硕士学位论文采煤机摇臂传动系统动力学及传感器优化布置研究作者张业林导师程刚教授中国矿业大学二四年四月万方数据万方数据中图分类号学校代码.密级公开中国矿业大学硕士学位论文采煤机摇臂传动系统动力学及传感器优化布置研究作者张业林导师程刚教授申请学位工学硕士培养单位机电工程学院学科专业机械设计及理论研究方向动力学建模及优化答辩委员会主席评阅人二四年四月万方数据学位论文使用授权声明本人完全了解中国矿业大学有关保留使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理作为申请学位的条件之，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书。作者签名导师签名年月日年月日万方数据万方数据学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文采煤机摇臂传动系统动力学及传感器优化布置研究，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名年月日万方数据万方数据论文审阅认定书研究生张业林在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格在我的指导下完成本学位论文，经审阅，论文中的观点数据表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字年月日万方数据万方数据致谢本论文是在我的导师程刚教授的悉心指导下完成的，倾注了导师大量心血，导师的指导鼓励及资金上的大力支持，以及生活上的关心与帮助，本论文才得以顺利完成。在此，谨向我的导师致以最崇高的敬意和最深切的谢意！师从三载，收获颇丰，感触亦深。导师优秀的做人品质，严谨的治学态度，开拓创新的精神，敏捷果断的判断力，高屋建瓴把握全局的能力，忘我的工作精神给学生树立起潜移默化的典范作用，这也是导师传授给学生最宝贵的财富。本论文由国家高技术发展计划计划项目编号“高速高可靠性电牵引采煤机研制”资助，特此感谢。在本论文的完成过程中，还得到了已毕业师兄师姐徐鹏成钰龙张帅邱冰静以及课题组硕士生陈曦晖宋耀文袁欣等同学的热心无私的帮助，在此向他们表示衷心的感谢。课题组在导师的带领下共同营造出温馨活泼严谨进取创新的学术氛围，使我在研究过程中受益良多。在此向他们表示衷心的感谢和良好的祝愿!特别感谢这些年来在我学习生涯中给予教导关心和帮助的老师和同学。值此论文完成之时，对本人学业默默支持的父母家人，以及其他所有的亲人和朋友们，表示深深的敬意和最衷心的感谢！最后，感谢各位专家学者百忙之中对本文的评阅和指正。万方数据万方数据摘要煤炭是我国的主体能源，在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。采煤机作为现代化矿井安全高效生产的主要机械设备，正受到越来越多的关注。其中，摇臂作为采煤机最容易产生故障的部位，其所处的截割部消耗的功率却占整个采煤机功率的，因此，摇臂故障能否准确诊断将直接影响采煤机的生产率传动效率能耗和使用寿命。对设备的振动信号的测试和分析是种主要的状态监测和故障诊断手段，所以开展系统振动和故障齿轮对齿轮系统动态特性影响的研究有助于采用更可靠更有效的状态监控和故障诊断方法。要对采煤机摇臂进行准确的在线监测和故障诊断，选择适当的传感器监测点和传感器个数是必不可少的环节，对摇臂的动力学研究是找到恰当传感器监测点和传感器数量的理论基础。优化的传感器布置能够以最低的成本提供最有价值的信息，是提高状态检测和故障诊断系统性能的物质基础。齿轮故障可以通过齿轮啮合动力学参数表现出来，特别地，齿轮啮合刚度和轮齿啮合力对齿轮系统的故障比较敏感，所以研究齿轮动力学啮合参数是对齿轮系统进行精准故障诊断的基础。基于材料力学原理和能量原理建立了求解齿轮时变啮合刚度的理论模型，近步建立了具有非等齿宽裂纹的齿轮时变啮合刚度理论模型模型。通过数值仿真，求解了摇臂齿轮在啮合过程的时变啮合刚度通过对不同程度裂纹齿轮的刚度计算，得出随着裂纹的扩展，齿轮的刚度随着变小的结论。基于摇臂齿轮高速区是齿轮故障高发区，建立高速区齿轮自由度动力学模型，基于此模型研究了高速区齿轮动态特性冲击载荷对齿轮动态特性的影响，以及不同裂纹损伤程度对系统动态特性的影响，结果表明齿轮系统的损伤存在可通过时域信号分析诊断。分析了行星轮系中的典型损伤模式对系统振动特性的影响，损伤引起了信号的周期性变化，且冲击成分明显频域信号中信号的频率样，与正常齿轮的频域信号相比，损伤齿轮的频域信号的啮合频率周围出现较多的边频带，并且不同的损伤形式的边频带幅值有所差别。齿轮的啮合激励通过齿轮轴和轴承传递到壳体上的频率以齿轮的啮合频率以及其倍频为主。从理论模型得到的仿真信号不含噪声和外界扰动，从理论层面的分析为更深刻地理解和把握典型损伤对于齿轮系振动特性的影响提供了依据，为进步研究特征提取方法损伤检测退化状态评估和剩余使用寿命预测奠定了基础。为了对摇臂振动传感器优化布置，在摇臂动力学研究基础之上，基于板壳功率流理论，采用有限元方法求出了摇臂壳体在内部载荷激励下，壳体上功率流的万方数据分布，基于功率流研究，划分出振动传感器可布置区域，分析结果表明，摇臂振动传感器的最佳布置区域为靠近轴承座附近的区域。在功率流研究基础之上，阐述了传感器优化布置的准则，模态应变能准则有利于参数识别，与遗传算法相比，粒子群优化算法具有算法的模拟过程简单且容易实现的特点。基于模态置信准则建立了摇臂传感器优化布置的适应度函数，采用粒子群优化算法对采煤机摇臂的传感器优化布置方案进行了优化计算，最后得到了摇臂传感器优化布置策略。该论文有图幅表个参考文献篇。关键词齿轮时变啮合刚度摇臂动力学功率流粒子群优化算法传感器优化布置万方数据,.,.,.,.,.,万方数据.,万方数据目录摘要目录图清单.表清单变量注释表绪论课题来源及研究目的与意义.国内外研究现状主要研究内容.齿轮啮合基本动力学参数计算利用能量方法计算齿轮啮合刚度.具有裂纹的齿轮单齿啮合刚度研究.齿轮啮合刚度计算采煤机摇臂齿轮传动啮合刚度数值模拟本章小结.齿轮传动系统动力学研究摇臂定轴减速箱动力学模型的建立.摇臂齿轮副啮合耦合动力学模型.载荷变化对系统动力学的影响研究.裂纹扩展机理研究行星轮动力学分析本章小结.基于功率流的传感器优化布置振动功率流介绍板壳结构振动有限元功率流法.摇臂壳体有限元功率流计算仿真.本章小结.基于粒子群优化算法的摇臂传感器优化布置万方数据.摇臂传感器优化的数学模型.传感器优化布置准则及优化计算方法摇臂传感器优化布置本章小结.结论与展望.结论.展望参考文献.作者简历.学位论文原创性声明学位论文数据集万方数据.万方数据万方数据图清单图序号图名称页码图采煤机摇臂传动系统图齿轮刚度计算方法图材料力学方法计算齿轮啮合刚度模型图论文结构及主要研究内容图齿轮的应变能计算图能量法求齿轮刚度图齿根圆角的柔性变形图等齿宽长度裂纹刚度模型图非等齿宽长裂纹模型图沿啮合线方向的单双齿啮合区图采煤机摇臂定轴减速箱传动简图图齿轮的弯曲变形刚度.齿轮弯曲刚度，.齿轮弯曲刚度.,.图齿轮的剪切变形刚度.齿轮剪切刚度，.齿轮剪切刚度.,.图齿轮的轴向压缩刚度.齿轮轴向压缩刚度，.齿轮轴向压缩刚度.,.图单齿刚度图单齿综合刚度万方数据图单双齿综合啮合刚度图正常齿轮与不同裂纹齿轮刚度比较图齿轮副纯扭转动力学模型图自由度齿轮系统动力学模型图系统无损伤齿轮时域信号及其频谱图图箱体上激励及其频谱图图齿轮的负载变化图瞬时冲击负载对齿轮箱振动的影响图受冲击载荷影响的振动信号频谱图与正常载荷频谱图放大对比图.正常情况下的频谱.受冲击载荷影响的频谱.,.图裂纹振动信号及其频谱图裂纹振动信号及其频谱图裂纹振动信号及其频谱图齿轮信号时域分析号为正常齿轮.图型采煤机摇臂的行星轮系传动简图图弯扭耦合非线性动力学模型图太阳轮与行星轮的相对位移分析图行星轮系外内齿轮啮合副刚度变化规律图典型损伤齿轮的啮合刚度图正常齿轮时域信号及其频谱图万方数据图裂纹齿轮时域信号及其频谱图.时域响应，.频域响应.,.图点蚀齿轮时域信号及其频谱图.时域响应，.频域响应.,.图缺齿齿轮时域信号及其频谱图.时域响应，.频域响应.,.图胶合齿轮时域信号及其频谱图.时域响应，.频域响应.,.图板壳结构功率流示意图图板壳结构横向振动单元应力图板壳结构纵向振动单元应力图有限元方法论图有限元方法的力学发展图有限元方法的数学转化图用折板代替壳体图板壳单元的划分图单元输出应力图摇臂壳体有限元模型图摇臂加载图摇臂幅值云图图摇臂功率流传递矢量图图摇臂壳体有限元模型万方数据图摇臂前阶振型图摇臂壳体上传感器监测点的初步选择图粒子群优化算法步骤图不同传感器数量的适应度值万方数据表清单表序号表名称页码表多项式的系数，的取值表采煤机摇臂齿轮参数表裂纹参数表齿轮主要结构参数表行星轮系主要结构参数表摇臂前阶固有频率和振型表监测点的前阶总位移模态表监测点的前阶向位移模态表监测点的前阶向位移模态表监测点的前阶向位移模态表摇臂传感器数量与适应度值万方数据万方数据变量注释表νε齿轮受到的载荷轮齿的压缩变形能弯曲变形能和剪切变形能外力做功材料的弹性模量截面面积齿轮的压缩刚度,弯曲刚度和剪切刚度齿轮剪切变形量泊松比的截面惯性矩的截面面积齿轮宽度齿根厚度所对应的圆心角齿轮刀具半径系数啮合点的接触变形裂纹底部与轮齿中心线的距离裂纹开口处与轮齿中心线的距离裂纹的长度裂纹与轮齿中心线的夹角轮齿的弯曲刚度剪切刚度和轴向压缩刚度的总刚度裂纹参数表达式齿轮的等效刚度齿轮任意点的刚度齿轮的法向齿距齿轮啮合重合度第个啮合点的综合啮合刚度齿轮综合啮合刚度齿轮的转动惯量齿轮的角位移第根轴的扭转刚度阻尼齿轮副啮合力齿轮副啮合刚度阻尼齿轮的质量位移矩阵载荷矩阵转矩转动惯量角位移齿轮的基圆半径万方数据,,ξξ,,,,齿轮间的啮合力齿轮弹性啮合力和粘性啮合力齿轮啮合时变刚度齿轮啮合阻尼由综合传递误差引起的位移激励箱体的支撑刚度和支撑阻尼轴承内圈载荷轴承内圈轴承滚子和轴承外圈的变形齿轮材料的阻尼比阻尼系数行星架转化到啮合线上的等价位移第个行星轮相对于的初始角基圆半径行星架的当量半径太阳轮与行星轮内齿圈与行星轮轮齿间的综合啮合误差啮合频率齿