采煤機(jī)運(yùn)行過程中的振動監(jiān)測系統(tǒng)研究

張利兵

（軒崗煤電公司梨園河煤礦，山西 原平 034100）

引言

目前，我國大部分煤礦已實(shí)現(xiàn)采煤設(shè)備機(jī)械化，但采煤自動化、智能化水平有待提高[1]。要實(shí)現(xiàn)智能開采，必須在工作面部署高度自動化的采礦設(shè)備[2]。工作面主要設(shè)備包括采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)，其中采煤機(jī)是最重要的組成部分。在煤礦工業(yè)生產(chǎn)中，采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤炭采集的最直接機(jī)械設(shè)備，也是一套綜合機(jī)械化采煤設(shè)備的重要組成部分。由于目前能源短缺，煤層的污垢帶層往往也在采煤機(jī)切割范圍內(nèi)，這就造成采煤機(jī)的負(fù)載更加不均勻，并導(dǎo)致機(jī)身產(chǎn)生嚴(yán)重的振動。因此，剪切機(jī)的關(guān)鍵部件，如液壓、電氣和機(jī)械部件，經(jīng)常發(fā)生機(jī)械故障。這些故障會降低機(jī)器的可靠性和使用壽命。當(dāng)前，許多研究分析了采煤機(jī)在時域和頻域的振動特性，闡述了不同采煤機(jī)機(jī)身的振動規(guī)律。但關(guān)于振動對煤礦選礦機(jī)故障的影響，尚未得出明確的結(jié)論。本文通過先進(jìn)的技術(shù)和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，對采煤機(jī)振動的狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行了研究，為采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

1 振動監(jiān)測方案設(shè)計

1.1 采煤機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)主要由切割裝置、行走裝置、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。液壓缸與機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)共同工作，實(shí)現(xiàn)了剪切機(jī)行走、切煤、切削臂擺動等動作。切割機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)均由其獨(dú)有的電機(jī)驅(qū)動，大大提高了工作效率。圖1為無鏈電牽引鼓護(hù)輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。

切割裝置和牽引裝置是該機(jī)器的主要傳動系統(tǒng)，它們都由電機(jī)和變速箱組成。無論是從研究切割故障診斷的角度還是從研究切割煤和巖石識別的角度來看，變速箱結(jié)構(gòu)和切割振動都精密相關(guān)，切割裝置的變速箱結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。傳動系統(tǒng)的切割部分兩端為空心軸的切割電機(jī)軸，細(xì)長轉(zhuǎn)矩軸和反軸齒輪連接，通過齒輪Z1、Z2、Z3、Z4、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8傳動到行星齒輪的電機(jī)輸出扭矩，行星架最終輸出對切割筒的動力。

圖1 電氣牽引式剪煤機(jī)的主體結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖2 切削裝置減速齒輪機(jī)構(gòu)

傳動系統(tǒng)可直接承受剪切機(jī)的切割載荷。由于切割阻力不斷變化，很容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的軸向振動和齒輪嚙合振動，機(jī)械故障經(jīng)常發(fā)生。因此，對傳輸系統(tǒng)的振動進(jìn)行監(jiān)測具有重要意義。

1.2 煤面及設(shè)備情況

刮板輸送機(jī)的頭部在左邊，尾部在右端。沿煤面有120ZZ4000-19/40四腿屏蔽支護(hù)。這些支撐是從1～120號按從左端到右端的順序安裝。左側(cè)的道路用于設(shè)置帶式輸送機(jī)。右側(cè)的道路用于設(shè)置材料和電氣設(shè)備。工作面該巖層有地質(zhì)斷層條帶，斷層條紋寬約12 m。形成的原因是上層石灰?guī)r層向下到工作面。它在一定程度上阻礙了正常的切割過程。

1.3 振動測量的傳感器位置

設(shè)備振動信號承載著大量的信息，振動分析理論和故障診斷技術(shù)是不可分割的有機(jī)體，基于振動分析的機(jī)械設(shè)備故障診斷以機(jī)械設(shè)備運(yùn)行振動信號為核心，區(qū)分機(jī)械設(shè)備是否正常運(yùn)行或發(fā)生異?，F(xiàn)象的過程。通過對切削電機(jī)軸附近的切削測距臂的振動加速度信號的采集，分析不同齒輪嚙合頻率和旋轉(zhuǎn)頻率軸時的齒輪減速，提取頻率，確定正常狀態(tài)下的齒輪驅(qū)動特性，能夠準(zhǔn)確識別齒輪和軸故障特征。

根據(jù)煤礦機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分布情況，在切割裝置和牽引裝置的傳動齒輪箱表面均放置了兩個振動加速度傳感器，以獲取傳動系統(tǒng)的振動狀態(tài)信息。振動信號的數(shù)據(jù)通過記錄儀器記錄。剪切機(jī)切割單元振動加速度傳感器設(shè)置在剪切機(jī)上，圍繞在靠近搖桿內(nèi)部的一個軸周圍。安裝位置意圖如圖3所示。左側(cè)為1號測量點(diǎn)，右側(cè)為2號測量點(diǎn)。每個測量點(diǎn)采集采礦高度方向和牽引方向的振動加速度信號。通過安裝外部傳感器，接收到振動加速度信號，獲取并保存信號到大容量數(shù)據(jù)記錄器中的采礦電氣控制箱。信號采集和存儲系統(tǒng)依賴于大容量數(shù)據(jù)記錄器。

圖3 傳感器放置示意圖

2 測量結(jié)果和分析

收集了機(jī)器在實(shí)際切割過程中的切割單元位置和牽引單元的振動信號。試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括垂直方向的1號、2號兩個測量點(diǎn)和水平方向的剪具振動數(shù)據(jù)，統(tǒng)計相應(yīng)的時域特征參數(shù)來表示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征。然后對這些信號進(jìn)行了功率譜分析。利用Matlab對靜止信號光譜圖進(jìn)行時域信號的FFT變換。通過對特征頻率的各等級頻率乘法分析，區(qū)分剪輪搖桿內(nèi)各軸的旋轉(zhuǎn)頻率和齒輪網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率。圖4為1號測量點(diǎn)水平方向振動信號的剪切臂域波形圖，圖5為2號測量點(diǎn)垂直方向振動信號的剪切臂域波形圖。從圖4、圖5可以看出，切割電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)頻率分布為7 Hz、15 Hz、19 Hz，齒輪嚙合頻率為128 Hz、364 Hz、728 Hz，整個頻域信號顯示出信號穩(wěn)定、無沖擊、不規(guī)則的故障信號。高頻小于信號分布，表明設(shè)備處于健康狀態(tài)。這兩個測量點(diǎn)的頻域振動信號完美地反映了切割單元傳動系統(tǒng)的嚙合頻率和切割裝置傳動系統(tǒng)的頻率倍增，甚至更好地反映出了高頻結(jié)構(gòu)的特征。對于牽引單元傳動系統(tǒng)，除了電機(jī)輸出軸齒輪外，頻譜圖中嚙合頻率不太明顯，說明在機(jī)器運(yùn)行時，牽引系統(tǒng)的振動強(qiáng)度很低。因此，該部分由振動引起的故障概率很低。

圖4 在1號測量點(diǎn)處的頻率

圖5 在2號測量點(diǎn)處的頻率

3 結(jié)語

本文介紹了電氣牽引剪輪機(jī)收集空狀態(tài)搖桿軸附件振動加速度信號，通過振動分析的方法，獲取切削機(jī)健康狀況下各級齒輪傳動的特征信號頻率，提供對比參考數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確識別切削機(jī)進(jìn)行地下切削煤時的工作狀況，并進(jìn)行故障診斷。本文旨在通過對一種采煤機(jī)振動狀態(tài)監(jiān)測方法的研究，以滿足煤礦工業(yè)的實(shí)際需求。在成功地檢索到工作面的振動數(shù)據(jù)后，對信號進(jìn)行了分析。研究結(jié)果不僅證明了本文所采用的監(jiān)測方法是可行的，而且還證明了機(jī)器故障發(fā)生的規(guī)律性。本文對促進(jìn)煤礦機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)作用，對煤礦機(jī)故障診斷的研究也具有參考作用。