隧道掘進(jìn)機(jī)電控箱振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

亢紅波，李占龍，韓斌慧，張建廣

（1. 西安郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710121；2. 西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；3. 中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

近年來(lái)，機(jī)械化隧道掘進(jìn)技術(shù)成為地下空間建設(shè)和礦物開(kāi)采中必備的工程技術(shù)之一，并得到快速發(fā)展．掘進(jìn)機(jī)作為機(jī)械化隧道掘進(jìn)技術(shù)的主要設(shè)備，由于具有采掘效率高、操作靈活、使用安全、開(kāi)采成本低等優(yōu)點(diǎn)，被隧道施工、礦山開(kāi)采等領(lǐng)域廣泛采用[1-3]．

隨著掘進(jìn)條件和工程建設(shè)要求的日益苛刻，重型化和大功率成為掘進(jìn)機(jī)主要的發(fā)展趨勢(shì)之一．目前整機(jī)功率已經(jīng)達(dá)到400kW以上，截割硬度達(dá)到f3-f12．電控箱是掘進(jìn)機(jī)的核心部件之一，被稱之為掘進(jìn)機(jī)的“大腦”，負(fù)責(zé)掘進(jìn)機(jī)工作行為的控制，關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄等重要任務(wù)．由于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣，通常在“非路面”上行走和截割，工作電機(jī)功率大，且具有擊破型工作特點(diǎn)，機(jī)體振動(dòng)強(qiáng)烈，可能導(dǎo)致電控箱內(nèi)電器元件失靈、脫落、線路斷接等故障，甚至?xí)痣娍叵涞谋ㄊ鹿蔥4-6]．因此對(duì)電控箱實(shí)施有效的隔振措施對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)工作可靠性和安全性具有實(shí)際意義．

本文對(duì)某重型隧道掘進(jìn)機(jī)電控箱在多種工況下的振動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)，擬掌握不同工況下下電控箱的振動(dòng)特點(diǎn)，包括振動(dòng)時(shí)域分布、頻譜分布、振動(dòng)烈度，為電控箱新型隔振器的研發(fā)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)依據(jù)．

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)在煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程試驗(yàn)室整機(jī)性能試驗(yàn)場(chǎng)的人工巖壁試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，如圖1．該試驗(yàn)場(chǎng)是為掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和研究而開(kāi)發(fā)的全真地面試驗(yàn)平臺(tái)，以掌握整機(jī)性能，解決掘進(jìn)機(jī)在設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵和難點(diǎn)問(wèn)題，從而提升整機(jī)和關(guān)鍵元部件的設(shè)計(jì)水平．試驗(yàn)場(chǎng)主要由假巖壁和模擬隧道構(gòu)成．假巖壁由各種結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)的材質(zhì)組合成，以模擬不同硬度等級(jí)的巖壁；模擬隧道用來(lái)模擬掘進(jìn)機(jī)工作巷道及底板條件等環(huán)境，配有通風(fēng)和除塵系統(tǒng)．掘進(jìn)機(jī)通過(guò)模擬隧道到達(dá)工作面對(duì)假巖壁進(jìn)行截割，分布在掘進(jìn)機(jī)機(jī)體各處的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)在不同截割工況下的工作參數(shù)進(jìn)行記錄（油路油壓和流量、電路電壓和電流、關(guān)鍵部位的加速度和位移、粉塵濃度和噪音水平等），通過(guò)測(cè)試后處理軟件及人工分析等手段，獲取掘進(jìn)機(jī)的整體表征數(shù)據(jù)值，并和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，進(jìn)一步研究掘進(jìn)機(jī)最大功率工況、最大振動(dòng)工況、最大振動(dòng)部位、截齒消耗最嚴(yán)重工況、失穩(wěn)工況，促進(jìn)大功率、可靠性高、硬巖掘進(jìn)機(jī)及其配套通風(fēng)除塵設(shè)備研發(fā)水平的不斷提升．

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)依據(jù)

依據(jù)《MT/T238.3-2006 懸臂式掘進(jìn)機(jī)第 3部分：通用技術(shù)條件》進(jìn)行開(kāi)切試驗(yàn)和截割試驗(yàn)，測(cè)試掘進(jìn)機(jī)電控箱在的空載、鉆進(jìn)、向左橫掃、向下豎掃工況下各部位的振動(dòng)情況；提供電控箱的振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析其減振效果并為其在振動(dòng)可靠性試驗(yàn)中提供原始數(shù)據(jù)．試驗(yàn)流程圖如圖2．

圖1 人工巖壁試驗(yàn)場(chǎng)及試驗(yàn)掘進(jìn)機(jī)Fig. 1 Artificial rock test field and experimental road header

圖2 試驗(yàn)流程圖Fig. 2 Test process chart

1.2.2 樣機(jī)選擇

以重型隧道掘進(jìn)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，該機(jī)型主要應(yīng)用于以碎石為主的巖壁隧道掘進(jìn)，經(jīng)濟(jì)截割硬度可達(dá)f6，局部f8，最大可掘高度3.75 m，寬度5.0 m，整機(jī)重量36 t，系統(tǒng)額定壓力16 MPa，液壓系統(tǒng)總流量450 L/min．最大截割功率120 kW，總裝機(jī)功率190 kW，截割頭額定轉(zhuǎn)速55 r/min，截齒33把，設(shè)計(jì)平均單刀力為4 520 N．

1.2.3 假巖硬度

根據(jù)被測(cè)機(jī)型技術(shù)參數(shù)，試驗(yàn)場(chǎng)的人工巖壁硬度設(shè)置為f6，為模擬真實(shí)巖層硬度分布的隨機(jī)不均勻性，在人工巖壁基體上隨機(jī)分布硬度f(wàn)8的硬巖點(diǎn)；在巖壁上標(biāo)記截割軌跡．

1.2.4 試驗(yàn)儀器

主要測(cè)試儀器見(jiàn)表1．

表1 主要測(cè)試儀器Tab.1 The main instrument

1.3 傳感器布置

將三向加速度傳感器（INV9822A）(圖3a)安裝在電控箱上(圖3b)，布點(diǎn)原則以振動(dòng)部位明顯，安裝牢固，不妨礙操作為標(biāo)準(zhǔn)．

圖3 傳感器布置Fig. 3 Sensor location

1.4 試驗(yàn)步驟

基于簡(jiǎn)潔和連續(xù)性原則，制定如下試驗(yàn)步驟：

1）空載：開(kāi)啟掘進(jìn)機(jī)，在保持截割頭額定轉(zhuǎn)速下，空轉(zhuǎn)2 min．

2）鉆進(jìn)：在人工巖壁標(biāo)記處先后鉆進(jìn)300 mm及500 mm孔，當(dāng)鉆進(jìn)至500 mm處時(shí)，掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)整機(jī)跳動(dòng)劇烈現(xiàn)象,停止鉆進(jìn)．

3）向右橫掃：在鉆進(jìn)500 mm深的槽中，整機(jī)位置不動(dòng)，截割臂向右橫掃1 000 mm．

4）向下豎掃：橫掃結(jié)束位置繼續(xù)向下豎掃1 000 mm．

對(duì)上述過(guò)程以采樣頻率5kHz進(jìn)行采樣，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)．

2 數(shù)據(jù)與分析

為表述方便，在車身上建立廣義坐標(biāo)系．X向?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)前進(jìn)方向，Y向?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)寬度方向，Z向?yàn)榕c地面垂直方向．坐標(biāo)軸正方向如圖3b定義．

2.1 振動(dòng)時(shí)域分析

由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在環(huán)境噪聲及除塵風(fēng)機(jī)噪聲等主要干擾源，對(duì)采樣原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[7](去趨勢(shì)項(xiàng)，平滑處理，濾波處理)后，截取被測(cè)部件在各工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)段（空載：60～70 s；向左：60～70 s；向下：40～50 s；鉆進(jìn)：20～30s）的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．相關(guān)部件不同工況下的時(shí)域如圖4．

圖4 不同工況z向振動(dòng)時(shí)域圖Fig. 4 Z direction vibration time domain figure in the different working conditions

對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算后得電控箱在四種工況下的振動(dòng)加速度的最大值（Max）和均方差（Std），見(jiàn)表2．

1）空載工況下，電控箱振動(dòng)維持在穩(wěn)定水平，整體振動(dòng)波動(dòng)較小，振動(dòng)信號(hào)為擬周期形態(tài)，z向振動(dòng)幅值最大值最大，為x, y方向最大值的208%和212%；由均方差可知，電控箱振動(dòng)在z向波動(dòng)亦最大．

表2 振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Vibration data statistics

2）截割工況下，振動(dòng)信號(hào)為非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，并伴隨瞬態(tài)沖擊，具有非線性振動(dòng)的典型特征．z向振動(dòng)幅值最大值仍為最大，振動(dòng)波動(dòng)也最激烈；向左和向下截割時(shí)，y向最大值大于x向，但振動(dòng)波動(dòng)小于x向；鉆進(jìn)工況y向的最大值和振動(dòng)波動(dòng)均大于x向．

3）合成加速度可綜合反映振動(dòng)強(qiáng)度．從合成加速度來(lái)看，鉆進(jìn)工況下綜合振動(dòng)最激烈，其次為向左、向右截割工況，最后為空載工況．

4）在截割過(guò)程中，振動(dòng)信號(hào)帶的瞬時(shí)沖擊是由于截齒遇到硬度f(wàn)8的隨機(jī)分布硬巖點(diǎn)，截齒與巖壁發(fā)生復(fù)雜的力學(xué)耦合作用，產(chǎn)生的交變沖擊載荷導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)急劇振動(dòng)．

由上述現(xiàn)象可知，鉆進(jìn)工況為振動(dòng)最激烈的一種工況，這是由于鉆進(jìn)時(shí)，截割頭完成縱向進(jìn)給，截割頭在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，在伸縮油缸的作用下，沿x軸向向前推進(jìn)．截割頭上的所有截齒跟隨截割頭做縱向推進(jìn)，并繞其軸線回轉(zhuǎn)．每個(gè)截齒的齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡是三維空間螺旋線[8]．對(duì)于單個(gè)截齒而言，鉆進(jìn)時(shí)截割頭與巖壁之間以空間螺旋線方式相對(duì)運(yùn)動(dòng)，截割軌跡一方面沿截割頭軸向延伸，另一方面還沿徑向擴(kuò)展，截齒與巖石相互作用力最復(fù)雜，相互作用投影面積最大，從而導(dǎo)致激烈振動(dòng)．此外，隨著截割頭鉆進(jìn)深度的加大，同一時(shí)刻參與作用的截齒數(shù)增加，振動(dòng)最大．

相對(duì)于其他截割工況，向下工況的振動(dòng)幅值較小，這是因?yàn)榻馗铑^與巖壁作用點(diǎn)和履帶著地點(diǎn)構(gòu)成二力點(diǎn)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)整機(jī)起到支撐作用，導(dǎo)致截割臂和機(jī)身部分自重參與了向下豎掃作用，降低截割電機(jī)輸出功率，進(jìn)而導(dǎo)致振幅降低．

2.2 振動(dòng)頻域分析

對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行譜分析，得到被測(cè)部件各工況的前10階主振頻，如圖5．

由圖5及表3可知，電控箱在各工況下的主頻帶分布較寬，在10～1 000 Hz內(nèi)．系統(tǒng)頻率成分比較復(fù)雜，存在多個(gè)峰值頻率簇，這是由于系統(tǒng)存在多轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和非線性周期作用，以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的噪聲等原因造成的．不同工況下，各部位的主振頻分布亦不盡相同，原因是不同工況下掘進(jìn)機(jī)外部載荷和內(nèi)部激勵(lì)不相同，比如，截割頭與巖壁的復(fù)雜作用形式，截割電機(jī)的輸出功率，截割減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)情況等．

空載工況下各階頻率較大，截割工況下對(duì)應(yīng)各階頻率降低，例如，空載工況下首階頻率為100 Hz，向下豎掃、向左橫掃和鉆進(jìn)工況的首階頻率分別為：12.5 Hz，20.31 Hz，24.56 Hz．這是由于截割工況下，截割頭與巖壁接觸作用，可視為增加了掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的基礎(chǔ)接觸點(diǎn)，從而降低了各階主頻率．

截割工況下，一階主振頻分布在10～20 Hz，二階主振頻分布在60～63 Hz，三階主振頻分布在110～130 Hz，四階主振頻分布在190～210 Hz，五階主振頻分布在250～450 Hz，與行星減速器嚙合頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率重合，即：一級(jí)嚙合頻率為385 Hz，在第五階主振頻之間；二級(jí)嚙合頻率為62.37 Hz，接近第二階主振頻；一級(jí)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為12.93 Hz，接近第一階主振頻，為第一階振型激振源．

圖5 頻率分析Fig. 5 Frequency analysis

2.3 振動(dòng)烈度

振動(dòng)烈度是衡量機(jī)組振動(dòng)強(qiáng)弱的指標(biāo)，可以用來(lái)評(píng)價(jià)隔振后機(jī)組振動(dòng)是否滿足規(guī)定的要求[8]．

振動(dòng)烈度為振動(dòng)速度的有效值，表達(dá)式為[9]：

式中：rmsv 為振動(dòng)速度有效值，mm/s； (t)v 為振動(dòng)速度函數(shù)，mm/s；T振動(dòng)周期，s．

表3 前五階主振頻Tab.3 The first five dominant frequencies

由于本試驗(yàn)測(cè)試所得為離散數(shù)據(jù)，故離散振動(dòng)速度有效值為：

式中：N為采樣點(diǎn)數(shù)；iv為采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度．根據(jù)ISO2372標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)量振動(dòng)烈度為：

式中：rmsV 為當(dāng)量振動(dòng)烈度；xrmsv 、yrmsv 、zrmsv 分別為x, y ,z向速度有效值．

用分貝表示為：

式中：Vdb為當(dāng)量振動(dòng)烈度分貝表示；Vref為參考值，推薦值 1 0-5mm/s ．

根據(jù)式(1)-(4)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算電控箱不同工況下振動(dòng)烈度，并依據(jù)ISO 2372對(duì)其等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]，見(jiàn)表4.

表4 振動(dòng)烈度和振動(dòng)等級(jí)Tab.4 The vibration intensity and level

由表3可知，空載工況下，電控箱的振動(dòng)烈度最小，等級(jí)均為A（良好）；向下豎掃和向左橫掃振動(dòng)烈度相當(dāng)，等級(jí)為B（容許）；鉆進(jìn)工況下振動(dòng)烈度最大，等級(jí)為C（可容忍），明顯影響到電控箱內(nèi)電子設(shè)備的安全性和可靠性．

3 結(jié)論

大功率硬巖掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境非常惡劣，機(jī)體振動(dòng)強(qiáng)烈，故障頻發(fā)．對(duì)掘進(jìn)機(jī)核心部件—電控箱的振動(dòng)特性研究有助于提高整機(jī)的可靠性與安全性．由于電控箱工作條件的特殊性，導(dǎo)致相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件苛刻，成本很高且重復(fù)實(shí)驗(yàn)困難，相關(guān)公開(kāi)資料非常匱乏，給電控箱的設(shè)計(jì)、研究帶來(lái)難度．本文借助采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，對(duì)某重型隧道掘進(jìn)機(jī)電控箱在多種工況下的振動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為電控箱新型隔振器的研發(fā)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要結(jié)論如下：

(1)電控箱在各工況的振動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)非線性振動(dòng)，并伴隨瞬態(tài)沖擊；工況之間，鉆進(jìn)工況為振動(dòng)最激烈，等級(jí)達(dá)到C（可容忍），明顯影響到電控箱內(nèi)電子設(shè)備的安全性和可靠性．因此，要以鉆進(jìn)工況的振動(dòng)為隔振目標(biāo)，研制新型隔振器，使其振動(dòng)烈度達(dá)到B級(jí)以上，改善電控箱的工作環(huán)境，提高其工作可靠性和壽命．

(2)電控箱在各工況下的主頻帶分布較寬，前五階主振頻在10-500Hz內(nèi)．系統(tǒng)頻率成分比較復(fù)雜，存在多個(gè)峰值頻率簇，且高頻振動(dòng)幅值較大．因此在電控箱隔振設(shè)計(jì)時(shí)，要從系統(tǒng)角度出發(fā)，研究整機(jī)模態(tài)與局部模態(tài)的相互耦合作用機(jī)理，合理避開(kāi)各工況下具有大振幅的主振頻．

(3)下一步研究將在本試驗(yàn)研究掌握的振動(dòng)特性基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的電控箱隔振設(shè)計(jì)，并對(duì)電控箱內(nèi)電控元件在振動(dòng)環(huán)境下的表現(xiàn)進(jìn)行建模，研究其耐振性和可靠性，從而提高掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的可靠性與安全性．

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