进行了动力学仿真。分析结果表 明 采煤机摇臂与采煤机机体铰接接头的阶跃响应最大超调量为 83％， 该分析结果与刚 体动力学模型分析结果相比，更加接近于实际工作清况[2]。 2008 年，基于 ADAMS 和 ANSYS 互通接口技术，赵丽娟等人在 ADAMS 中获得了 截割部摇臂壳体的载荷，然后在 ANSYS 中进行了摇臂壳体的瞬态动力学分析。分析结 果表明采煤机截割部的摇臂壳体存在有缺陷，并且依据分析结果对摇臂壳体进行了优化 设计。该研究为采煤机截割部的设计提供了理论参考[3]。Lass ad Walha、Tahar Fakhfakh 和 Mohamed Haddar 对两级齿轮传动进行了动力学分析。分析结果表明周期性变化的 齿轮接触刚度和齿轮间隙会造成接触力的损失，该结论为齿轮接触动力学的研究提供了 参考[4]。 2009 年， 谢波、 赵丽娟等人以可以开采硫化亚铁结核的采煤机摇臂壳体为研究对象， 将MATLAB产生的瞬时载荷添加到采煤机截割部刚柔耦合动力学模型中。 利用ANSYS 和 ADAMS 的互通接口技术，实现了采煤机截割部的刚柔耦合动力学仿真，并摇臂壳体 进行了瞬态动力学分析和疲劳分析[5]。 2012 年， 张克斌等人为了分析采煤机截割部传动系统中的齿轮啮合力， 对该系统进 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 行了动力学建模。 从仿真结果得知，系统中齿轮啮合力并不是恒定的，而是存在波动 并且齿轮在啮合瞬间有冲击现象。该结论为采煤机切割部件传动系统的设计提供了理论 参考[6]。 2013 年，孟凡林等人利用 MATLAB 模拟得到滚筒截割煤岩载荷，对采煤机截割部 齿轮传动系统进行了受力分析，并对截割部传动中关键零件进行了有限元分析，结合分 析结果进一步对截割部行星齿轮中行星架和太阳轮进行了疲劳分析。结果显示截割部 个零部件满足使用需求[7]。 2013 年，马联伟等人针对薄煤层采煤机截割部进行了刚柔耦合动力学建模。 通过 对采煤机进行动态分析，在截割全煤，挑顶以及截割夹杂物的条件下，校验了截割部中 的行星架和牵引部中的行星轴等关键部件的强度和刚度，提出了相应的优化方案。 此 外，借助疲劳分析确定了采煤机关键零部件的的疲劳寿命，对采煤机设计与分析有一定 的参考价值[8]。 2013 年， 赵丽娟， 马联伟等人基于刚柔耦合动力学理论分析了采煤机截割部的振动 性能，发现了容易被外