（机械设计及理论专业论文）采煤机截割部双电机串联驱动系统动态特性研究.pdf

誊 一一 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g i 是 s h e a r e rc u t t i n g u n i t td w y 一n j a m i n i t c c h a r a c t e r i s t i c sd r i v e nb y m o t o r p t w o 一 io i n t h e i l 一 黑龙江科技学院学位论文独创 性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 所 保 保 部 研究生签名 珀主坦 日 期 丑鲫肌9 黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 煤炭资源是国民经济的基础能源 采煤机是其机械化开采的重要环节 当前 采煤机截割部采用双电机串联驱动具有驱动功率大 机身高度低的优 势 但比较突出的问题是其传动齿轮 轴承或电动机的损坏概率要比单电机 驱动系统大得多 故从动力学角度对采煤机截割部双电机串联驱动系统动态 特性进行研究具有很重要的现实意义 采煤机滚筒的负载特性是研究截割部双电机串联驱动系统动力学特性的 基础条件之一 本文在传统镐形截齿截割力学模型的基础上 针对多齿重复 截割 截槽非对称的实际截割条件 建立了非对称截槽的截割力学模型 同 时分析了截割深度与崩裂角的关系 提出了采煤机滚筒叶片截齿轴向倾斜布 置的理论依据和倾斜角度的取值范围 根据滚筒截割阻力的理论计算值和实 测曲线 用典型载荷来描述采煤机滚筒负载的随机性特征 为采煤机截割部 双电机串联驱动系统动力学分析奠定了基础 弹性扭矩轴作为采煤机截割部重要的过载机械保护元件 对截割部传动 系统的动力学特性有较大的影响 本文对弹性扭矩轴的设计参数进行了详细 的实例类比分析 给出了以扭转静强度设计为主 扭转疲劳强度校核为辅且 强调过载机械保护的功能设计方法 通过引入设计参变量 形成可供选择的 一系列设计方案 规范了弹性扭矩轴的设计方法 应用拉格朗日动力学方程 建立了采煤机截割部双电机串联驱动系统的 数学模型 并用p r o f e 建立实体模型进行a d a m s 动力学仿真 通过对两种 模型仿真结果的对比分析 得到了由弹性扭矩轴调节的系统等效刚度 双电 机的机械特性差异和双电动机间等效连接刚度对系统动态特性的影响 为采 煤机截割部双电机串联驱动系统的设计提供了理论设计依据 关键词 采煤机 截割部 双电机串联驱动 弹性扭矩轴 动态特性 一 p 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t c o a lr e s o u r c e sa r et h eb a s i so ft h en a t i o n a le c o n o m yo fe n e r g y a n ds h e a r e ri s a l li m p o r t a n t p a r to fi t sm e c h a n i z e dm i n i n g a tp r e s e n t s h e a r e rc u r i n gu n i td r i v e n b yt w o j o i n t m o t o ri sc a p a b l eo fd r i v i n gp o w e rl a r g e ra n db o d yh e i g h tl o w e r w h i c hp r o m i n e n tp r o b l e mi st h ed a m a g eo ft r a n s m i s s i o ng e a r s b e a r i n g so rm o t o r t h a n s i n g l e m o t o rd r i v es y s t e m t h e r e f o r e i t i s v e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et os t u d ys h e a r e rc u r i n gu n i tc h a r a c t e r i s t i c sd r i v e nb yt w o j o i n t m o t o r f r o mt h ed y n a m i cp e r s p e c t i v e t h el o a dc h a r a c t e r i s t i e so fs h e a r e rd r u mi so n eo ft h eb a s e dc o n d i t i o i l st o s t u d ys h e a r e rc u r i n gu n i tc h a r a c t e r i s t i c sd r i v e nb yt w o j o i n t m o t o r t h et h e s i s b a s e do nt h et r a d i t i o n a lc u tm e c h a n i c a lm o d e lo fp i c k s h a p e dc u r e r m a k e st h e a n a l y t i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ea c t u a lc o n d i t i o no fp l u r i d e n t a t ec u t r e p e a t e d l ya n dd i s s y m m e t r i c a ls l o r i n g a n a l y z e st h et h e o r ya n de x p e r i m e n t r e l a t i o no ft h ec u r i n gd e p t ht ob u r s t i n ga n g l e s u g g e s t st h et h e o r e t i c a lb a s i sw h y t h ec u t t i n gp i c ki n c l i n ea r r a n g e m e n ta l o n et h ea x i sa n dt h es c o p eo ft h ee l e v a t i o n a n g l e a c c o r d i n gt od r u mc u r i n gr e s i s t a n c eo ft h et h e o r e t i c a lv a l u ea n dt h e m e a s u r e dc u r v e s t h et y p i c a ll o a di sd e s c r i b e dt h er a n d o m n e s so ft h es h e a r e rd r u m l o a dc h a r a c t e r i s t i c s w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rd y n a m i ca n a l y s i st os h e a r e r c u r i n gu n i t t h ef l e x i b l et o r q u es h a f ti sai m p o r t a n tm e c h a n i c a lo v e r l o a dp r o t e c t i o np a r t o ft h es h e a r e rc u r i n gu n i t w h i c hh a sg r e a t e ri m p a c tt ot h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c o fs y s t e m t h et h e s i sc o m b i n e sw i t ht h et o r q u ea x i sd e s i g np a r a m e t e r sa n a l o g y a n a l y s i s g i v e st h ef u n c t i o nd e s i g nm e t h o dw h i c hc o n s i d e r st h es t a t i cs t r e n g t h f i r s t l ya n dt h et o r s i o n a lf a t i g u es t r e n g t hs e c o n d l ya n ds t r e s sm e c h a n i c a lo v e r l o a d p r o t e c t i o n w i t hi n t r o d u c i n gd e s i g np a r a m e t e r s i tf o r m sas e r i e so fd e s i g n a t i o n t h a tc a nb ec h o o s e g e t st h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o no ff l e x i b l et o r q u es h a f t b a s e do nt h el a g r a n g ed y n a m i ce q u a t i o n s e s t a b l i s h e st h ed y n a m i cm o d e lo f t h et w o j o i n t m o t o rm a c h i n e r ys e r i e ss y s t e m u s e sp r o et oa s s e m b l yt h es o l i d m o d e la n da d a m sd y n a m i c ss i m u l a t i o n b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft w om o d e l i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 s i m u l a t i o na n a l y s i s i t g e t st h e a f f e c to ft h es y s t e ms t i f f n e s s t h ed i f f e r e n c e s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em o t o ra n dt h ec o n n e c t i o n a ls t i f f n e s sb e t w e e n d u a l m o t o r p r o v i d e st h e o r e t i c a ld e s i g nb a s i st ot h es y s t e mo fs h e a r e rc u t t i n gu n i t d r i v e n b yt w o j o i n t m o t o r k e yw o r d s s h e a r e r c u t t i n gu n i t t w o j o i n t m o t o rm a c h i n e r ys e r i e ss y s t e m f l e x i b l et o r q u es h a f t d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 第1 章绪论 1 1 1 课题背景意义及研究目的 1 1 2 国内外研究现状 i 3 1 2 1 国内研究现状 3 1 2 2 国外研究现状 5 1 3 现阶段存在的问题 5 1 4 本课题研究内容 6 1 5 小结 7 第2 章采煤机滚筒受力计算和负载特征 8 2 1 引言 8 2 2 镐形截齿截割力学模型 8 2 2 1 镐形截齿破煤机理 9 2 2 2 非对称截槽受力分析 1 0 2 2 3 爆破合力非对称截槽受力分析 1 3 2 2 4 断裂崩裂角的理论值 1 3 2 3 镐形截齿破煤截割力 1 5 2 4 螺旋滚筒载荷 1 8 2 4 1 滚筒受力特点 1 8 2 4 2 采煤机滚筒截割负载特性 2 0 2 5 小结 2 2 第3 章弹性扭矩轴设计与截割部等效简化 2 3 3 1 引言 2 3 3 2 弹性扭矩轴作用 2 3 3 3 弹性扭矩轴结构 2 4 3 3 1 弹性扭矩轴材料 2 4 3 3 2 扭矩轴结构 2 4 3 3 3 弹性扭转刚度计算 2 4 i v r o 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 3 4 弹性扭矩轴验算 2 5 3 4 扭矩轴设计方法 2 5 3 4 1 静扭转屈服强度设计准则 2 5 3 4 2 安全倍数的确定 2 6 3 4 3 设计示例 2 7 3 5 传动系统的等效转换 2 8 3 5 1 等效转动惯量 2 9 3 5 2 等效弹性刚度 i 3 0 3 6 小结 3 1 第4 章 截割部双电机串联驱动机械传动系统空载启动特性 3 2 4 1 引言 3 2 4 2 截割部驱动电机数学模型 3 2 4 2 1 三相异步电动机机械特性曲线 3 2 4 2 2 双电机机械特性差异 3 4 4 3 截割部机械传动 3 5 4 3 1 系统力学模型 3 5 4 3 2 系统动力学方程 3 6 4 4 截割部传动系统空载启动仿真 3 7 4 4 1 弹性扭矩轴和截割部等效刚度局的影响 3 7 4 4 2 双电机机械特性存在差异的影响 3 9 4 4 3 双电机间等效连接刚度贬的影响 3 9 4 5 小结 j 4 0 第5 章a d a m s 对双电机串联驱动系统仿真 4 l 5 1 引言 4 l 5 2a d a m s 理论基础 4 2 5 2 1a d a m s 中的坐标系 4 2 5 2 2a d a m s 中刚体及其点运动的求解 4 2 5 3p r o e 三维实体建模 4 4 5 3 1p r o e 发展 4 4 v 黑龙江科技学院硕士学位论文 5 3 2p r 0 e 直齿轮设计 4 5 5 4a d a m s 仿真 4 7 5 4 1 弹性扭矩轴和截割部等效刚度墨的影响 4 8 5 4 2 双电机机械特性存在差异的影响 5 0 5 4 3 双电机间等效连接刚度鹧的影响 5 1 5 5 小结 5 5 第6 章结论与展望 5 6 6 1 论文所做的工作及取得的研究结论 5 6 6 2 尚待解决的问题 5 7 6 3 展望 j j 5 7 致谢 5 9 参考文献 6 0 作者简介 6 4 v i 黑龙江科技学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景意义及研究目的 煤炭在我国已探明的一次性能源总量中占9 6 产量近年来也大幅增长 2 0 0 0 年全国煤炭产量为9 9 9 亿吨 2 0 0 9 年达到2 9 多亿吨 以年均1 3 的增 幅保证了国民经济持续快速发展对能源的需求 预计到2 0 2 0 年 煤炭仍占能 源需求总量的6 0 以上 因而煤炭作为第一位基础能源的地位是不可动摇的 我国的薄煤层储量十分丰富 占全部可采储量2 0 以上n 1 薄煤层属难 开采煤层 由于受到工作面条件 空间狭小 地质条件变化大等因素的限制 从整体水平上远远落后于中厚及厚煤层开采水平呐1 在机采工作面中采煤机 是所有配套设备中的关键设备 要使薄煤层工作面技术经济指标接近或达到 中厚煤层工作面的水平 就要在采煤机上下大功夫 采煤机工作示意图如图1 1 所示 采煤机主要由电动机 牵引部 截割 部和附属装置部分组成 液压支架l 和顶板2 是井下采煤巷道的支撑设备 电动机3 是滚筒采煤机的动力部分 它通过截割部减速箱4 驱动两个截割部 牵引部5 是采煤机的行走机构 可使采煤机沿工作面移动 驱动电机的动力 经齿轮减速后传给摇臂6 驱动滚筒7 旋转 滚筒是采煤机落煤和装煤的工 作机构 滚筒上焊有端盘和螺旋叶片 其上装有镐形截齿 如图1 2 所示 螺旋叶片将镐形截齿割下的煤装到刮板输送机中 图l 一1 采煤机工作示意图 f i g 1 1w o r k i n gd i a g r a ms h e a r e r l 一液压支架 2 顶板 3 电动机 4 截割部减速箱 5 牵引部 6 摇臂 7 滚筒 由于薄煤层采煤机可选机型相对少 可靠性差 功率低 我国薄煤层产 量逐年减少 弃采严重 资源浪费大 从二十世纪八十年代开始 薄煤层采 煤机从无到有得到稳定发展呻1 但随着薄煤层采煤机的推广应用 适用工作 黑龙江科技学院硕士学位论文 范围扩大 也暴露了许多缺陷和不足 限制了使用效果 根据薄煤层开采的 迫切需要 开发适合国情的新一代大功率薄煤层采煤机是非常有必要的 由 于薄煤层采煤机受机面高度的制约 如何解决好装机功率 机面高度 过煤 空间三者之间的关系是研制薄煤层采煤机的关键所在 按照常规思路设计的 薄煤层采煤机普遍存在功率小 可靠性低 适应性差的不足 f i g 1 2w o r k i n gd i a g r a mo fd r u ma n dp i c k s h a p e dc u t t e r 以往的采煤机 通常采用一个电机纵向布置在机身上 同时驱动左 右 截割部 现有的采煤机大都采用多电机横向布置的方式 即左 右摇臂上各 设置一个电机 两电机分别驱动左 右截割部 上述两种驱动方式适用于中 厚或厚煤层采煤机 也适用于小功率薄煤层采煤机 对于薄煤层采煤机 由 于机面高度受限制 其截割电机功率 机面高度和过煤空间三者之间存在下 列矛盾 增大电机功率 需要增加机身厚度 在机面高度一定的条件下 必 然造成机身下过煤空间减小 影响过煤 降低采煤机生产能力 故现有的采 煤机截割电机布置方式 难以解决上述截割电机功率 机身厚度和过煤空间 三者之间的矛盾 截割部采用双电机串联驱动的采煤机 如图1 3 所示 机身布置方式同 常规骑溜槽采煤机完全一样 截割部机械传动采用双电机串联驱动方式 1 可在不增加机身高度的条件 截割功率得到成倍增加n 町 在目前电机设计制 造水平下 采用双电机串联驱动对薄煤层采煤机十分有利 在装机功率达到 7 0 0 k w 时 机面高度仅为0 8 5 m 左右 基本上可满足采高1 1 m 以上薄煤层 生产之急需 具有机面高度低 采高范围大 适应性好的优点 采煤机截割部采用双电机串联驱动布置 由于其机面高度低 截割功率 大的显著优点 在我国近几年得到了推广和应用 但双电机串联驱动与单电 机驱动有所不同 由于采煤机截割负载变化很大 且具有很强的随机性 如 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 何延长截割部各部件的使用寿命以及两电机运行的同步性和协调状况n 卜 1 是采煤机的设计者和使用者都比较关注的问题 对双电机串联驱动系统进行 动态特性的研究 能够较好的分析采煤机系统在工作状态各动态参数的变化 情况 从动力学的角度分析和解决问题 具有很重要的现实指导意义 图1 3 采煤机截割部双电机串联驱动系统 f i g 1 3s y s t e mo ft h es h e a r e rc u t t i n gu n i td r i v e nb yt h em a c h i n e r y s e r i e so f t w o j o i n t m o t o r 1 滚筒 2 行星轮系 3 传动齿轮 4 弹性扭矩轴 5 惰轮 6 电机 1 2 国内外研究现状 自上世纪五十年代第一台滚筒式采煤机在英国产生后 采煤机进入蓬勃 发展时期n 鄹 国际上比较知名的企业有德国e i c k h o f f 公司 英国l o n g a i r d o x 公司等 它们在生产大功率 适合开采厚煤层采煤机的技术上处于领先水平 近几年我国引进的采煤机设备几乎都属此种类型 薄煤层采煤机由于受到空间尺寸的限制 随着截割功率的增大对驱动电 机尺寸提出了更高的要求 但受我国电动机生产能力水平所限 同样功率的 国产电动机 尺寸与重量与国外相比要超出四分之一甚至更多 对采煤机截 割部采用双电机串联驱动布置 是采煤机结构的一次重要改进 它较成功的 解决了薄煤层采煤机空间尺寸和截割功率之间的矛盾 我国采煤机截割部采 用这种电机布置方式起步较早 当前处于较领先水平 1 2 1 国内研究现状 二十世纪我国采煤机的发展经历了五十年代引进 七十年代发展 八十 年代兴盛 九十年代进入电牵引阶段n 纠钔 1 9 9 7 年我国研制成功第一台大功 率电牵引采煤机 在国内率先实现了采煤机技术的升能换代 中国采煤机向 黑龙江科技学院硕士学位论文 高技术 高性能 高可靠性及电牵引方向发展 1 二十世纪八十年代 煤炭科学研究总院上海分院与波兰k o m a g 采 矿机械化研究中心联合研制成功m g 3 4 4 p w d 型强力爬底板采煤机 它是国 家 七五 八五 期间由中国与波兰合作研制的新一代薄煤层采煤机 该机技术性能达到当时国际同类机组的先进水平 具有机面高度低 仅为 0 6 m 装机功率大 机组运行平稳 工作可靠等优点 2 二十世纪九十年代 为了满足矿井对薄煤层开采的迫切需要 并结 合当代中厚煤层电牵引滚筒采煤机技术 煤炭科学研究总院上海分院研制了 新一代的m g 2 0 0 4 5 0 w d 型薄煤层电牵引采煤机 该采煤机采用多电机横 向布置驱动 交流变频调速无链牵引等技术 3 2 0 0 1 年刘春生教授验证了采煤机截割部传动系统中弹性扭矩轴良好 的弹性缓冲作用啪1 并给出依据材料疲劳强度的弹性扭矩轴设计方法 使其 具有过载保护功能 4 2 0 0 3 年煤炭科学研究总院上海分院又研制出适应性更好的 m g 2 x 1 0 0 4 5 6 w d 型采煤机 该采煤机采高范围1 1 m 2 5 m 采用多电机 横向布置驱动 装机功率4 5 6 k w 截割部采用双电机串联驱动方式 截割功 率可达2 0 0 k w 牵引功率2 2 5k w 调高泵站功率5 5 k w 5 2 0 0 4 年煤炭科学研究总院上海分院张世洪等获得国家实用新型专利 薄煤层采煤机双截割电机摇臂 瞄 较详细介绍了薄煤层采煤机截割部双 电机驱动系统结构 弹性扭矩轴和齿轮等传动部件布置位置 6 2 0 0 5 年邢台矿业 集团 有限责任公司机械厂研制的 m g n l 3 2 3 1 6 d w 型采煤机 截割部采用双电机串联驱动 摇臂设有齿式 离合器及细长扭矩轴连接机械保护系统 以实现离合滚筒及电机过载保护 该新型采煤机机面高度为0 8 4 8 m 过煤高度为2 2 6 m 总装机功率达3 1 6 k w 7 2 0 0 7 年 鸡西煤矿机械有限公司研制成功m g 2 6 5 3 1 2 w d m g 2 1 0 0 4 6 0 w d 和m g 2 1 5 0 7 0 0 w d 系列薄煤层截割部双电机串联驱动采 煤机口副 其中m g 2 1 5 0 7 0 0 一w d 型采煤机采高范围1 2 m 一2 0 m 机面高度 仅为0 8 5 m m 采用交流电牵引 牵引速度达到0 m m i n 9 o l m m i n 总装 机功率为7 0 0 k w 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 2 国外研究现状 1 二十世纪八十年代中期 德国e i c k h o f f 公司研制成功的e d w 3 0 0 l n 型薄煤层爬底板采煤机 采高o 9 m 1 7 m 装机功率3 3 5 k w 其中截割功 率3 0 0 k w 牵引功率2 1 7 5 k w 2 二十世纪八十年代后期 波兰k o m a g 采矿机械化研究中心与煤炭 科学研究总院上海分院联合研制成功m g 3 4 4 一p w d 型爬底板交流电牵引采 煤机 适用采高0 9 r n 1 6 m 装机功率3 4 4 k w 截割功率3 0 0 k w 牵引功 率2x2 2 k w 牵引速度0m m i n 一6 m m i n 牵引力3 5 0 2 6 2 k n 3 二十世纪九十年代中期 英国l o n g a i r d o x 公司推出的安德森薄煤 e l e c t r a 交流变频电牵引采煤机盥妇 采高l m 一1 5 m 采用多电机横向布置驱 动 截割电机悬挂在煤臂侧 总装机功率5 1 6 k w 其中每个摇臂截割功率 2 2 5 k w 牵引功率2 3 3k w 牵引速度0r n m i n 6 1 2m m i n 牵引力5 0 4 2 5 2 k n 牵引系统的变压器与变频器安置在顺槽内以便于维护 4 进入新世纪以来 德国e i c k h o f f 公司研制的s e 3 0 0 型 分矮型 基 型和高型 采煤机 采用多电机横向布置驱动 总装机功率最大可达到 1 1 3 5 k w 得到了较广泛的应用 5 2 0 0 3 年 c h a d w i c k r 先生介绍了英国几种型号采煤机心翮 其截割部 采用双电机串联驱动的电机布置形式 1 3 现阶段存在的问题 由于受到空间尺寸的客观限制 采煤机截割部双电机串联驱动系统 采 用电机一电机一机械传动一负载的结构形式 当前比较突出的问题是其传动齿 轮 轴承或电动机的损坏概率要比单电机驱动系统大得多 在截割部传动系 统中设置弹性扭矩轴起到过载保护和弹性缓冲的作用 以减小采煤机负载剧 烈变化对传动系统的冲击 但因弹性扭矩轴改变了系统的刚度 其对机械传 动系统动态特性的影响程度尚不十分清楚 双电机串联驱动系统设计中 在 选择两台串联驱动电机时 通常认为如果其机械特性不完全相同就会产生问 题 此设计理论根据和影响程度也不十分清晰 双电机联合驱动有两种方式 一是并联驱动方式 即负载分流同时传递作用到两台电机上 如图1 4 所示 二是串联驱动方式 是采煤机截割部目前采用的双电机串联驱动系统形式 如 黑龙江科技学院硕士学位论文 图1 3 所示 即负载顺序传递作用到两台电机上 其驱动电机间的连接方式 连接刚度对系统动态特性的影响程度等问题 需要进行深入研究 从传递力 的状况 双电机受力变化的同时性和双电机相互牵制等方面 很显然并联驱 动方式要好于串联驱动方式 但由于结构的限制目前采煤机均采用串联驱动 方式 针对以上问题 对双电机串联驱动系统动态特性进行研究 可为采煤 机截割部的结构设计提供理论依据 图1 4 双电机并联驱动系统 f i g 1 4d r i v e ns y s t e mo f t h em a c h i n e r yp a r a l l e lo f t w o j o i n t m o t o r 1 滚筒 2 行星轮系 3 传动齿轮 4 弹性扭矩轴 5 惰轮 6 电机 1 4 本课题研究内容 1 通过现场考察调研 查阅相关国内外采煤机文献资料 建立镐形截 齿在截槽非对称条件下的截割力学模型 研究采煤机负载特性并对其进行理 论计算 2 截割部弹性扭矩轴的作用 给出以静强度设计为主 以疲劳强度验 算为辅 且强调过载机械保护的弹性扭矩轴设计方法 3 基于动力学方程建立采煤机截割部双电机串联驱动系统的数学模 型 研究弹性扭矩轴调节的等效系统刚度 电机机械特性存在误差和双电机 之间连接刚度对系统空载启动状态的影响 4 基于p r o e 建立双电机串联驱动系统三维实体模型 应用a d a m s 进行动态仿真 与数学模型空载启动的仿真结果比较分析 并研究采煤机截 割部在空载启动 阶跃载荷和基频交变和高频交变载荷等负载条件下动态特 性的变化 为截割部双电机串联驱动系统设计提供理论设计依据 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 5 小结 本章主要介绍了采煤机国内外发展现状 截割部双电机串联驱动系统的 结构形式 当前这种电机布置形式所存在的问题以及研究双电机串联驱动系 统动态特性的意义 内容 研究方法和预期研究目标 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 第2 章采煤机滚筒受力计算和负载特征 2 1 引言 由于采煤机工作对象的煤岩是非匀质 呈各向异性特性 煤层的机械物 理性能随机变化 以及在截割煤岩时牵引速度的变化 使得采煤机在工作过 程中截割负载的变化十分剧烈 具有很强的随机性 负载的剧烈变化将给电 动机和机械传动系统造成严重的危害 甚至引起破坏性事故 研究采煤机负 载特性 需要对截割部滚筒和截齿受力状态进行比较深入的分析和理论计算 2 2 镐形截齿截割力学模型 镐形截齿已广泛用于采掘机械上 其截割力学模型是截齿设计 截齿排 列以及提高截害i u 力的理论基础 目前国内外学者提出的几种镐形截齿截割 力学模型中 最具有代表性的是英国学者i e v a n s 提出的镐形截齿基本力学模 型啪硎 该模型是在理想的单齿平面截割 截槽对称条件下给出的 实际上 无论是滚筒式采煤机 部分断面掘进机 还是连续采煤机的工作机构都是多 齿有规律布置 有次序的重复截割 如图2 1 所示典型的截齿顺序式排列 由此可看出 叶片上截齿的截割次序是由端盘到出煤口 采空区侧 故形成 了非对称截槽 两侧的崩裂角度 截深 和崩裂长度都不同 截槽外侧崩裂线 大于内侧崩裂线 对于硬煤和韧性煤崩落角较小的条件下 截齿轴向倾斜一 角度 向出煤口 有利于截割 目前采煤机滚筒叶片上的截齿大都是零度齿 但由于破 么 单从减小截齿磨损的角度 直观地可看到叶片上的截齿轴向 倾斜角度 旃一珐 2 为宜 且截齿最大外廓锥角甲 2 欢 p 甲 1 0 r m m 时 c m 0 2 5 意 e 截角影响系数 按表2 1 选取 艮 截齿前刃面形状系数 按表2 2 选取 截齿配置系数 顺序式排列峰 1 棋盘排列k 1 2 5 k 崩裂角影响系数 韧性煤k o 8 5 脆性煤k 1 c 1 2 5 表2 1 截角影响系数墨 t a b 2 1t n m c a t e di n f l u e n c ec o e f f i c i 铋tk 前面形状平面楔形面圆弧面超前突起面 珞 1 0 00 8 5 4 9 00 9 0 0 9 51 0 0 0 1 2 0 作用在截齿上的推进阻力r o 为 r o k z o o 5 o 7 z o 2 3 1 式中 局 作用在锋利截齿上的推进 牵引 阻力与截割阻力的比值 对于采 煤机来说 一般 c o o 5 0 8 切削厚度大 煤的脆性程度高时取较小值 截齿在截割过程中由于受切削断面形状 刀具形状及被破碎材料的均匀 性等影响 作用在截齿两侧的力存在差值 该值记为截齿的平均侧向力 它 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 与煤体性质 切削方式 截齿的几何形状和磨钝程度有关 它可以表示为截 割阻力 切削厚度和切削宽度的函数 当截齿顺序式排列时 五 z o 志 0 1 5 鲁 当截齿棋盘式排列时 即作用在截齿上的侧向力蜀为 五 z o 面 o 1 鲁 当截齿磨钝时 截割阻力和推进阻力分别为 z z o l o o f ky c r y 瓯 y y o i o o k 一尸y s a 式中 2 3 2 2 3 3 2 3 4 2 3 5 厂 截齿截割阻力运动的阻力系数 f o 3 8 o 4 2 切削厚度较大时 取较大值 吼 煤的单轴抗压强度 m p a 蜀 截齿磨损面积 按截齿磨损面积在截割平面的投影面积计算 镐 形截齿取 1 5 2 0 m m 2 k 平均接触应力对单轴抗压强度的比值 k o 8 1 5 由此看出截割阻力与煤的性质 截割阻抗 压张系数 脆塑性 刀具几 何参数 截角 当量截刃宽度 安装角度 及截割参数 切削厚度 截距 截割 方式 刀具配置 有关 作用在刀具上截割阻力的计算是十分复杂的 这种计 算方法主要建立在实验数据的基础上 因此只能算作一种估计方法 尽管如 此 它对我们定性分析刀具受力是有意义的 2 4 螺旋滚筒载荷 螺旋滚筒载荷的计算 是研究采煤机负载特性的基础 螺旋滚筒的载荷 是同时参与截煤的截齿受力组合 在实际工作条件下 由于煤层的物理机械 性能无规则变化和截齿的分布的不均匀性 其载荷的大小和作用点都是随机 变化的 2 4 1 滚筒受力特点 影响截割阻力的因素很多 可以认为它是服从正态分布的随机量 以才 黑龙江科技学院硕士学位论文 和吼分别表示截割阻抗数学期望和均方差 则截割阻抗的数学期望乞 a h 和均方差吒 h o a 都是切削厚度的函数 然而采煤机工作机构滚筒截齿的 切削厚度是随时变化的 如图2 8 a b 所示 分别为前 后滚筒截齿截割 条件 截割弧上第f 个截齿的切削厚度鬼为 j i i 吃墩s i n q 丐 o 仍 兀 2 3 6 式中 仍 截割弧上第f 个截齿的位置角 办一 切削厚度的最大值 1 0 0 0 v q i 衄 伊滚筒同一截线上安装的截齿数 采煤机牵引 推进 速度 m r a i n 万一滚筒截割转速 r r a i n 由于煤岩的非匀质性和各向异性 坚硬夹杂物的随机分布 加之 2 3 6 式的变化 因而乏和吒都是变化的 反映出形成乏的随机过程的不稳定性 后滚筒月牙形截割面积为 s r 红讲 丝2r k s i n 6 p d c p 告砬k 1 一c s 仇 2 3 7 式中 d c 滚筒直径 m m 纯 煤体对滚筒的围包角 刃 对应于d 伊的微元弧长 a 前滚筒截割条件 b 后滚筒截割条件 图2 8 滚筒截齿切削厚度的变化 f i g 2 8c h a n g e so fd r u mp i c k c u t t i n gi nt h et h i c k n e s s 当纯 7 c 时 由 2 3 7 式可得前滚筒月形截割面积为 1 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 墨 4 2 3 8 又因截割弧长z 譬导 令墨 厉 则平均切削厚度 拈争 半 对 2 3 9 式求极限值 即有 一d h 型垫笔掣 o 2 4 0 d 钆线 由 3 1 1 式可求得 当吼 0 7 4 t 或截煤高度 q 譬 s i n 7 4 兀一詈 8 4 砬时 后滚筒平均切削厚度 石 丝 2 4 1 当 兀时 由 3 1 0 式得前滚筒平均切削厚度 h2 昙 2 4 2 上面已讨论了滚筒截齿的受力特点和具体的计算方法 则滚筒的截割阻 力矩等于各截齿截割阻力矩的叠加 即 m 2 o z k o 2 4 3 式中 而与截割的截齿数 乃 第i 个截齿的截割沿滚筒切线方向截割力 n 张卜一第i 个随机系数 删 乃磊加 z 亿 懈j 互 砘 2 4 4 式中 h i 第i 个截齿截深 n l l i l 将 2 3 6 2 4 4 式代入 2 4 3 式得 n m 等 互ks i n 仍k f 2 4 5 2 4 2 采煤机滚筒截割负载特性 采煤机在工作过程中 滚筒上的截齿与煤岩接触瞬间受到煤岩一个很大 的反作用力 截割阻力 随着煤块的崩落 截齿上的力随之消失 所以在一 黑龙江科技学院硕士学位论文 次截割过程中每个截齿都将使工作机构受到一次较大的冲击 瑚1 因此 滚 筒上截齿的截煤过程属断续切削 呈现不规则的周期性变化 图2 9 是实测 采煤机4 5 0 截齿的 图2 9 采煤机截割阻力曲线 f i g 2 9s h e a r e rc u t t i n gr e s i s t a n c ec u t v e 由于滚筒上有若干个规则排列的截齿 滚筒上处于截割区域内的截齿数 不是固定不变的 而是随时间的变化呈周期性变化 滚筒上负载扭矩是若干 个截齿产生的阻力矩的叠加 如图2 1 0 为实测某采煤机负载功率曲线 原始 负载功率信号可以分解成基频部分和高频部分呻一 滚筒上的载荷具有交变 载荷特性 载荷波动很大 p k 分解后低频分量 图2 1 0 负载功率信号分解 f i g 2 10w a v e l e tt r a n s f o r mo fl o a dp o w e rs i g n a l 2 1 黑龙江科技学院硕士学位论文 为了方便对系统动态特性进行研究 采煤机滚筒承受的工作载荷可以用 以下几种典型载荷来描述和分析 1 空载启动 在采煤机开机启动时 表现为惯性负载 2 阶跃载荷 在采煤机滚筒启动完成后 在刚刚接触煤层时 滚筒 所受阻力可以近似用阶跃载荷来描述 3 基频交变和高频交变载荷 因煤岩的非匀质 呈各向异性 截割的 不均匀性 使得滚筒截割阻力具有随机的波动性 基频交变载荷模拟采煤机 滚筒转速所决定的周期性载荷 高频交变载荷则取决于滚筒截齿的落煤状态 2 5 小结 传统的镐形截齿截割力学模型是在单齿平面截割 截槽对称条件下建立 的 其前提与实际截割条件存在差异 难以直接用于截齿和滚筒的设计 针 对多齿重复截割 截槽非对称的实际截割条件 建立了非对称截槽的截割力 学分析模型和数学模型 分析了截割深度与崩裂角的理论和实验关系 并提 出了采煤机滚筒叶片截齿轴向倾斜布置的理论依据和倾斜角度的取值范围 为滚筒截割性能的分析 尤其对硬煤截割滚筒的截齿设计和截齿安装姿态参 数诸如水平旋转角 切向安装角 轴向倾斜角的确定有着理论指导意义 依据镐形截齿截煤的几何模型 计算了单截齿的截割阻力和推进阻力 推导了螺旋滚筒载荷特征 为系统动力学分析时负载的确定提供了依据 同 时 为分析方便研究 把采煤机负载分解成几种典型截割载荷 简化了双电 机串联驱动系统的负载特性 黑龙江科技学院硕士学位论文 第3 章弹性扭矩轴设计与截割部等效简化 3 1 引言 鉴于采煤机工作负载的剧烈变化 为保证截割部和驱动电机的可靠运行 在传动链高速端通常设置弹性扭矩轴 以改善传动系统工作状态 它除起到 截割电动机与机械传动系统之间传递功率作用外 传递动力作用 还有两个 特殊作用 一是弹性缓冲 二是过载保护功能 因此 应当把扭矩轴的卸载 槽设计为传动系统中最薄弱环节 以起到保护主传动系统和电动机的目的 同时 弹性扭矩轴调整了系统的刚度 其对双电机串联驱动系统动态特性的 影响也是本文主要研究内容之一幽 3 2 弹性扭矩轴作用 在论文的第2 章已经较详细的论述了采煤机负载特征 滚筒上的载荷具 有随机的周期性 载荷波动也很大 为了保护截割传动部不受损坏 通常采 用在传动系统中加入弹性扭矩轴实现弹性缓冲和过载保护的功能 弹性扭矩轴通常安装在机械传动链高速端 通过花键与传动齿轮相连 由该轴在传动系统的作用和它在具体结构设计中的位置得出弹性扭矩轴的合 理设计应具备以下几方面的性能 过载保护 当截割部因严重超载而处于最恶劣状况时 如截齿截割支架顶 梁或运输机铲煤板造成电机堵转 扭矩轴虽可起一定的缓冲作用 但由于传 动系统中动载荷较大 当超出传动件或驱动电机的承载能力时 将会使截割 部元件损坏 扭矩轴与其他传动件相比 具有制造简单 更换方便的特点 因此可将其设置为传动系统中的最薄弱环节 以减少最恶劣工况下部件损坏 造成的损失 弹性缓冲 弹性扭矩轴的合理设计在一定程度上可以缓冲传动系统受到 的外载荷冲击 提高设备运转的可靠性和使用寿命 但同时会引起系统刚度 发生变化 传递动力 作为传动齿轮组间重要传动轴 弹性扭矩轴起到传递扭矩的 作用 在单电机驱动或双电机串联驱动系统中 弹性扭矩轴引起的系统刚度的 黑龙江科技学院硕士学位论文 变化对系统动态特性的影响值得我们进行较深入的研究和探讨 3 3 弹性扭矩轴结构 3 3 1 弹性扭矩轴材料 合理选择扭矩轴材料 要综合考虑下列各因素 一是为满足抗疲劳 抗 冲击性能 要求有一定的芯部硬度 二是扭矩轴与齿轮通过花键联接 要保 证扭矩轴材料在强度上与低碳n i c r 钢基本相吻合 常用的材料4 2 c r m o 和 4 0 c r 等 3 3 2 扭矩轴结构 在实际设计中 扭矩轴直径取决于要调整的系统刚度的大小 为保护可 靠 使过载时能够及时扭断 通常采用在扭矩轴上设卸载槽的结构形式 如图3 1 所示扭矩轴结构图 其结构参数为 扭矩轴长度三 扭矩轴连 接花键外径d o 扭矩轴直径d 卸载槽外径d 卸载槽圆弧半径 卸载槽 断面孔径砺 以上结构参数决定了扭矩轴的特征 其中文面 表面状态 材质和疲劳强度决定于扭矩轴传递动力 d l 取决于扭矩轴的扭转刚度 弹 性缓冲 d d o 材质 静强度标准决定于过载保护性能 图3 1 扭矩轴结构图 f i g 3 1t o r q u ea x i sc o n s t r u c t i o n a ld r a w i n g 3 3 3 弹性扭转刚度计算 弹性扭矩轴的扭转刚度计算方法为 七 型 3 1 彤 一 i j 1 l 3 2 l 式中 卜传动轴扭转弹性模量 n m 2 影响扭矩轴的主要因素是材质 结构尺寸 而钢材因其材质 热处理方 法的不同而有很大差别 但弹性模量却大体相同 所以尺寸参数d 三是直 黑龙江科技学院硕士学位论文 接影响其刚度的因素 长度三受截割部总体结构的限制 从降低刚度的角度 应在可能范围内尽量加大轴长三 影响轴径d 大小的因素是扭矩轴卸载槽部 分 轴径由所满足的强度要求 3 3 4 弹性扭矩轴验算 目前 采煤机扭矩轴在设计标准上尚未统一 各厂家之间不同 甚至同 一厂家不同型号机型设计也不尽相同 表3 1 是用同一计算标准来考察六种 采煤机扭矩轴的设计结果 扭矩轴的材料均为4 0 c r 调质i i b 2 4 0 2 8 0 从 结果中可看出扭转静强度安全倍数 扭矩轴传递的等效最大扭矩和额定扭矩 的比值 和扭转疲劳强度安全系数相互差别很大 说明了设计标准尺度和参数 取值的差异 导致设计结果有较大的离散性 表3 1 采煤机弹性扭矩轴强度验算 t a b 3 is h e a r e rf l e x i b l et o r q u ea x i si n t e n s i t yc h e c k i n g 3 4 扭矩轴设计方法 根据扭矩轴的特点 采用静扭转屈服强度设计为主 扭转疲劳强度验算 为辅的方法 基本可以满足扭矩轴工作条件要求 3 4 1 静扭转屈服强度设计准则 根据扭矩轴只受到扭矩的作用 则有扭转静强度安全倍数 黑龙江科技学院硕士学位论文 陆李 3 2 讣 钏 b 3 式中 刀卜 书转静强度安全倍数 吒 材料扭转屈服极限 m p a 卸载槽断面抗扭模量 m 3 五 电动机的额定扭矩 n m 为给出通用的设计公式 根据扭矩轴的结构尺寸以及设计经验 令 d d 一 0 1 0 3 d 即 d 乏 3 4 1 k 7 式中 k o 1 0 3 d 册一2 所 z 2 m 式中z m 分别是联接花键的齿 数和模数 由 3 2 式整理可得设计公式 d o d 1 七 3 5 当选定k 值时 可得到d 和而 再由 3 5 式进行圆整 d o 1 1 6 n 1 t