采煤机摇臂传动系统动力学特性研究及动态与渐变可靠性分析

摘要

采煤机作为综合机械化采煤工作面的最重要的装备之一，其发展水平代表了我国整个煤炭工业的水平。而采煤机摇臂传动系统作为整个采煤机截割部的动力传递部件，其可靠性水平决定了整个采煤机能否安全、可靠、高效的运行。本课题围绕采煤机摇臂传动系统的可靠性问题，以MG300/700-WD型采煤机摇臂传动系统为研究对象，考虑深部危险煤层工况的影响，对其载荷谱、动力学特性、齿轮接触疲劳可靠性以及系统动态与渐变可靠性进行了分析，并针对整个系统的薄弱环节和敏感设计参数进行了可靠性稳健优化设计。本文主要工作如下: (1)针对深部危险煤层工况下滚筒式采煤机截割部载荷的计算问题，本文首先在简单煤层工况下，以一个小尺寸单齿截割试验装置为研究对象，采用LS-DYNA软件对单个截齿截割煤岩过程进行仿真，通过对比仿真结果、试验结果以及经典理论模型的结果验证了仿真过程的有效性。其次，考虑深部危险煤层的工况特点，对煤层施加侧压来模拟高地应力对截齿截割力的影响，通过仿真和试验探讨了侧压与单个截齿截割力的关系，结合仿真结果与经典理论模型的线性回归分析，建立了深部危险煤层工况下截齿截割载荷的数学模型。由单齿截割载荷叠加后可得到滚筒质心处的合力以及合力矩，计算结果与试验结果吻合良好。 (2)针对采煤机摇臂传动系统的动力学模型问题，本文以MG300/700-WD型采煤机摇臂传动系统为例，考虑系统中行星齿轮传动、平行轴直齿轮传动、传动轴、支承轴承以及轴套、螺母等安装集中质量的影响，建立了整个摇臂传动系统的动力学模型，解决了在随机载荷作用下系统的动力学计算问题。通过求解系统的动力学响应，可以计算出系统齿轮的动态齿根弯曲应力和齿面接触应力，不仅为系统的可靠性分析、优化设计奠定基础，也为系统的失效预估提供失效判据。 (3)针对采煤机摇臂传动系统齿轮的接触疲劳可靠性问题，本文通过采用拉丁超立方实验设计和BP神经网络技术，可求得系统各失效齿轮副的动态接触应力幅值与基本随机变量之间的显性表达式，依据应力-强度干涉模型可求解平行轴直齿轮传动子系统和行星轮传动子系统的接触疲劳可靠度。将两个子系统分别考虑其失效独立和相关时，对整个系统的齿轮接触疲劳可靠性进行求解，并采用Monte Carlo方法和二阶窄界限理论对计算结果进行了验证，结果表明在可靠度较高时，将两个子系统失效考虑为相关失效较为准确。 (4)针对采煤机摇臂传动系统的动态与渐变可靠性问题，本文考虑齿轮强度的劣化过程，动载荷的影响以及系统结构参数和工况参数的随机性，建立了MG300/700-WD型采煤机摇臂传动系统的动态与渐变耦合可靠性模型。通过对其动态与渐变可靠性和可靠性灵敏度进行分析，可确定系统动态渐变可靠性的敏感设计参数并进行可靠性稳健优化设计，为采煤机的设计、生产和使用提供理论指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源、研究背景及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景及意义

1．2 国内外发展与研究现状

1．2．1 采煤机截割部研究现状

1．2．2 滚筒式采煤机载荷谱研究现状

1．2．3 采煤机摇臂传动系统动力学研究现状

1．2．4 采煤机可靠性研究现状

1．2．5 动态与渐变可靠性研究现状

1．2．6 齿轮疲劳可靠性研究现状

1．3 论文主要内容与结构

第2章 滚筒式采煤机截割部载荷计算

2．1 引言

2．2 煤岩的物理机械性质

2．2．1 煤岩的物理性质

2．2．2 煤岩的机械性质

2．3 截齿的截割阻力

2．3．1 截齿截割载荷数学模型

2．3．2 截齿随机载荷数学模型

2．4 截齿截割煤岩仿真

2．4．1 简单煤层截齿截割煤岩过程仿真

2．4．2 深部危险煤层截割载荷模拟

2．4．3 截齿截割深部煤层的数学模型

2．5 螺旋滚筒载荷计算

2．5．1 螺旋滚筒载荷的数学模型

2．5．2 算例

2．6 本章小结

第3章 采煤机摇臂传动系统动力学特性分析

3．1 引言

3．2 采煤机摇臂传动系统有限元模型的建立

3．2．1 梁单元模型

3．2．2 轴承模型

3．2．3 集中质量模型

3．2．4 齿轮啮合动力学模型

3．2．5 行星齿轮系统动力学模型

3．2．6 采煤机摇臂传动系统有限元模型组集

3．3 采煤机摇臂传动系统固有特性分析

3．3．1 有限元模型

3．3．2 固有特性

3．4 采煤机摇臂传动系统动力学特性分析

3．4．1 振动仿真

3．4．2 系统振动响应分析

3．4．3 齿根弯曲应力计算

3．4．4 齿面接触应力计算

3．5 本章小结

第4章 采煤机摇臂传动系统可靠性及可靠性灵敏度分析

4．1 引言

4．2 机械可靠性基本理论

4．2．1 可靠性基本概念

4．2．2 可靠性分析方法

4．3 机械可靠性灵敏度理论

4．3．1 可靠性灵敏度理论

4．3．2 可靠性灵敏度公式的修正

4．3．3 可靠性灵敏度的无量纲化

4．4 摇臂传动系统齿轮可靠性及可靠性灵敏度求解

4．4．1 试验设计

4．4．2 BP神经网络技术

4．4．3 独立子系统的可靠性与可靠性灵敏度求解

4．4．4 相关系统的可靠性与可靠性灵敏度求解

4．5 本章小结

第5章 采煤机摇臂传动系统动态与渐变可靠性及灵敏度分析

5．1 引言

5．2 机械动态渐变耦合可靠性基本理论

5．3 基于Gamma随机过程的强度退化理论

5．4 摇臂传动系统动态与渐变可靠性及可靠性灵敏度求解

5．4．1 试验设计

5．4．2 BP神经网络技术

5．4．3 摇臂传动系统齿轮疲劳动态与渐变可靠度

5．4．4 摇臂传动系统齿轮动态与渐变可靠性灵敏度求解

5．5 摇臂传动系统动态与渐变可靠性稳健优化设计

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 研究总结

6．2 论文创新点

6．3 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著、科研和获奖情况