由于煤炭的开采环境恶劣,煤层结构复杂,而传统采煤机截割部传动系统的传动环节长,容易加剧齿轮的振动,导致传动失稳,在长期工作下易造成齿轮的疲劳破坏等问题,因而本课题尝试了对现有截割传动系统的改进,结合目前稀土永磁材料性能和电机驱动技术的发展,提出了永磁同步电机半直接驱动的截割部传动系统,并针对新系统工作的稳定性和可靠性问题,先后展开了温度效应下齿轮的动力学特性分析、混沌控制、截割负载模拟以及失效相关性下传动系统的动态可靠性评估。主要的研究内容包括:(1)鉴于采煤机极端的工作温度变化会引发轮齿热变形,间接影响齿轮的正常工作,以半直驱截割传动系统的第一级齿轮副为研究对象,分析齿轮的时变啮合刚度和温度变化下齿厚及齿侧间隙的变化,结合啮合阻尼、支承刚度和支承阻尼等因素的耦合作用,建立齿轮副的四自由度扭振动力学模型,并对齿轮系统参数作无量纲化处理,采用龙格库塔法对系统模型进行数值仿真,进而分析系统在不同频率和温度下的动态特性,另外根据齿轮副的动态传递误差,研究不同条件下齿轮的啮合状态;针对系统产生的混沌状态,通过施加外部周期共振激励,对温度效应下系统的不稳定运动实现了有效的控制。(2)针对煤炭截割过程中煤层构成的复杂性,充分考虑单位空间内矸石数量、大小及分布位置等参数的不确定性,模拟含矸石煤层工况下滚筒的截割负载;结合永磁电机电磁力矩、传动轴扭转刚度和扭转阻尼等因素,建立截割部传动系统的弯-扭动力学模型,求解系统的动态响应并获取各齿轮的动态啮合力,通过雨流计数法统计处理齿根弯曲应力并建立八级载荷谱;基于材料的全域S-N曲线和非线性疲劳损伤累积理论,并考虑多级载荷不同加载顺序对材料疲劳损伤的影响以及采煤负载的随机性,建立多级随机加载下齿根的剩余强度模型。(3)确定齿根弯曲强度和应力的时变分布特征,基于应力-强度干涉理论,建立齿根弯曲疲劳的时变可靠性模型,根据齿宽、模数和齿数等参数的调整对齿根应力及齿根弯曲可靠性的影响,完成齿轮参数的优化设计;分析时变啮合刚度、静态传递误差和传动轴扭转刚度等系统参数变化时,对齿轮动态特性及可靠度的影响,为传动系统的结构优化提供参考;研究各齿轮失效率曲线间的相关关系,选取适当的相关函数确定齿轮间的失效相关度,得出各齿轮副的综合可靠性,进而分析齿轮副间的失效相关性,最终得出元件失效相关下传动系统的动态可靠性,通过比较失效相关与相互独立的条件下分析结果的异同,证明失效相关下可靠性预测的合理性。(4)基于等效相似理论,搭建小比例截割部传动测试实验台,针对含矸石采煤工况,首先进行了突变负载模拟实验,测试结果表现了磁粉式测功机良好的加载性能和永磁同步电机灵敏的动态响应性能,验证了实验系统应用于采煤负载模拟测试的可行性;其次进行了不同负载下的齿轮箱振动测试试验,并对测试结果进行频谱分析,验证了齿轮振动与可靠性间的相关关系,反映了大载荷加速齿轮疲劳失效的作用机理;最后通过ANSYS对末端齿轮副进行瞬态动力学仿真,仿真结果验证了数值计算所得应力的准确性。该论文有图78幅,表17个,参考文献93篇。