多齿复合截割滚筒随机载荷重构算法及牵引特性研究

摘要

采煤机行走轮和导向滑靴经常发生异常磨损及行走轮断齿现象，严重降低了整机的安全性与可靠性，甚至影响煤炭的安全生产。随着装机功率的增大，牵引部的故障问题更为突显，国产采煤机在整机牵引性能上与国际水平的差距进一部加大，为了提高国产采煤机的牵引性能，牵引动态特性的研究势在必行。由于牵引负载与滚筒截割负载存在一定的耦合性，且滚筒截割负载具有一定的复杂性与不确定性，国内众多学者从截齿负载特性入手，开展了采煤机滚筒截割负载特性的研究与牵引特性的研究，但较少考虑到截割负载与牵引负载间的内在关联，使得获得的牵引特性与实际牵引特性存在一定的差别。论文从滚筒截割负载重构算法入手，研究多齿复合截割工况下，滚筒截割载荷的重构算法以及关联载荷下的牵引特性，其不仅具有重要的理论意义，同时也具有重要的工程应用价值。　　论文在综合分析现有研究方法与技术手段的基础上，针对现有研究中需要进一步深入探讨的问题，确定了具体的研究内容，主要研究工作如下：　　研究了单个截齿及螺旋滚筒受力特点，采用B样条曲线法，建立了截齿等效截割阻力模型及滚筒截割阻力与截齿轴向载荷数学关联模型，通过结构分析，推导了滚筒截割负载与测试载荷之间的数学关联方程．从而得到了多截齿滚筒载荷的时域重构模型：基于大块煤崩落的随机理论，以瑞利随机分布理论为基础，建立了滚筒上截齿截割阻力的自关联模型，提出了包含煤岩破碎信息的多截齿滚筒随机载荷谱重构的基本思想，给出了多截齿滚筒随机载荷谱重构算法；　　以采煤机滚筒截割煤岩理论为基础，以相似理论为依据，利用量纲分析法，建立了单截齿直线截割煤岩实验台，进行了单齿直线截割煤岩实验研究，初步探索了截割载荷的变化规律；以粉煤、水泥、水为原料，根据一定配比获得了煤岩试样，进行了煤岩单轴压缩实验，获得了煤样的力学性能，建立了煤岩体非线性粘弹性本构方程，得到了煤岩失稳破坏的充要条件；利用课题组自主研发的多截齿参数可调式旋转截割煤岩实验装置，进行了多齿复合截割的实验研究，对滚筒截割负载进行了测试，得到了不同楔入角度、不同牵引速度及同截齿齿尖形状下的载荷测试曲线，对齿尖楔入角度、牵引速度及齿尖形状对煤岩崩落特性及截割载荷的影响进行了深入分析：　　利用最佳平方逼近法对单齿截割阻力曲线的极值进行了拟合，得到了实验条件下单截齿截割载荷的数学方程；采用多截齿滚筒随机载荷谱重构算法，对实验载荷进行了重构，并采用改进的FFT算法，给出了多截齿滚简随机载荷的数学方程；利用现有实验数据，使用自回归移动平均模型和累积式自回归移动平均模型，进行了多截齿滚筒随机载荷谱的预测，得到了载荷谱预测曲线；　　研究了采煤机整机受力特性，建立了整机力学模型的奇异不相容线性方程组，使用改进的双逐次投影法，对方程进行了解算，得到了不同煤层倾角下各个滑靴的受力曲线；通过分析采煤机截割部与牵引部相关参数的关系，建立了牵引负载与滚筒负载的关联模型，得到了牵引负载曲线；采用集中质量模型与分布质量模型相结合的方法，推导了牵引扭振系统的传递矩阵，对扭振系统的振动特性进行了分析；以各轴弹性势能均匀分布作为优化目标，将行星减速器输出轴和行走轮轴扭转刚度作为优化参数，使用降梯度算法对扭振系统进行了参数优化，优化后系统弹性势能分布均匀性明显提高，优化结果表明，降低行星轮系输出轴刚度及行走轮轴刚度均有利于提高系统的动态特性。　　对行走轮与销排啮合时齿面的弹性变形和销排连接处的间距变化进行了研究，建立了含齿轨间隙的行走机构多体系统力学模型与仿真模型，分析了销齿传动过程的动态激励，利用一种新的方法——秩1拟Newton法对行走机构动力学方程进行了求解；分析了行走轮弯曲刚度、销齿啮合刚度和销齿轨连接刚度对行走机构动力学特性的影响，并对仿真结果进行了回归分析，得到了行走轮速度波动幅值和销齿啮合力幅值的数学表达式。采用全局分析和局部分析相结合的方法，对销齿传动非线性系统进行了混沌行为识别，得到了系统随不同参数变化的动态特性，获得了系统的优选参数，进一步研究了系统在优选参数下的动态特性。　　论文所建立的滚筒载荷重构算法及载荷预测方法，对于进行滚筒复杂特性的深入分析具有一定指导意义，同时为采煤机整机设计提供重要依据；所获得的牵引扭振系统的优化结果及销齿传动系统优选参数，对于改善牵引部的动态特性具有重要意义。

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