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大功率采煤机截割部振动特性与传动系统结构优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

煤炭作为我国重要的基础能源，在能源结构中占据着举足轻重的地位。随着煤炭需求的不断增长以及煤炭开采技术的持续进步，大功率采煤机已成为现代化煤炭开采的关键设备，其性能的优劣直接关系到煤炭开采的效率、安全性以及经济效益。在大功率采煤机的众多组成部分中，截割部承担着直接截割煤岩的重要任务，是采煤机的核心工作部件。然而，在实际工作过程中，截割部不可避免地会受到来自煤岩的复杂多变的载荷作用，这些载荷具有明显的冲击性、非线性及时变性等特征。由此引发的截割部振动问题十分突出，不仅会导致截割效率下降，增加截齿的磨损与消耗，还可能引发截割部各零部件的疲劳损坏，严重影响采煤机的可靠性与使用寿命。同时，截割部的振动还会通过机身传递到其他部件，对整个采煤机系统的稳定性和安全性造成威胁，甚至可能引发井下安全生产事故。

传动系统作为采煤机截割部的关键组成部分，负责将电机的动力高效、稳定地传递到截割滚筒，以实现煤岩的有效截割。其结构的合理性与性能的优劣，对采煤机的整体性能有着至关重要的影响。不合理的传动系统结构，不仅会导致传动效率降低，增加能量损耗，还可能引发传动部件的振动、噪声以及过热等问题，进一步加剧零部件的磨损和损坏，缩短设备的维护周期和使用寿命。此外，传动系统在运行过程中还需承受来自截割部的冲击载荷和交变应力，这对其结构强度和可靠性提出了更高的要求。若传动系统结构设计不合理，在长期的复杂工况下运行，极易出现故障，进而影响采煤机的正常工作，给煤炭生产带来巨大的经济损失。

综上所述，深入研究大功率采煤机截割部的振动特性，并对传动系统结构进行优化，具有极为重要的现实意义。通过对截割部振动特性的研究，可以揭示振动产生的机理和规律，为采取有效的减振措施提供理论依据，从而降低振动对采煤机的不良影响，提高截割效率和工作可靠性。而对传动系统结构的优化，则能够提高传动效率，降低能量损耗，增强传动部件的强度和可靠性，减少故障发生的概率，延长设备的使用寿命，最终实现煤炭的高效、安全、可持续开采。

1.2国内外研究现状

在采煤机截割部振动特性研究方面，国外起步相对较早，取得了一系列具有重要价值的成果。一些学者运用先进的动力学分析方法，对截割部在不同工况下的振动响应进行了深入研究，建立了较为完善的动力学模型，能够较为准确地预测振动特性。例如，[国外学者姓名1]通过对截割过程中煤岩与截齿的相互作用进行细致分析，考虑了截齿的磨损、截割速度的变化以及煤岩性质的差异等多种因素，建立了包含这些因素的动力学模型，通过数值模拟和实验验证，该模型能够较好地反映截割部在复杂工况下的振动情况，为后续的研究提供了重要的参考。在实验研究方面，国外研发了多种高精度的振动测试设备和先进的测试技术，能够实时、准确地获取截割部的振动参数，为理论研究和模型验证提供了可靠的数据支持。如[国外学者姓名2]利用先进的多通道振动传感器和高速数据采集系统，对采煤机截割部在实际工作中的振动信号进行了全方位的采集和分析，通过对大量实验数据的处理和研究，深入揭示了振动信号的特征和规律，为振动控制技术的发展奠定了坚实的基础。

国内学者在采煤机截割部振动特性研究领域也取得了显著的进展。一方面，在理论研究上，结合国内煤炭开采的实际工况和地质条件，对截割部的振动机理进行了深入剖析，提出了许多具有创新性的理论和方法。例如，[国内学者姓名1]针对我国煤矿中常见的复杂煤层赋存条件，考虑了煤层中的夹矸、断层等地质构造对截割过程的影响，建立了更加符合实际情况的振动模型，通过理论分析和数值计算，揭示了这些地质因素对截割部振动的影响规律，为采煤机在复杂地质条件下的高效稳定运行提供了理论指导。另一方面，在实验研究方面，国内不断加大对实验设备和技术的投入，建立了多个先进的采煤机实验平台，能够模拟各种实际工况进行实验研究。[国内学者姓名2]依托自主研发的大型采煤机实验平台，开展了大量的截割实验，通过对实验数据的深入分析，验证了理论模型的正确性，并提出了一系列有效的减振措施，如优化截齿排列方式、改进截割工艺等，在实际应用中取得了良好的效果。

在采煤机传动系统结构优化方面，国外主要侧重于运用先进的优化算法和多物理场耦合分析技术，对传动系统的结构参数进行优化设计。例如，[国外学者姓名3]采用遗传算法对行星齿轮传动系统的结构参数进行优化，以提高传动效率和降低振动噪声为目标，通过多次迭代计算，得到了一组最优的结构参数，实验结果表明，优化后的传动系统在传动效率和振动噪声方面都有了显著的改善。同时，国外还注重对新型传动材料和制造工艺的研究，以提高传动部件的强度和耐磨性，延长传动系统的使用寿命。如采用新型的高强度合金钢材料制造齿轮，并结合先进的表面处理工艺，使