掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究

高 峰

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046699）

引言

掘進(jìn)機(jī)被廣泛用于地下煤礦開采中，主要用于承擔(dān)截割、裝載、運(yùn)輸?shù)戎匾δ躘1]。隨著掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展和對(duì)采礦設(shè)備生產(chǎn)能力的要求，掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性已成為一個(gè)重要問題。由于工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜多變，掘進(jìn)機(jī)負(fù)載復(fù)雜，載荷劇烈波動(dòng)，掘進(jìn)機(jī)井下作業(yè)時(shí)，關(guān)鍵部件常常遭受無預(yù)期的損壞[2]，使綜掘工作面正常生產(chǎn)受到極大的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，由于修剪而產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)引起機(jī)身劇烈的振動(dòng)、致使主機(jī)架、懸臂回轉(zhuǎn)臺(tái)或油缸等元件及結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生重大機(jī)械故障，從而降低掘進(jìn)機(jī)工作效率，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究基于振動(dòng)測(cè)試的掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)分析是很有必要的，對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的截割效率、整機(jī)的穩(wěn)定性和零部件的壽命都有重要意義。對(duì)掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)工作特性研究是揭示其結(jié)構(gòu)特性（尤其是弊端）、輔助完善其動(dòng)力學(xué)研究、可靠性分析等工作的一種有效也十分必要的手段。在本文中，開發(fā)了一套基于便攜式數(shù)據(jù)記錄儀的測(cè)量掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)的方法，同時(shí)對(duì)主機(jī)架和轉(zhuǎn)盤進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試和信號(hào)分析，結(jié)果將為掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)提供基礎(chǔ)。

1 掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)測(cè)試

1.1 測(cè)量和測(cè)試儀器介紹

本研究選用自主研發(fā)的便攜式振動(dòng)記錄儀，該儀器已獲得采礦安全許可證。該設(shè)備是基于ARM9 便攜式振動(dòng)記錄儀的基本結(jié)構(gòu)研發(fā)，并具有2 GB 的存儲(chǔ)空間，具有測(cè)量、顯示、存儲(chǔ)和信號(hào)遠(yuǎn)傳等功能，有很高的安全性和很強(qiáng)的可操作性，其使用鎳氫電池供電，可同時(shí)采集4 個(gè)振動(dòng)信號(hào)采集通道可以同時(shí)測(cè)量1～4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的單方向、單一值，也可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)測(cè)點(diǎn)、多個(gè)方向的振值，可以連續(xù)工作長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)或更久；整個(gè)儀器的外觀和傳感器的連接圖如圖1 所示。四個(gè)振動(dòng)信號(hào)探頭通過4 根信號(hào)線分別接入振動(dòng)記錄儀，避免了振動(dòng)信號(hào)的相互干擾。

圖1 礦用便攜式振動(dòng)記錄儀

1.2 掘進(jìn)機(jī)介紹

本文研究對(duì)象是EBH300（A）掘進(jìn)機(jī)，它是一種綜合的挖掘設(shè)備，集切割，運(yùn)輸和步行為一體[3]，如圖2 所示。它主要用于綜采機(jī)械和其他類似的礦山，隧道和成型作業(yè)中。EBH300（A）掘進(jìn)機(jī)適用于硬度≤13的巖巷、半煤巖巷的掘進(jìn)，也可在公路、鐵路、水利等隧道施工工程中使用[4]；采用計(jì)算機(jī)控制，整機(jī)實(shí)現(xiàn)全無線遙控控制，智能成型切割和恒功率切割；超強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)理念，保證整機(jī)足夠的質(zhì)量，截割巖石時(shí)機(jī)身穩(wěn)定，機(jī)重達(dá)125 t；定位切割的最大高度為5.8 m，最大寬度為8.8 m；先進(jìn)的進(jìn)口集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，保證各部位工作正?？煽?；高效的分裝分運(yùn)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，更加適應(yīng)巖巷掘進(jìn)。

圖2 EBH300（A）掘進(jìn)機(jī)

1.3 掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集

在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)之前，有必要對(duì)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行認(rèn)真的勘察以制定合理的數(shù)據(jù)收集計(jì)劃，然后根據(jù)數(shù)據(jù)收集計(jì)劃在實(shí)際作業(yè)中測(cè)試并收集振動(dòng)信號(hào)。掘進(jìn)機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具體參數(shù)如圖3 所示，工作場(chǎng)所是整個(gè)巖石巷道，巖石分布均勻，硬度為10～11。實(shí)驗(yàn)過程中未經(jīng)歷過諸如斷層等特殊的地質(zhì)條件。巷道頂板為拱形，凈寬5.0 m、凈高4.3 m，凈網(wǎng)段18.81 m2，最大寬度5.3 m、最大高度4.45 m，最大斷面20.57 m2，溝網(wǎng)尺寸為0.3 m×0.3 m，溝壁厚度為100 mm。溝渠的凈尺寸為0.3 m×0.3 m，溝渠寬度的磚石墻為100 mm。

圖3 掘進(jìn)機(jī)工作面具體參數(shù)（單位：mm）

1.4 測(cè)量點(diǎn)的安排

掘進(jìn)機(jī)每一班次（每8 h）的掘進(jìn)任務(wù)是行駛1 m。由于巖石硬度高，切割難度較大，因此在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為3～5 min。在掘進(jìn)機(jī)工作中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)懸臂上下、左右擺動(dòng)，在擺動(dòng)過程中，截割頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)不斷發(fā)生變化。縱向截割頭的擺動(dòng)速度和轉(zhuǎn)速是影響掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)率、工作平穩(wěn)性和截割比能耗的重要因素[5]?；剞D(zhuǎn)臺(tái)的合理結(jié)構(gòu)與否決定掘進(jìn)機(jī)的工作性能及整機(jī)的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不足將造成截割性能的降低和疲勞斷裂[6]，因此，根據(jù)實(shí)際情況和測(cè)試目的，該測(cè)試主要針對(duì)掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)盤（1 號(hào)點(diǎn)）和主框架（2 號(hào)點(diǎn)）。加速度傳感器安裝在圖4 所示的位置。

圖4 測(cè)量點(diǎn)布局方案

2 測(cè)試結(jié)果和振動(dòng)分析

通過使用MATLAB 軟件對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，圖5 和圖6 給出了轉(zhuǎn)盤和主框架的頻域分析圖，表1 和表2 為二者的時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。從轉(zhuǎn)盤與主框架頻域分析的比較可以得出以下結(jié)論：從最大值、峰值和有效值來看，轉(zhuǎn)盤的振動(dòng)幅度都比主框架大。強(qiáng)烈的振動(dòng)容易造成支撐部件損壞。與氣缸相連的銷孔會(huì)因振動(dòng)而變大并影響連接穩(wěn)定性，因此有必要對(duì)氣缸進(jìn)行定期檢查，以進(jìn)行故障排除。掘進(jìn)機(jī)在剛開始運(yùn)行時(shí)會(huì)快速振動(dòng)，此后逐漸變得平穩(wěn)。從圖5 和圖6可以看出，切割時(shí)的振動(dòng)要比空載更強(qiáng)烈。轉(zhuǎn)盤峰值指數(shù)較小，主框架的峰度指數(shù)相對(duì)較大，說明振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)盤的影響小于對(duì)主框架的影響。主框架在工作過程中的振動(dòng)一直比較穩(wěn)定，最大值、峰值和有效值較小，可以說明，掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)主框架的振動(dòng)很小。主框架的峰度指數(shù)很大，而峰度指數(shù)對(duì)撞擊信號(hào)特別敏感，結(jié)果表明，由于主框架是掘進(jìn)機(jī)的主要支承機(jī)構(gòu)，因此更容易受到剛性沖擊的影響而產(chǎn)生振動(dòng)磨損故障，因此有必要對(duì)主框架進(jìn)行定期的故障診斷，以防止由于掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)期的沖擊和振動(dòng)引起的裂紋。

圖5 轉(zhuǎn)盤時(shí)域頻譜

圖6 主框架時(shí)域頻譜

表1 轉(zhuǎn)盤時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

表2 主框架時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

3 結(jié)語

機(jī)械振動(dòng)會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)造成很大的破壞，容易使橫梁，缸體，主機(jī)架，零部件和結(jié)構(gòu)頻繁損壞，從而使掘進(jìn)機(jī)行駛成本提高，并降低了行駛效率。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是作業(yè)機(jī)構(gòu)與動(dòng)臂式掘進(jìn)機(jī)的齒條形成裝置的可動(dòng)支撐和連接。在每個(gè)關(guān)節(jié)承受的復(fù)雜沖擊載荷下，它連接左右框架，支撐切割臂。本文研究是以提升懸臂式掘進(jìn)機(jī)性能為長(zhǎng)遠(yuǎn)目的，觀察、總結(jié)掘進(jìn)機(jī)在惡劣工作環(huán)境下常發(fā)生的故障形式或失效狀態(tài)，提出以關(guān)鍵部件為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)特征，為提高掘進(jìn)機(jī)截割效率和整機(jī)穩(wěn)定性提供參考，對(duì)改善掘進(jìn)機(jī)故障診斷和設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。