采煤机永磁半直驱截割传动系统动力学特性及扭振分析研究

摘要

根据我国能源资源状况，煤炭作为主体能源在很长一段时间内不会改变，采掘机械化是煤炭工业增加产量、提高生产率、改善作业环境、保障安全生产的必要技术手段。随着对煤炭资源开采效率和综合利用率要求的不断提升，工业节能减排呼吁力度的不断增大，对滚筒式采煤机在功率、效率、可靠性、故障率等性能方面提出了更高的要求，需要进一步探索包括驱动部件，传动机构，控制系统等在内的滚筒采煤机高效控制系统、高可靠性少传动链式结构设计以及复杂机电系统集成等问题。结合永磁材料及电力电子技术的的发展，大功率永磁电机及其调速系统是机械驱动与传动的发展方向，对大功率永磁电机驱动形式的滚筒采煤机进行研究，以解决采煤机故障率最高的截割部可靠传动问题。永磁同步电机具有低速大扭矩的特点，所以中间减速传动机构具有更小的传动比，恶劣工况下末端负载无论是对减速传动机构还是永磁同步电机具有更大的冲击载荷，需要对齿轮减速系统的动力学进行深入研究。复杂机电系统内部存在的多能域、多参量耦合是系统在强冲击、大波动负载变化过程中表现出来的基本特征，系统在非平稳过程中的机电耦合振动，会造成设备处于不良状态，影响系统的稳态、动态性能，严重情况下易引起系统重大故障。因此，深入研究永磁电机驱动形式下的采煤机截割传动系统动态性能及稳定性，是实现采煤机高效低耗，高可靠性安全截割工作的关键课题。本文在国家自然科学基金项目的资助下，结合永磁电机驱动形式下采煤机截割部在实际工况中的负载特性，采用理论建模、数值仿真分析、实验等方式深入开展永磁电机驱动形式下的采煤机截割传动系统的动力学及扭振特性的研究。研究工作主要包括： (1)阐明采煤机截割部在采煤过程中的工作原理，展示采煤机截割部具体的结构组成，分析了传统采煤机截割部故障分布及概率。探讨了永磁电机直接驱动采煤机截割滚筒采煤作业时，电机过大与采煤机摇臂结构不匹配以及末端载荷在直接驱动模式下对永磁电机的直接冲击过大，影响永磁同步电机的安全使用问题。提出了一种“永磁同步电机+三级直齿轮减速+截割滚筒”组成的采煤机永磁半直驱截割传动系统。并建立了采煤机永磁截割电机的转矩模型及考虑扭转角的稳态电磁转矩模型，分析了采煤机末端滚筒截割机理，构建了截割滚筒负载模型，通过数值仿真研究了截割滚筒负载特性。 (2)结合采煤机永磁半直驱截割传动系统的工作环境，考虑到采煤机永磁半直驱截割传动系统属于大功率的机电设备，针对采煤机末端截割滚筒负载特性模拟问题，依据相似原理与量纲分析方法，基于磁粉式测功机搭建了小比例负载模拟实验平台，确定了实际系统和小比例负载模拟平台的参数等效缩放原则，完成了采煤机半直驱截割传动系统小比例实验台的性能测试，奠定了采煤机永磁半直驱齿轮传动系统动态特性及扭振特性研究的基础。 (3)针对采煤机半直驱截割传动系统长时间在煤矿恶劣工况下运行，在强冲击、大波动载荷作用下，齿轮传动系统受到复杂冲击力，易出现剧烈振动的问题，考虑轮齿特性及轴承径向间隙耦合作用，建立采煤机永磁半直驱齿轮系统的弯扭耦合多自由度非线性动力学模型，并基于小比例负载模拟平台，通过实验验证了模型的准确性。根据所建立的模型，分析了齿轮激励频率、啮合刚度比、轴承间隙对系统非线性动力学特性的影响。对系统产生的混沌区间，提出了比例积分混沌控制方法，缩短甚至消除混沌发生参数区间，使系统能够在更大的参数域内进行稳定的运动。 (4)考虑电磁激励及末端负载扰动作用下的机电耦合共振现象，基于电机理论及Maxwell方程建立采煤机永磁半直驱截割传动系统电机转子轴系机电耦合扭转动力学模型，采用多尺度法求解该机电耦合模型在主参数共振情况下的近似解，利用数值方法确定了电机-转子系统扭振的稳态解及其稳定性。研究在不同电磁刚度下系统发生的Hopf分岔和混沌运动。针对采煤机永磁半直驱截割传动系统驱动电机摩擦阻尼受温度及恶劣工作条件影响变化后引起的系统失稳振荡，以及采煤机永磁半直驱截割传动系统的复杂机电耦合特点，建立采煤机永磁半直驱截割传动系统的非线性扭转动力学方程，对系统Hopf分岔行为定性和定量分析。此外选取q轴电压为控制量，设计了非线性速度反馈控制器，可以有效抑制采煤机半直驱传动系统轴系扭转振动。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题来源(Origin of the Dissertation)

1.2 课题研究背景及研究意义(Background and Significance)

1.3 国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.4 现有研究存在的问题(Existence Problems of Present Research)

1.5 课题研究内容(Main Research Contents)

2 采煤机永磁半直驱截割传动系统结构及模型研究

2.1 采煤机永磁半直驱截割传动系统工作原理(Working principle of permanent magnet semi-direct drive cutting transmission system in shearer)

2.2 采煤机永磁半直驱截割传动系统主要参数(Main parameters of permanent magnet semi-direct drive cutting drive system in shearer)

2.3 永磁同步电机数学模型及电磁转矩模型(Mathematical Model and Electromagnetic Torque Model of PMSM)

2.4 采煤机半直驱截割传动系统末端截割负载特性(Terminal Cutting Load Characteristics of Semi-direct Drive Cutting Drive System in Shearer)

2.5 采煤机永磁半直驱截割传动系统设计特点(Design Features of Permanent Magnet Semi-Direct Drive Cutting Transmission System in Shearer)

2.6 本章小结(Chapter Summary)

3 永磁半直驱截割传动系统负载特性模拟方法及实验平台构建

3.1 采煤机永磁半直驱截割传动系统负载特性模拟原理(Load Characteristics Simulation Principle of Permanent Magnet Semi-direct Drive Cutting Drive System in Shearer)

3.2 采煤机永磁半直驱截割传动系统实验台搭建及性能测试(Construction and performance testingof the Permanent Magnet Semi-direct Drive Cutting Drive Transmission System in Shearer)

3.3 本章小结(Chapter Summary)

4 永磁半直驱多自由度齿轮传动系统非线性动力学特性研究

4.1 齿轮系统动力学行为分析研究方法(Research Method of Gear System Dynamic Behavior)

4.2 半直驱多自由度齿轮传动系统非线性动力学模型与实验验证(Nonlinear Dynamic Model and Experimental Verificationof Semi-direct Drive Multi-degree-of-freedom Gear Transmission System)

4.3 半直驱多自由度齿轮传动系统非线性动力学分析(Nonlinear Dynamic Analysis of Semi-direct Drive Multi-degree-of-freedom Gear Transmission System)

4.4 半直驱多自由度齿轮传动系统混沌控制(Chaos Control of Semi-direct Drive Multi-degree-of-freedom Gear Transmission System)

4.5 本章小结(Chapter Summary)

5 永磁半直驱截割传动机电耦合系统扭转振动特性研究

5.1 机电耦合系统耦合关系分析(Coupling Relationship Analysis of Electromechanical Coupling System)

5.2 机电参数作用下机电耦合系统稳定性分析(Stability analysis of electromechanical coupling system under the influence of electromechanical parameters)

5.3 电磁激励作用下机电耦合系统扭振特性分析(Torsional Vibration Characteristics Analysis of Electromechanical Coupling System Under the Influence of Electromagnetic Excitation)

5.4 摩擦阻尼作用下机电耦合系统扭振特性分析与控制研究(Torsional Vibration Characteristics Analysis and Control of Electromechanical Coupling System Under Friction Damping)

5.5 本章小结(Chapter Summary)

6 结论与展望

6.1 结论(Conclusions)

6.2 创新点(Innovations)

6.3 展望(Prospections)

参考文献

作者简历

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