主动激振式辅助截割实验台力学特性及实验研究.pdf

全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 主动激振式辅助截割实验台力学特性及实验研究 Research on Mechanical Properties and Experimental of Active Excitation Auxiliary Cutting Experimental Table 作者姓名 王鹏飞 导师姓名 谢苗 教授 学科专业 机械工程 研究方向 机械设计及理论 完成日期 2020 年 6 月 15 日 辽宁工程技术大学 Liaoning Technical University 万方数据 学位论文书脊样式学位论文书脊样式 主 动 激 振 式 辅 助 截 割 实 验 台 力 学 特 性 及 实 验 研 究 王 鹏 飞 辽 宁 工 程 技 术 大 学 万方数据 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 有关保留、 使用学位论文的规定，同意 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议。 学位论文作者签名____________ 导师签名_____________ 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD421 学校代码 10147 UDC 621 密 级 公 开 辽宁工程技术大学 全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 主动激振式辅助截割实验台力学特性及实验研究 Research on Mechanical Properties and Experimental of Active Excitation Auxiliary Cutting Experimental Table 作者姓名 王鹏飞 学 号 471720051 导师姓名 谢 苗（教授） 副导师姓名 毛 君（教授） 申请学位 工学硕士 培养单位 机械工程学院 学科专业 机械工程 研究方向 机械设计及理论 二○二○年六月 万方数据 致致 谢谢 不知不觉间，硕士研究生的学习接近尾声，回想三年来的学习生活，感触良多。因为 是保送本校的研究生，我在母校学习了将近七年，首先要感谢我的导师谢苗教授，她不仅 是我研究生期间的导师，也是我本科四年的班主任，导师早早的把我带进了她的科研项目 组，为我提供了良好的科研平台和学习环境。读研三年，有幸得到导师谢苗教授及副导师 毛君教授的悉心指导和无私帮助，给予我极大的鼓励和充分的信任，让我有足够的成长空 间。从师七载，谢老师渊博的学识功底、严谨的治学态度、精益求精的工作作风以及诲人 不倦的高尚师德一直深深地感染和激励着我。值此论文完成之际，特向谢老师和毛老师表 达最衷心的感谢和最崇高的敬意祝愿二位导师身体健康、工作顺利 感谢项目组刘治翔博士、李晓婧博士、李玉岐博士在论文写作上的指导，在实验处理 上的无私帮助。感谢我的舍友们，有了他们的热心的帮助使我在学习和生活上不断进步。 感谢项目组的张保国硕士，张云升硕士，田博硕士，张鸿宇硕士，董钰峰硕士等师弟师妹 们在研究生的学习和论文撰写中， 给予了我很多支持和帮助， 祝你们前程似锦， 万事如意。 感谢在我论文和研究中引用到的其他学术论著及研究成果的学术前辈，正是他们在相 关专业领域里杰出而又卓有成效的研究成就，给予了我很大的帮助与启发。 论文在撰写过程中得到国家自然科学基金面上项目“迈步行走主动激振式掘支一体机 截割载荷特性及其优化控制研究” （基金号51874158）的大力支持，在此表达感谢。 此外还要衷心的感谢多年来对我无私付出的父母及家人，感谢他们无微不至的关心、 付出和鼓励它鼓舞着我向人生的目标奋勇前行，这种巨大的力量支撑着我的每一步。 最后，对培养我的母校表示深深的谢意和崇高的敬意感谢曾经教育和帮助过我的所 有老师，祝你们身体健康，工作顺利。 最后，向审阅论文和参加答辩的各位专家表示我最衷心的感谢。 万方数据 I 摘摘 要要 考虑到目前煤矿井下重采轻掘，综掘设备自身结构设计的局限性，掘进技术落后等问 题导致巷道掘进效率低下，采掘比失调，同时煤矿井下巷道综掘设备体积庞大，井下环境 复杂，设备拆解组装困难，难以在实验室条件下对其进行关键零部件力学特性分析及其截 割效率提升实验，以导师团队申请的发明专利“一种自主激振式辅助截割掘进模拟试验装 置”（申请号CN201911264271.7）为实验平台开发，以提高截割效率为出发点，分析现 有辅助截割方式，课题组提出一种新型辅助截割方法，对施加主动激振的辅助截割实验台 的力学特性进行研究，具有重要的科学意义和现实价值。本文项目研究过程中得到了国家 自然科学基金项目“迈步行走主动激振式掘支一体机截割载荷特性及其优化控制研究（基 金号51874158） ”的支持。 首先分析综掘巷道的掘进需求，针对目前掘进机截割效率低，截齿损坏严重的问题， 以提高破岩能力为前提，引入主动激振辅助截割理论，基于相似理论提出一种巷道高效掘 进实验设备及方法，对本文研究的辅助截割实验台的总体方案进行设计，前期调研分析了 实验工况，先设计并分析了实验台的组成结构，完成工作原理的验证，结合结构特点配套 完成了主动激振原理分析，结合截割路径的规划设计了 PLC 控制程序，基于相似理论建立 了主动激振实验台的相似准则，计算结构参数与运行参数，然后研究设计实验台工作原理 及控制方式，对其中的截割头、回转台、动力传动装置、激振伺服电动缸进行结构设计， 利用 ANSYS Workbench 对以上关键零部件在不同位姿下进行静力分析，判断其强度是否 达标。其次基于动力学理论研究的基础对试验台整体及关键零部件进行模态分析和动力响 应特性分析，采用模态叠加法对辅助截割实验台进行谐响应分析，分析辅助截割实验台的 关键节点的位移频率响应及应力频率响应分布情况，判断巷道环境的动力扰动能否引起掘 进设备的共振，同时截割臂对整机模态参数和工作稳定性的影响，最后通过对主动激振辅 助截割试验台的模态实验及主动激振力学实验，通过力锤敲击模态试验，获得不同位置下 机身的动力响应曲线，通过对比理论推导的动力响应参数，验证主动激振作用下截齿截割 煤岩的有效性与高效率性。 通过自主开发的实验台能够在实验室条件下对掘进机截割臂进行主动激振力学实验， 从而为选取最佳的激振辅助截割参数提供理论参考，同时也从外加激振的角度为掘进机截 割机构节能高效的工作开拓了新思路和新方法。充分利用掘进机的整体结构、工作性能和 动力特性，提出引入主动激振辅助截割的方法，对整机的切削效率、稳定性特点和使用寿 命的提升具有重要意义。 该论文有图 60 幅，表 17 个，参考文献 86 篇。 关键词关键词主动激振；相似理论；实验台力学特性；模态实验；截割实验 万方数据 II Abstract Considering the current heavy mining and light digging in coal mines, limitations of the structural design of the fully mechanized excavation equipment, backward tunneling technology and other problems lead to inefficient tunneling, mining ratio is out of balance, at the same time, the comprehensive excavation equipment of the coal mine underground roadway is huge, the downhole environment is complicated, and the equipment is difficult to disassemble and assemble. It is difficult to analyze the mechanical properties of key components and cut efficiency improvement experiments under laboratory conditions. Based on the invention patent applied by the instructor team, “a self-excited vibration-assisted cutting and excavation simulation experiment device“ application number CN201911264271.7 as the experimental plat, Taking the improvement of cutting efficiency as the starting point and analyzing the existing auxiliary cutting s, the research group proposed a new type of auxiliary cutting to study the mechanical characteristics of the auxiliary cutting experimental plat with active excitation, which has important scientific significance and Realistic value. In the research process of this article, the project was supported by the National Natural Science Foundation of China “Study on the Cutting Load Characteristics and Optimal Control of Active Excitation Excavation and Supporting Machine for Walking” Fund No. 51874158. Firstly, analyze the tunneling requirements of the comprehensive tunneling roadway, aiming at the problems of low cutting efficiency of the roadheader and serious damage to the cutting teeth, based on the premise of improving rock breaking capacity, the active excitation auxiliary cutting theory is introduced, and based on the similarity theory, a high-efficiency tunneling experiment equipment and is proposed, design the overall scheme of the auxiliary cutting experiment plat studied in this paper. The preliminary investigation and analysis of the experimental conditions, first designed and analyzed the composition of the experimental plat, complete the verification of the working principle, combined with the structural characteristics, the principle analysis of active excitation was completed, and the PLC control program was designed in conjunction with the planning of the cutting path. Based on the similarity theory, the similarity criterion of the active vibration test bench was established, and the structural parameters and operating parameters were calculated, and then study and design the working principle and control of the experimental plat, and carry out structural design and selection of the cutting head, rotary table, universal coupling and excitation servo electric cylinder. Use ANSYS Workbench to conduct static analysis on the above key components in different poses to determine 万方数据 III whether their strength meets the standard. Secondly, based on the study of dynamics theory, modal analysis and dynamic response characteristics analysis of the whole test bench and key components, adopt the modal superposition to analyze the harmonic response of the auxiliary cutting experiment table, analyze the displacement frequency response and stress frequency response distribution of key nodes of the auxiliary cutting experiment table. Determine whether the dynamic disturbance of the tunnel environment can cause the resonance of the tunneling equipment, and the impact of the cutting arm on the modal parameters and working stability of the whole machine. Finally, through the modal experiment of the active excitation auxiliary cutting test bench and the active excitation mechanics experiment, through the hammer modal test, the dynamic response curves of the fuselage at different positions are obtained, and the dynamic response parameters derived by comparing the theory, to verify the effectiveness and high efficiency of cutting coal under active excitation. The constructed test bench can per active excitation mechanical experiments and tests on the cutting machine cutting arm under limited laboratory conditions, so as to provide a theoretical reference for selecting the best excitation-assisted cutting parameters, and at the same time from external excitation This angle opens up new ideas and new s for the energy- saving and efficient work of the cutting mechanism of the roadheader. Making full use of the overall structure, working perance and dynamic characteristics of the roadheader, the introduction of an active vibration-assisted cutting is of great significance to the improvement of the cutting efficiency, stability characteristics and service life of the whole machine. Keywordsactive excitation; similarity theory ; mechanical characteristics; modal experiment； cutting experiment 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ..............................................................................................................................................I 目目 录录 ........................................................................................................................................... IV 图清单图清单 ........................................................................................................................................ VIII 表清单表清单 ......................................................................................................................................... XII 变量注释表变量注释表 ................................................................................................................................ XIII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景及来源 .................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究及应用现状 ........................................................................................................ 3 1.3 本课题的研究内容及意义 .................................................................................................. 10 1.4 研究技术路线 ...................................................................................................................... 11 2 主动激振式辅助截割实验台总体方案设计主动激振式辅助截割实验台总体方案设计......................................................................... 12 2.1 实验工况及需求分析 .......................................................................................................... 12 2.2 试验台组成结构及工作原理分析 ...................................................................................... 12 2.3 主动激振辅助截割原理分析 .............................................................................................. 13 2.4 截割路径规划 ...................................................................................................................... 16 2.5 基于 PLC 控制程序设计..................................................................................................... 17 2.6 基于相似理论的实验台参数计算 ...................................................................................... 21 2.7 本章小结 .............................................................................................................................. 25 3 实验台结构设计及静力学分析实验台结构设计及静力学分析............................................................................................. 26 3.1 整机的结构参数设计 .......................................................................................................... 26 3.2 截割头结构参数设计 .......................................................................................................... 26 3.3 回转台结构参数设计 .......................................................................................................... 29 3.4 动力传动装置结构参数设计 .............................................................................................. 33 3.5 激振伺服电动缸选型 .......................................................................................................... 36 3.6 本章小结 .............................................................................................................................. 37 4 基于有限元法的实验台动力学分析基于有限元法的实验台动力学分析..................................................................................... 38 4.1 模态分析概述 ...................................................................................................................... 38 万方数据 V 4.2 实验台动力学模态分析 ...................................................................................................... 39 4.3 动力扰动工况实验台谐响应分析 ...................................................................................... 43 4.4 本章小结 .............................................................................................................................. 47 5 主动激振式辅助截割实验台实验研究主动激振式辅助截割实验台实验研究................................................................................. 48 5.1 实验目的 .............................................................................................................................. 48 5.2 实验台搭建 .......................................................................................................................... 48 5.3 模态实验与结果分析 .......................................................................................................... 54 5.4 主动激振力学实验与结果分析 .......................................................................................... 60 5.5 不同截割模式的截割比能耗影响分析 .............................................................................. 62 5.6 多因素参与正交实验与极差分析 ...................................................................................... 64 5.7 本章小结 .............................................................................................................................. 66 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................................. 68 6.1 结论 ...................................................................................................................................... 68 6.2 展望 ...................................................................................................................................... 69 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 70 作者简历作者简历 ....................................................................................................................................... 74 学位论文原创性声明学位论文原创性声明................................................................................................................... 76 学位论文数据集学位论文数据集 ........................................................................................................................... 77 万方数据 VI Contents Abstract ...........................................................................................................................................I Contents........................................................................................................................................ IV List of Figures ........................................................................................................................... VIII List of Tables.............................................................................................................................. XII List of Variables ....................................................................................................................... XIII 1 Introduction ........................................................................................................................... 1 1.1 Topic background and source..........