基于有限元法和地下煤礦數(shù)據(jù)的掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)盤振動(dòng)分析

仝重宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司機(jī)電部， 山西 大同 037000）

引言

掘進(jìn)機(jī)在切割過程中，不均勻的工作介質(zhì)、不同程度的硬度和不規(guī)則的巖石形狀會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的不規(guī)則振動(dòng)。這些振動(dòng)對切割臂有直接影響，轉(zhuǎn)盤是切割臂和機(jī)體之間的橋梁。因此，轉(zhuǎn)盤在掘進(jìn)機(jī)中起著重要的作用。轉(zhuǎn)盤通常受到復(fù)雜的可變載荷的沖擊，這可能導(dǎo)致疲勞開裂[1]。本文旨在通過對掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)盤振動(dòng)的分析，提出一種準(zhǔn)確的煤礦井下設(shè)備振動(dòng)分析方法。最后，將仿真結(jié)果與模態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較。仿真與實(shí)驗(yàn)的對比結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺(tái)的振動(dòng)特性是可靠合理的。

1 掘進(jìn)機(jī)和轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)分析

轉(zhuǎn)盤是連接切割臂和基座本體的結(jié)構(gòu)部件。它對整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性有明顯的影響。一般的轉(zhuǎn)盤由一個(gè)旋轉(zhuǎn)體、回轉(zhuǎn)軸承和兩個(gè)對稱的旋轉(zhuǎn)氣缸組成，如圖 1 所示[2]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)整體與轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動(dòng)分析模型的建立

2.1 3D 實(shí)體模型建立

在切割煤炭物料的過程中，切割臂的擺動(dòng)由旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。切割煤產(chǎn)生的沖擊負(fù)載可以從切割頭和臂進(jìn)行傳遞。為了簡化計(jì)算，去掉了一些不重要的部件[3]，可以開發(fā)出一個(gè)轉(zhuǎn)盤的實(shí)體模型，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)盤和柱體的實(shí)體模型

2.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)的選擇和導(dǎo)入

為了記錄掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，記錄了掘進(jìn)機(jī)在地下煤礦開挖面工作的狀態(tài)參數(shù)和位置角。以掘進(jìn)機(jī)的工作周期為例，可以計(jì)算出截割頭和扭矩的關(guān)系序列，如圖3 所示。

圖3 切割頭的扭矩隨時(shí)間變化曲線圖

系統(tǒng)監(jiān)測周期為1 000 s。根據(jù)時(shí)間與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，在這段時(shí)間內(nèi)負(fù)載幅值明顯增加。此外，在此期間，X 軸和Y 軸的受力幅值也增大，掘進(jìn)機(jī)的沖擊載荷和振動(dòng)最為劇烈，這時(shí)很容易發(fā)生轉(zhuǎn)盤等易損件的故障，因此應(yīng)從該時(shí)間段中選擇模擬負(fù)荷數(shù)據(jù)。由于氣缸壓力測量時(shí)的采樣頻率為1 Hz，因此在模擬過程中無法應(yīng)用切割頭的時(shí)間序列。因此，采用線性最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和擬合，用于振動(dòng)模擬[4]。

加載負(fù)載后，使用ANSYS 測量鉸接至轉(zhuǎn)臺(tái)、切割臂和氣缸的關(guān)節(jié)的力。然后可以獲得工作條件下轉(zhuǎn)臺(tái)上的負(fù)載。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)分析，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角在為-15°～20°時(shí)，提升機(jī)和旋轉(zhuǎn)油缸的壓力較大，受力條件復(fù)雜。載荷力和扭矩比任何其他位置角度都大[5]，因此這是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)振動(dòng)分析的典型案例。以轉(zhuǎn)臺(tái)和工作臺(tái)的鉸接點(diǎn)為例，受力隨時(shí)間變化，如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)與主體交接點(diǎn)受力曲線示意圖

對所有6 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的力進(jìn)行快速傅里葉變換處理，可以得到功率譜密度（PSD）和相位曲線，用于導(dǎo)入ADAMS 的振動(dòng)模型，可以看作是轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)模型的激勵(lì)載荷。

2.3 振動(dòng)模型分析

在ANSYS 中模擬的掘進(jìn)機(jī)參數(shù)如表1 所示。在轉(zhuǎn)臺(tái)有限元模型中，采用RBE2 剛性約束單元。下側(cè)節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)臺(tái)銷的自由度（DOF）受到約束。然后分析約束后的有限元模型，并將導(dǎo)出的模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS 。基于模態(tài)中性法和柔性體端口[6]，利用ADAMS建立振動(dòng)模型，開發(fā)了有限元和振動(dòng)模型，如圖5 所示。

表1 材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)有限元振動(dòng)模型

通過有限元軟件分析，前六階振動(dòng)頻率為152.399 Hz、166.591 Hz、251.626 Hz、311.365 Hz、321.16 Hz、470.726 Hz。同時(shí)通過軟件分析得出當(dāng)所有通道都被激發(fā)時(shí)，頻率響應(yīng)函數(shù)的振幅從0 增加到20 Hz。當(dāng)頻率大于20 Hz 時(shí)，這個(gè)大的振幅會(huì)急劇下降。當(dāng)激勵(lì)頻率大于20 Hz 時(shí)，轉(zhuǎn)盤也會(huì)發(fā)生輕微的響應(yīng)。當(dāng)頻率相似時(shí)，雙臂和圓柱鉸鏈接頭附近點(diǎn)的振幅較大，轉(zhuǎn)盤下面點(diǎn)的振幅最小。轉(zhuǎn)盤上最大的振動(dòng)部件是最脆弱的部件。當(dāng)頻率為4 Hz 或14.6 Hz 時(shí)，響應(yīng)振幅大于10 Hz 時(shí)的頻率。

3 振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證分析方法的準(zhǔn)確性，對轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)測試。模態(tài)試驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由勵(lì)磁系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和分析系統(tǒng)組成，如圖6 所示。在這個(gè)模態(tài)實(shí)驗(yàn)中，激發(fā)系統(tǒng)包括一個(gè)激勵(lì)錘和力傳感器。錘內(nèi)安裝了傳感器，當(dāng)錘敲擊轉(zhuǎn)盤時(shí)，可以直接測量輸入的激勵(lì)信號(hào)。在轉(zhuǎn)盤的測量點(diǎn)安裝一個(gè)加速度傳感器，可以測量各點(diǎn)的響應(yīng)。激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)都可以同時(shí)記錄使用信號(hào)采集裝置。為了模仿轉(zhuǎn)盤的自由狀態(tài)，它被一個(gè)重塊掛起來。出于安全考慮，支架被放在了地上。在試驗(yàn)過程中，采用錘式法進(jìn)行激勵(lì)。

圖6 測試系統(tǒng)架構(gòu)圖

在本實(shí)驗(yàn)中，采用盡可能多的響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)，測量點(diǎn)均勻排列。根據(jù)可用的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在脆弱區(qū)域布置了更多的測量點(diǎn)，以減少任何模態(tài)泄漏。轉(zhuǎn)盤上的測試標(biāo)記點(diǎn)如圖7 所示。

圖7 測試點(diǎn)示意圖

為了獲得高質(zhì)量的錘式激勵(lì)，錘式需要垂直于激勵(lì)點(diǎn)的平面，快速敲打激勵(lì)點(diǎn)并迅速被帶回來。此外，激勵(lì)力需要平均超過三次嘗試，以盡可能避免隨機(jī)誤差。所有的數(shù)據(jù)都被記錄下來。測試數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進(jìn)行處理，然后通過PolyIIR 進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。根據(jù)穩(wěn)定圖確定了振動(dòng)的順序。最后，得到了模態(tài)的振動(dòng)模態(tài)、頻率和阻尼比。

實(shí)驗(yàn)與模擬的比較如下頁表2 所示。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定振動(dòng)模式、頻率和阻尼比與仿真結(jié)果相對應(yīng)。但模擬和實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)模式有明顯的區(qū)別。模擬無法識(shí)別轉(zhuǎn)盤的右下側(cè)和左上側(cè)振動(dòng)。雖然模擬和實(shí)驗(yàn)都利用了自由條件，在裝配和約束中仍然存在分歧?；趯?shí)際裝配條件進(jìn)行了仿真，并采用了鉸鏈銷。因此，相鄰區(qū)域的鉸鏈銷的振動(dòng)受到了一定程度的限制，因此不能通過模擬來識(shí)別這種類型的振動(dòng)。盡管有一些細(xì)微的區(qū)別，模擬和實(shí)驗(yàn)之間的一致性是明確的，因此這種類型的分析方法可以被認(rèn)為對于這種特定的設(shè)備是合理和可行的。

表2 實(shí)驗(yàn)與模擬

4 結(jié)論

根據(jù)前六階振型的仿真結(jié)果，以及頻率、阻尼比和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了煤礦井下掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)盤的振動(dòng)情況。將振動(dòng)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)引入轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)分析，其結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)相符。該方法確定了轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)的主頻，得出兩臂和圓柱鉸鏈接頭附近的點(diǎn)的振幅是轉(zhuǎn)盤的最大區(qū)域，轉(zhuǎn)盤底面的振動(dòng)最小。通過振動(dòng)分析，可以確定和預(yù)測轉(zhuǎn)臺(tái)的易損件。在設(shè)計(jì)和制造過程中，可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減振措施對這些易損件進(jìn)行加固或改進(jìn)。通過振動(dòng)分析得出的一些相關(guān)結(jié)論可以總結(jié)如下:

1）仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍有一定差異，如果能在真實(shí)工況下進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，將會(huì)更加可靠。

2）實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)盤的振型、頻率和阻尼比取決于激勵(lì)時(shí)間、強(qiáng)度、錘擊角等因素，因此不完全準(zhǔn)確。為了使模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果更趨于一致，錘擊方法需要多次嘗試。