采煤机摇臂传动系统可靠性稳健优化设计
滚筒采煤机总体方案设计及截割部摇臂箱的设计开题报告
滚筒式采煤机工作机构为截煤滚筒，是采煤机的特有部件。采煤机的主要工作也是由采煤机的截煤滚筒来完成的。采煤机螺旋滚筒是鼓型滚筒上安装扁齿或镐齿。扁齿和镐齿为截煤机截煤时的主要工作部位，其切割机理人们早有研究。截煤滚筒的截煤能力取决于许多因素，如：截齿的材料，强度，表面硬度，结构尺寸，齿尖硬质合金的形状尺寸，工作机构的运动学参数和被截割煤岩的物理机械性质等。因此要想提高截煤的能力，必须要提高两种截齿的各种参数和材料，因此采煤机工作机构的设计显得有为重要了。煤层的物理机械性质对采煤机截割部摇臂箱的传动影响也尤其重要。它能直接影响采煤机的采煤能力。
本科毕业设计（论文）开题报告
题目滚筒采煤机总体方案设计及截割部摇臂箱的设计
指导教师
院（系、部）机械工程学院
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一、选题的目的、意义和研究现状
采煤机械直接用于煤炭的开采,是煤炭生产中的机械设备。按煤层赋存条件，煤环境，采煤的方法与采煤机不同。对煤炭的开采可以分为露天开采和地下开采。本次设计所涉及到的采煤机工作机构的设计为地下采煤机工作部位的传动机构。
[3] 采煤机破煤理论苏保晋.Е.З(等)主编
薄煤层滚筒采煤机总体方案设计与摇臂设计毕业设计[管理资料]
![薄煤层滚筒采煤机总体方案设计与摇臂设计毕业设计[管理资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/6b4238020975f46526d3e1c3.png)
毕业设计论文薄煤层滚筒采煤机总体方案设计与摇臂设计前言我国薄煤层资源分布广泛，%。
在一些省、区薄煤层储量比重很大，如四川省占60%，山东省54% ,黑龙江省占51%，贵州省占37%。
特别是在南方地区，有些省份薄煤层净占50%以上，而目薄煤层分布广，煤质好。
但由于其开采煤层厚度薄，与中厚和厚煤层相比，薄煤层机械化开采存在着工作条件差，设备移动困难，煤层厚度变化、断层等地质构造，对薄煤层设备生产性能影响大，以及投入产出比高、经济效益不如厚与中厚煤层等特殊问题，造成薄煤层机械化开采技术发展速度相对缓慢。
另外，对一些薄、厚煤层并存的煤矿，由于薄煤层开采速度缓慢，使其下部的中厚煤层长期得不到及时开采，以至影响工作面的正接替，而有的就只能被迫丢失一些薄煤层资源。
随着大批煤矿中厚:煤层的资源开采比较多，使得资源越来越少，所以薄煤层的开采己列入日程。
因此，研制适合我国实际国情的薄煤层采煤机，以适应不同的煤层结构，提高薄煤层采煤的工作效率是当务之急。
我国薄煤层采煤机的研究始于60年代。
60年代初，在顿巴斯一1型采煤机基础上，我国开始自行研制生产采煤机。
这类薄煤层滚筒采煤机主要有MLQ系列采煤机，如1964年生产的MLQ一64型，1980年生产的MLQ一80型浅截石单滚筒采煤机，另外还有MLQ3一100型采煤机。
70年代至80年代初期，我国自行研制开发了中小功率薄煤层滚筒采煤机。
比较典型的有山东煤研所和淄博矿务局研制的ZB一100型单滚筒骑输送机采煤机。
ZB一100型采煤机装机功率100kW ,链牵引，牵引传动方式为液压调速加齿轮减速。
牵引力90kN，牵引速度0~，~，煤质硬度为中硬以下的缓倾斜薄煤层。
80年代，我们在引进了德国、英国等采煤机生产技术的基础上，自主开发和制造适应我国不同的煤层条件的滚筒式采煤机系列产品，并在90年代中期初步完成了主导机型，由液压牵引采煤机向电牵引采煤机升级换型工作。
1980年，黑龙江煤矿械研究所和鸡西煤矿机械厂共同开发出BM系列骑输送机滚筒采煤机，其中BM一100型双滚筒采煤机，性能良好，能自开缺日、强度高、工作可靠，在我国薄煤层采煤中广泛应用。
采煤机摇臂的受力分析及优化设计
70
77
63
肋板高
309
250
450
最大变形量
2.9
-
-
目标变量
最大应力值
152
-
摇臂质量
6 517
-
-
图1摇臂滚筒受力示意图
推进阻力同样集中在滚筒的齿尖,方向与牵引方 向相反，所以可以表达为如下公式：
1采煤机摇臂受力情况分析
根据采煤机的实际工作状态，对采煤机的受力进
行简单的分析，主要考率到滚筒的重力G|、摇臂的重 力G?、截割阻力和推进阻力分别为化和 P八截割的 阻力力矩M、滚筒的轴向力摇臂滚筒受力示意 图如图1所示。
所以根据图1可以得到：
955073 f/Zcos <p
M = Ma=--------------------
・135・
煤矿机电
2019年第6期(第32卷，总第164期) -机械研究与应用•
1.91 x nDc
式中:代表截割电机的额定功率;4代表截割机械 传动效率;0代表滚筒的直径;K代表滚筒的圆周力 表达式的修正系数。
表1目标优化参数设定
目标项目
初始值 上限 下限
壁厚/.~加
70
77
63
预计设计变量 箱体厚d.~XA
中图分类号：TD421
文献标志码:A
文章编号：1007-4414(2019)06-0135-03
Stress Analysis and Optimization Design for the Shearer Rocker
WANG Ding-ding
(Shanxi Linyi Xishan Shenghui Coal Industry Co., Ltdy Linfen Shanxi 041083, China)
采煤机牵引部传动系统动态可靠性分析_周笛
（ 2）
煤机系统各失效模式间的相关性与系统动态响应与 动态可靠性之间的联系。 本文以采煤机牵引部为研 构建重载变速工况下的系统传动模型， 分析 究对象， 了系统的振动位移等响应， 基于系统动态响应结果， 考虑运动参数、 结构参数与材料参数的随机性， 构建 并计算了系统的动态可靠性， 分析了系统的首次运转 与动态运转的可靠性变化。
1
采煤机牵引部传动系统动力学模型
图2 Fig. 2 行星轮与内齿圈时变啮合刚度
采煤机 MG300 /700－WD 牵引部与行走部包括两 级直齿轮平行轴传动系统、 两级 NGW 型行星齿轮传 动系统和一级行走轮齿轮传动系统 （ 齿轮 5 与齿轮 6 ） 。图 1 为牵引部模型， 其中， 第 1 级行星轮系含有 3 个行星轮， 传动比为 6. 64 ； 第 2 级行星轮系含有 4 个行星轮， 传动比为 5. 25 。 根据 3 自由度齿轮集中质量模型， 建立图 1 所示 多级齿轮传动系统与行星齿轮传动系统的动力学方 ［9－12 ］ ： 程
Abstract： Considering the timevarying mesh stiffness and nonlinear backlash of gear， the lump mass method of three degreeoffreedom gear was adopted to establish overall model， including the traction unit and walking unit of shearer． The vibration responses and contact stress of traction unit were investigated in the conditions of variable speed and heavy load． The kinematic parameters， structure parameters and material parameters were taken into consideration as random factors in the tractive transmission system． The probability density function and cumulative distribution function were obtained in accordance with saddlepoint approximation method for the system ’ s performance function． Based on order statistic theory， dynamic reliability was calculated to evaluate the tractive transmission system under repeated load． Ｒesearch results show that the average dynamic contact stress increases and its standard deviation decreases with the increase of operation time． In the process of dynamic motion， the tractive transmission system is comparatively secured at the first time． The system reliability decreases rapidly in the earlier stage and declines tardily in the later stage． Key words： dynamic reliability； saddlepoint approximation method； order statistic； traction unit of shearer 牵引部是采煤机整个系统驱动与承载的主要环 节， 主要由多级平行轴齿轮系与多级行星齿轮系共同 组成。系统自身存在着时变刚度与非线性侧隙等因 素， 并且重负载与变转速的工作特点都影响牵引部的
不同工况下采煤机摇臂壳体静力学的分析
引言采煤机是进行煤矿综采的重要设备，我国有大量的煤矿采用采煤机进行自动化作业，采煤机工作的稳定性对我国煤炭开采的效率和产量均具有重要的影响。
由于采煤机在井下作业环境的复杂性，对于采煤机的设计使用往往采用较大的冗余度来保证采煤机的可靠性，这种方式容易造成采煤机的结构过于笨重，造成了采煤机生产成本的增加及资源的浪费[1]。
随着计算机技术的不断发展，采用CAE 技术进行采煤机等各类采煤机械的设计成为主流。
采用CAE 技术对采煤机的结构进行仿真分析，可以提高采煤机设计的稳定性，同时，针对采煤机的结构进行特定的分析，可以优化采煤机的结构，避免资源的浪费，降低采煤机的制造成本。
1采煤机摇臂壳体的建模采煤机进行作业时，由摇臂和滚筒组成截割机构，截割机构通过滚筒的旋转实现对煤层的切割，而摇臂依据煤层的不同对滚筒的位置进行调节，改变滚筒的姿态，最大程度地提升截割的效率。
采煤机摇臂对滚筒的调节通过安装在摇臂壳体上的减速器及传动机构实现，摇臂壳体作为主要的承载部件，同时对减速器、传动系统及密封件等进行支撑。
摇臂壳体的性能对于摇臂的调节作用具有重要的影响[2]，是采煤机的关键零部件，并且由于壳体的承载较大，是采煤机的易损零部件，因此，在设计过程中，对于摇臂壳体常采用较大的安全系数来保证壳体的稳定性。
由于采煤机摇臂壳体的结构对采煤机截割机构的截割效率及性能具有重要的影响，因此，对于摇臂壳体的受力进行仿真分析[3]，并对壳体的结构进行优化设计十分必要。
摇臂壳体采用主体和板件焊接而成，对壳体的结构进行建模分析，由于摇臂壳体的结构较为复杂，在建模过程中，要对壳体的结构进行一定的简化。
由于焊缝处的强度和板件一致，在建模过程中，忽略焊缝的影响，并对于壳体的细小结构进行简化处理，采用SolidWorks 进行壳体三维模型的建立，得到摇臂壳体的模型如图1所示。
建立摇臂壳体的三维模型之后，将其导入到有限元分析软件ANSYS Workbench 中进行静力学分析。
MG300701-WD型电牵引采煤机
摘要我国煤炭中薄煤层储量丰富，对小功率采煤机的需求量也比较大。
而炮采安全性比较低，生产率也比较低；综采对设备要求较高，而且投资费用比较大。
所以对中薄煤层来说开发适应高档普采的采煤机是非常必要的，而MG300/701-WD型采煤机正是针对中薄煤层适应高普而进行的设计。
本文主要从机械传动的角度对MG300/701-WD型电牵引采煤机的摇臂进行了设计，采取电机横向布置，截割电机容量为300可kW；开采含有夹矸等较硬煤质的综合机械化采煤工作面，可靠性高，性能先进。
采煤机摇臂工作时由扭矩轴驱动，能量逐级传递，二轴起均载作用，三轴和四轴构成齿轮的变速级，末级为四行星减速器用以降低速度。
其中冷却喷雾装置由主水阀、分水阀和管路等组成，供各电机、电控箱冷却用水和采煤机的内外喷雾灭尘。
是针对薄煤层实现综合机械化采煤的理想机型，采用了先进的控制技术实现其独特的功能，是较薄煤层采煤机更新换代的理想机型。
关键词采煤机摇臂传动系统行星机构AbstractIn the present coal mine of our country,the thin reserves of coal seam are still rich ,are larger for the demand of the small-power machine of coal mining.And cannon pick safety comparison little,productivity is also low;Zong pick for equipment requirement higher,and investment cost is compared.So for in thin coal seam development meet the high general machine of coal mining is very necessary.The machine of MG300/701-WD model of coal mining only aim at in thin coal seam meet the high general design and that goes on.The electric traction MG300/701-WD Shearer of the rocker arm is designed from the mechanical transmission perspective. Motor is taken by horizontal layout,the capacity of cutting motor adjustment range of 200 - 300KW,through change the motor′s capacity, achieve a multi-type aircraft, to exploit coal mining face of contain mining and other flaky tonstein comprehensive mechanization, high reliability, advanced performance. Shearer Rocker work torque shaft driven by the energy transfer programs, the second shaft is well balanced ,the third shaft and the fourth shaft are constitute variable speed of pinion,the end is four planetary reducer to reduce speed.The cooling spray devices by the main valve, valve and piping sub-components for the electrical, electronic control box shearer cooling water and the internal and external spray dust.It’s designed to address the thin seam mining mechanization combine the edeal model,the use of advanced control technology to achieve it’s unique functions,it is the ideal replcement models of thinner seam shearer !Keywords shearer ratio Rocker transition systemepicyclic mechanism目录摘要 (I)Abstract .............................................................................................................. I I 第1章绪论. (1)1.1 前言 (1)1.2 选题背景 (1)1.3 研究目的和意义 (1)1.4 国内外发展情况 (2)1.4.1 采煤机在我国的使用情况 (2)1.4.2 采煤机在国外的发展和使用 (4)1.5 总体方案的确定 (6)1.6 本文的主要内容 (7)第2章主参数的设计计算 (8)第3章机械传动机构强度验算 (13)3.1 齿轮的计算载荷及齿轮和轴的材料的选用 (13)3.1.1 计算载荷 (13)3.1.2 齿轮精度的要求 (13)3.1.3 齿轮材料及热处理后所要求的齿轮硬度 (13)3.1.4 轴采用的材料 (14)3.2 齿轮几何参数计算 (14)3.2.1 圆柱齿轮几何参数计算 (14)3.2.2 圆柱齿轮接触强度验算 (40)3.2.3 圆柱齿轮齿根弯曲强度验算 (51)3.3 轴、轴承的寿命计算 (60)3.3.1 Ⅰ轴的轴承寿命计算 (60)3.3.2 Ⅱ轴的轴承承寿命计算 (62)3.3.3 Ⅲ轴的轴承承寿命计算 (65)3.3.4 Ⅳ轴的轴承承寿命计算 (68)3.3.5 Ⅴ轴的轴承承寿命计算 (71)3.3.6 Ⅵ轴的轴承承寿命计算 (73)3.3.7 太阳轮轴的轴承寿命计算 (75)3.3.8 行星轮心轴的轴承寿命计算 (77)3.3.9 行星架心轴的轴承寿命计算 (78)第4章冷却喷雾系统 (81)4.1 主要组成 (81)4.2 工作原理 (81)4.3 主要元件 (81)结论 (83)致谢 (84)参考文献 (85)附录1 (87)附录2 (91)第1章绪论1.1前言MG300/701-WD型电牵引采煤机是在广泛吸收国内外现有电牵引采煤机先进技术的基础上，针对我国目前煤机市场最新变化和需求而开发研制的，它具有电机横摆、结构先进、运行可靠、爬坡能力强等特点。
薄煤层采煤机摇臂行星齿轮机构优化与分析蒲新征
Optimization and Analysis of Planetary Gear Mechanism of Rocker
Arm for Low-seam Shearer
PU Xin-zheng
（Jiangsu Architeclural Institute, Xuzhou 221116， China）
设计变量选取 X＝［za，b，m，C］，利用序列二次规 划法对数学模型进行非线性求解优化，最终优化设
Vol.34No.01
薄煤层采煤机摇臂行星齿轮机构优化与分析— ——蒲新征
第 34 卷第 01 期
（1）齿轮强度约束
在采煤机摇臂行星齿轮机构设计中，通常考虑
太阳轮和行星轮之间的齿轮弯曲强度和接触强度，
传统设计理论中行星轮与内齿圈的弯曲应力
σF=
2.2×103KATKVYF m2bzaC
≤［σF］
接触应力
采煤机摇臂行星齿轮机构的优化与设计主要 包括优化数学模型建立与求解、参数化模型建立以 及仿真分析等，设计流程如图 1 所示。
行 星 机 构
机械设计 及理论
数 学 模 型
Matlab
优 化 结 果
三 Pro/E 维
模 型
ANSYS
有 限 元 分 析
修改
4 2
3 Z1
1
Z2
Z3
图 2 行星齿轮机构组成
1. 太阳轮 2. 行星轮 3. 系杆 4. 内齿圈
design the planetary gear mechanism of rocker arm in this paper. Design scheme of planetary gear
mechanism of rocker arm for low -seam shearer is improved. Designing efficiency and reliability of
采煤机摇臂毕业设计
1.4
本章为论文的绪论部分，主要是对设计题目的分析,重点介绍了采煤机的分类、组成、工作原理、进刀方式、发展及趋势。
2
2.1 MG160/390-WD
MG160/390-WD 无链电牵引采煤机，装机总功率390KW，截割功率 2 160KW，牵引功率2 30KW。MG160/3900-WD无链电牵引采煤机，采用多电机驱动横向布置形式，截割摇臂用销轴与牵引部联接，左、右牵引部及中间箱，采用高强度液压螺栓联接。在牵引减速箱内横向装有开关磁阻电机，通过牵引机构为采煤机牵引力，中间控制箱装有调高油缸，电控、变压器、水阀，每个主要部件可以从老塘侧抽出，易维修，易更换。
在设计过程中，重点完成了对减速器传动方案的确定和相关组件的计算和设计。首先，完成了对摇臂减速器的传动比分配，转速及传递功率的计算，其次，完成了采煤机摇臂壳体内一轴、二轴、三轴、四轴、五轴和各轴传动齿轮的设计及校核，简单介绍了行星轮系的装配关系确定和强度校核。再次，完成了轴承和联接花键的选择及校核。最后，对采煤机摇臂进行了三维建模。
1.2
1.2.1
采煤机有不同的分类方法：按工作机构形式可分为滚筒式、钻削式和链式采煤机；按牵引方式可分为链牵引和无链牵引采煤机；按牵引部位置可分为内牵引和外牵引；按牵引部动力可分为机械牵引、液压牵引与电牵引；按工作机构位置可分为额面式与侧面式；还可以按层厚和倾角来分类。现在我们所说的采煤机主要是指滚筒采煤机，这种采煤机适用范围广，可靠性高，效率高，所以现在使用很广泛。
煤矿机械装备结构优化设计
煤矿机械装备结构优化设计摘要：社会的进步不只是依靠某一个行业而发展的，除了再生资源还有不可再生资源。
近几年来，关于煤矿的开采也是得到了社会各界的关注，对于煤矿机械装备结构的优化已经成了煤矿开采中的重要因素，本文就主要对在大型矿井中应该怎样选择煤矿机械和机械的应用做出了简单的分析，并阐述了我国在煤矿机械装备机构上应该怎样进行优化提出一些相关的建议。
关键词：煤矿机械；加工技术；结构设计；数据采集在煤矿开采中，机械的质量和安全会直接关乎到企业的经济效益以及它在市场上的竞争力，包括它的地位。
在进行煤矿机械装备结构设计时，一定要先从它的结构开始，对机械的各个部件进行合理的设计和组装。
如今对于煤矿机械设备的要求越来越高，因此，在设计时，一定要实时的进行改进，而这也是机械装备设计者的工作方向。
一、矿井对煤矿机械装备的要求从目前来看，煤矿的产量直接和机械装备结构有着密切的练习，设备的性能越好，那么它使用的时间就会越长，而可操作性也更方便。
煤矿机械装备在功能上，一定要确保它是准确无误的，特别是要保证它的寿命时长。
根据煤矿的不同特点，机械应该向大型机械发展，用更加精准的数据来解决更多的问题，可以利用电脑进行操控，让整个机械能够被实时关注，让它的状态能够达到最安全，而传回的数据也更加的准确。
二、煤矿机械装备结构设计的现状现阶段与国外的大多发达国家相比，我国在煤矿机械装备的制造以及管理上还存在很大的差距。
国外的发达国家对煤矿机械装备进行管理时通常都是采用计算机技术进行管理，其生产的模式以及管理的体制也都发展的较为成熟了，而在我国对于煤矿机械装备的管理工作仍然处于一个经验管理的阶段。
同样的在对煤矿机械装备的结构设计过程中，国外的发达国家都是采用CAD 和 CAM 等计算机技术对其进行结构设计，而在我国却很少有企业采用这种计算机技术进行设计。
另外，在对煤矿机械装备的制造环节上，国外的发达国家基本上都是应用微细加工技术以及超精密加工技术，超精密加工技术的精度能够达到 1 nm，而微细加工技术的精度也能够达到 1 nm，甚至是达到1 μm，这类精密的程度要远远的领先于我国。
采煤机摇臂行星部分可靠性分析与对策
八
‘
a =日， 尸二声+肠刀a /
特点， 井选用合理的假定 ， 其荷载效应进行
分 析 。
a , # 为原极值I 型分布的两个容放。 3 结语 本文推荐 了三种不同的荷载效应的统计 法， 在实际应用中. 可以针对桥梁、道路以 及建筑结构等不同清况， 结合工程结构的具体
北京: 人民交通出版社, 1990 . [31 羞志清 桥梁苟载效应统计参数的动态摄 取方法U l 太原理工大学学报. Vol . 37 ,
No . 6 . No v . 2006, 627- 628
参考文麟 [1] 杨虎， 刘琼荪.数理统# '[m ]。北京:高4 教育出版社,2004 . [2) 林忠民.工程结构可盆性设计与沽I} IMI.
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定的措旅。
4 原因 分析与对策
在采煤机的实际应用中， 摇竹行星部分及 滚筒的螺检固定措施执行到位， 但右摇有行星 部分及滚筒还会时常出现:漏油现象和滚筒固 定松动以致掉滚筒现象。影响采煤机的正常 运转， 减少采煤机摇臂的使用寿命。据不完 全统计采煤机行星部分的事故已占到采媒机 事故的30Y 左右， . 行星部分可靠运行已成为采 煤机可命性提高的制约因素. 造成行星部分的事故是由各部间固定失 效引起的。齿圈与摇臂壳之间固定失效 ， 造 成齿圈内各行星轮系间啮合不良和各部分间 密封间隙加大， 以致密封失效;行星架与方法 兰压盘之间固定失效将直接引起滑动密封处 的间隙加大以致密封失效: 方法兰与滚筒上方 法兰联结板之间螺栓固定失效会引起滚筒松 动， 以致严重时会出切螺栓以及掉滚筒现象. 行星部分各部间联接结构的可靠性 是采 煤机右旋行星部分的困难所在。左摇臂左旋 行星部分及滚筒部分逆时针旋转， 而各部间采 用正扣螺纹结构， 在行星部分逆时针旋转起动 时. 各部间的螺栓因惯性作用而自锁， 因此左 行星部分要比右行星部分可靠性高的多。所 以 采煤乡 L右旋行星部分的各部间固定可采用 反扣的固定形式和结构， 当右旋行星头及滚筒 顺时针旋转时， 使各部固定螺拴因转动惯性而 自锁， 以防止各部联接失效， 从而进一步加强 了行星部分可靠性。症结找到和防范抬施落 实后， 通过实践， 在显德汪矿以上问题已经得
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采煤机是机械化采煤的主要设备[1] ,而摇臂传 动系统是采煤机截割煤岩过程中重要的动力传递
部件,并且受到越来越多的学者关注。 赵丽娟[2] 采 用虚拟样机技术对采煤机截割部进行了动力学仿
收稿日期:2015-07-31 责任编辑:许书阁 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973) 资助项目(2014CB046303) ;国家自然科学基金资助项目(51405072) 作者简介:张义民(1958—) ,男,吉林长春人,教授,博士。 Tel:024-83673818,E-mail:hjneu2007@ qq. com
(5)
式中,X 为系统基本随机变量向量,X =(x1,x2,…,xn)T。
则系统疲劳寿命的极限状态函数 g(X)为
g(X) = N(X) - N0
(6)
式中,N0 为系统要求达到的寿命,即给定寿命值。
2 采煤机摇臂传动系统可靠性及可靠性灵敏 度分析
机械产品的可靠性是衡量产品质量的一个重要
指标,也是研究机械产品在各种外界因素和内在因素
其中质量矩阵 M 包括转子质量和齿轮质量,阻尼矩
阵 D 包括黏性阻尼、轴承阻尼和陀螺力矩,刚度矩阵
K 包括转子刚度、啮合刚度和轴承刚度;u 为系统广
义坐标(节点位移向量);Fu 为外激励向量。 质量矩阵和刚度矩阵的具体形式见文献[6 -8] 。
β
=
π( ωn2 ξ2 - ωn1 ξ1 ) ωn1 ωn2 15( ω2n2 - ω2n1 )
采煤机摇臂传动系统可靠性稳健优化设计
张义民,黄 婧,朱丽莎,王 婷
( 东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819)
摘 要:采煤机摇臂传动系统为采煤机的关键动力传递部件。 以 MG300 / 700-WD 型采煤机摇臂传 动系统为研究对象,根据实际工况建立了系统的有限元模型,利用 Matlab 软件对传动系统进行了 非线性动力学特性分析,得到了系统危险部位的应力谱。 在此基础上对摇臂传动系统进行了疲劳 分析,建立了摇臂传动系统疲劳寿命可靠性模型。 依据可靠性理论,采用四阶矩法对摇臂传动系统 进行可靠性及可靠性灵敏度分析,分析了系统结构参数对系统可靠性的影响程度。 对于摇臂传动 系统疲劳寿命敏感的结构参数,进行了可靠性稳健优化设计,与单目标优化方法进行对比,并针对 优化结果使用蒙特卡洛模拟的方法对可靠性进行了验证。 结果表明,对采煤机摇臂传动系统进行 可靠性稳健优化设计是一种实用、有效的方法。 关键词:采煤机;传动系统;可靠性;稳健优化设计;摇臂 中图分类号:TD421． 6 文献标志码:A 文章编号:0253-9993(2015)11-2540-06
Reliability-based robust optimization design of the transmission system of a shearer ranging arm
ZHANG Yi-min,HUANG Jing,ZHU Li-sha,WANG Ting
( School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang 110819,China)
阻尼项 Cs,其表达式如下:
Cs = αM + βK
α
=
π( ωn2 ξ1 - ωn1 ξ2 ) ωn1 ωn2 15( ω2n2 - ω2n1 )
滚筒端承受的载荷为随机波动载荷。 考虑 MG300 /
(2) 700-WD 型采煤机截割中硬煤层(坚固性系数 f = 1． 6)
的工况,结合实验测试数据和破煤理论[9] 相关知识计 (3)
机载荷作用下可计算得出传动系统危险部位( 集中
体现在第 1 级高速齿轮传动区和行星减速传动区
域)的应力谱,从而根据齿轮的 S-N 曲线得到齿轮的
疲劳寿命,通过使用 BP 神经网络对拉丁超立方实验
得到的样本进行训练可得到传动系统寿命 N 关于结
构参数的函数:
N( X) = f( x1 ,x2 ,…,xn)
随着可靠性理论与优化设计思想的结合,大部分 文献从将“齿轮体积最小化” 作为设计目标进行优化 发展到采用可靠性理论与多目标优化相结合的方式 对齿轮箱进行优化设计。 如秦大同[4] 等基于动力学 和可靠性对风力发电齿轮传动系统的参数进行了优 化设计;Tripathi[5] 等综合考虑箱体体积及其表面疲 劳寿命系数对齿轮箱进行了多目标优化。 而采煤机 摇臂传动系统结构复杂,通常由多级直齿轮减速和行 星齿轮减速组成,且工况十分复杂,很少有学者对其 进行动态可靠性稳健优化设计。
作用下的安全问题。 可靠性指标定义为
β = μg = E[g(X)]
(7)
σg Var[g(X)]
如果基本随机变量向量 X 服从正态分布,用失
败点处状态表面的切平面近似地模拟极限状态表面,
可以获得可靠度的一阶估计量:
R = Φ(β)
Hale Waihona Puke (8)式中,Φ( ) 为标准正态分布函数。
机械系统的可靠度对基本随机参数向量 X 的均
本文以 MG300 / 700-WD 型采煤机摇臂传动系统 为研究对象,建立系统的动力学模型,并通过实测数
据和破煤理论得到传动系统输出端的随机波动载荷, 对该传动系统进行动力学特性分析获取危险部位的 应力谱,进而对危险部位进行疲劳分析,建立疲劳寿 命的可靠性模型。 采用摄动法对系统进行可靠性及 可靠性灵敏度分析,分析系统结构参数对于传动系统 疲劳寿命的影响程度。 最后,对于结构参数中的敏感 参数进行了动态可靠性稳健优化设计。 研究结果表 明,通过优化后的传动系统相比优化前,不仅齿轮体 积成本降低了,且工作更加稳定可靠。
(4)
式中,ωn1 和 ωn2 分别为第 1 阶和第 2 阶临界转速,
r / min;ξ1 和 ξ2 分别为对应的第 1 和第 2 阶模态阻尼
比。
1． 2 采煤机摇臂传动系统疲劳寿命可靠性模型
连续采煤机在截割过程中,是小块碎屑崩落与大
块煤屑从煤体上崩落不间断的交替过程,各煤块单元
采用瑞利阻尼形式来确定总阻尼矩阵中的黏性 连续随机的崩落,引起截齿载荷的随机波动,从而导致
算出传动系统行星架端的随机载荷(图 2)。
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煤 炭 学 报
2015 年第 40 卷
图 2 行星架端随机载荷随时间变化曲线
Fig． 2 Random load of the planet carrier changing
with time curve
根据 1． 1 节中建立的系统有限元模型,在上述随
1 采煤机摇臂传动系统可靠性模型
1． 1 采煤机摇臂传动系统有限元模型 以 MG300 / 700 - WD 型 采 煤 机 的 摇 臂 传 动 系
统(图 1)为研究对象,该传动系统由一个 3 级直齿轮 减速系统和一级行星减速系统组成。 利用转子系统 有限元模型[6] 、齿轮的集中质量模型[7] 和行星轮系 的动力学模型[8] 相结合,建立整个摇臂传动系统的 数学模型。
第 40 卷第 11 期 2015 年 11 月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol. 40 No. 11 Nov. 2015
张义民,黄 婧,朱丽莎,等. 采煤机摇臂传动系统可靠性稳健优化设计[ J] . 煤炭学报,2015,40(11) :2540-2545. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2015. 7031 Zhang Yimin,Huang Jing,Zhu Lisha,et al. Reliability-based robust optimization design of the transmission system of a shearer ranging arm [ J] . Journal of China Coal Society,2015,40(11) :2540-2545. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2015. 7031
第 11 期
张义民等:采煤机摇臂传动系统可靠性稳健优化设计
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真研究。 王想等[3] 根据采煤机截割部本身存在的 缺陷和使用的不便性对其结构进行了改进。 由于 采煤机的工作环境恶劣,摇臂传动系统常常会因为 过载或振动而损坏。 因此,对采煤机摇臂传动系统 进行可靠性稳健优化设计以改善其工作可靠性是 十分必要的。
Abstract:The transmission system of a shearer ranging arm is a key dynamic transmission component of the whole machine. Taking a ranging arm transmission system of the MG300 / 700-WD type shearer as a research target,a finite element analysis model of the transmission system was built according to the actual working conditions. Using the nonlinear dynamic analysis in Matlab software,the stresses of the weak parts of the transmission system at different times were obtained. Then the fatigue life reliability model was established with the fatigue damage analysis of the transmission system. Based on the reliability model and theory,the influences of design variables on the reliability of the system were analyzed by the reliability and reliability sensitivity analysis of the system using the forth moment method. Finally,the reliability-based robust optimization design of the sensitive design variables was achieved,and the results were verified by Monte Carlo method and compared with that of single objective optimization method. The results show that the reliability-based robust optimization design of the transmission system of a shearer ranging arm is practical and effective. Key words:shearer;transmission system;reliability;robust optimization;ranging arm