煤炭采掘正在向智能化、无人化方向发展,在减轻煤矿工人的劳动强度、提高安全生产水平的同时,对采煤机的可靠性、状态感知及工况适应能力提出了更高的要求。截割传动系统是采煤机实现破煤的关键部件,由于煤岩变化具有强随机性和强突变性,使其长期运行在变载荷、变转速等非稳态工况;同时,截割传动系统是一个大功率电机驱动多级齿轮传动的机电耦合系统,其结构复杂,零部件众多,内外部激励和非线性因素丰富。以上因素叠加,使截割传动系统的动力学行为十分复杂,导致系统故障频发、设备停机时间长,严重制约综采工作面的生产效率和经济效益。本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)“深部危险煤层无人采掘装备关键基础研究”课题四“重载突变工况的高效动力传递原理及自适应控制方法”(编号:2014CB046304)的支持下,针对采煤机截割传动系统复杂多变的工况特点和多激励源、多响应点的结构特点,以动力学分析为手段,重点研究了变速、变载等非稳态工况激励以及时变啮合刚度、时变轴承刚度、扭转电磁刚度等动态参数激励联合作用下截割传动系统的动力学行为,掌握了典型工况和结构参数对系统动态特性的影响规律,揭示了电机-齿轮系统的机电耦合作用机理,可为采煤机截割传动系统的动力学设计、运行状态监测和工况适应性提升提供理论支撑。本文的主要研究内容如下:(1)通过改进建模方法和模型参数计算方法,提出了一种适用于变速、变载等非稳态工况的定轴齿轮和行星齿轮传动的集中参数动力学模型。模型方面,将刚体转动集成到传统齿轮振动模型中,同时引入与刚体转动有关的齿轮径向和切向惯性力,使模型适用于宽范围变速工况。模型参数方面,考虑接触变形、接触长度随载荷非线性变化的特点,改进了齿轮啮合刚度、轴承支承刚度的数值计算方法,使其适用于大跨度变载工况;将齿轮啮合刚度、啮合误差、轴承支承刚度等周期性激励表示为角域函数,摆脱了以往时域表示法需预先设定系统运行速度的限制,使其适用于随机变速工况。(2)将变速变载齿轮动力学模型与异步电机等效电路模型集成,建立了采煤机截割部电机驱动多级齿轮传动系统的机电耦合模型。研究了电机磁场、运行速度和加速度等因素对截割传动系统固有振动特性的影响;综合采用坎贝尔图、模态能量法和扫频分析法,识别出系统在宽变速范围内的共振转速和危险构件;比较了正常转速和共振转速下齿轮系统扭振对电机电流的影响规律。(3)计算了不同负载下的电机扭转电磁刚度、齿轮时变啮合刚度、轴承时变支承刚度,研究了外部负载变化对截割传动系统固有振动特性的影响,同以往将固有特性视为和工况无关的方式相比,更加真实地反映了运行状态下齿轮系统的固有特性;研究了在冲击载荷激励下系统的振动、动载荷和电流的瞬态响应特性,识别出了系统的结构薄弱环节;对比了大跨度变载条件下系统的机电动态响应,探明了电流中振动信息对负载的灵敏性。(4)针对煤岩冲击引起的截割传动系统短期过载工况,通过参数相关性分析识别出影响系统性能的敏感结构参数,在此基础上建立了系统减振抗冲性能优化模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法进行参数优化,有效降低了系统瞬时动载荷,提升了系统的动力学性能;针对煤质变硬引起的截割传动系统长期过载工况,依据采煤机截割-牵引运动学耦合关系制定了4种调速降载控制策略,并通过对比筛选出不同过载工况下的最佳策略,与现有调速策略相比,在保证安全运行的基础上提高了采煤生产率。以上研究分别从机械设计角度和主动控制角度提升了截割传动系统对非稳态工况的适应性。(5)搭建了三相异步电机驱动行星齿轮传动系统实验台,开展了冲击载荷条件、升速扫频条件以及主动调速控制条件下机电动态特性的实验研究,获得了不同工况下传动系统动载荷以及电机电流的变化特性。通过对比,验证了机电耦合动态特性理论研究结果的正确性。