采煤機電氣部件的可靠性研究與分析

李赟恒，陳恒，張莉娜

（西安煤礦機械有限公司，西安 710032）

1 引言

在煤礦生產中，因煤層中夾雜矸石或煤質過硬，采煤機在運行過程中機身振動劇烈，導致電器元件在電控箱內晃動，移位、接線線頭松動，頻繁發生故障，使得電氣件的可靠性降低。因此，提高采煤機電氣件的可靠性，降低電氣件的故障率，對采煤機整機正常運行顯得極其重要。

電氣產品的可靠性一直是采煤機制造行業追求的目標，為增強可靠性，通過Y50250/ZF 型振動試驗臺模擬采煤機在生產中過程中產生的振動頻率,對電氣件的抗震性能進行測試，尋找電氣件固定方式上的薄弱點并對其進行優化設計，以提高采煤機電氣件的可靠性。

2 振動試驗臺工作原理

振動試驗臺由振動臺臺體、液壓控制箱和電氣控制箱等組成。振動臺采用無強迫異向慣性激振系統，振動器置于四個連通的空氣彈簧上，組成一典型的單自由度振動系統。該系統的固有頻率低于工作頻率，故振動臺工作時處于超共振狀態。

機械傳動示意圖見圖1，交流電機由一對皮帶輪升速后，經變速箱和柔性聯軸器分別帶動四組不平衡器按規定方向轉動。不平衡器中的偏心質量旋轉時產生的慣性離心力在振動方向上合成按正弦規律變化的激振力，而垂直于振動方向的分力則相互抵消。通過調整調節手輪的位置，可以使工作臺按規定的垂直或水平方向振動。

圖1 振動試驗臺機械傳動示意圖

將試驗部件放置在工作臺上，用工裝固定水平后，采用響應檢查、定頻、掃頻等各類振動試驗方法，通過傳感器采集振動信號，將數據傳輸到工控機，進行數據分析。

3 采煤機行走過程中振動頻率

在振動試驗中，模擬采煤過程中實際工作條件，選擇合適的頻率范圍對電氣件進行掃頻、定頻試驗至關重要。

在采煤過程中，采煤機由老塘側的兩個導向滑靴和煤壁側的兩個平滑靴分別支承在工作面刮板運輸機銷軌和鏟煤板上。當行走機構的驅動輪轉動時，驅動齒軌輪轉動，齒軌輪與銷軌嚙合，采煤機便沿運輸機正向或反向牽引移動，滾筒旋轉進行落煤和裝煤，沿工作面長截割一刀即進尺一個截深。搖臂采用彎臂、直臂結構兩種結構形式，搖臂輸出端采用方形出軸與滾筒聯結。滾筒直徑規格根據機型裝機功率、煤層厚度選取，滾筒葉片和端盤上裝有截齒，滾筒旋轉時靠截齒落煤，再通過螺旋葉片將煤輸送到工作面刮板運輸機上［1］。基于采煤機的工作原理，采煤機行走過程中各部件振動主要來源于滾筒旋轉截割煤壁。

將滾筒上的截齒作為振動源進行分析，假設采煤機配置滾筒直徑為D，滾筒端盤齒數、端面齒數、葉片齒數分別為n1、n2、n3，滾筒在采煤過程中的轉速為r，那么滾筒葉片全部進刀時，齒數總數為：n=n1+n2+n3。

采煤機運行過程中的最大頻率為：f=r×n/60。

通過對采煤機常見機型所配滾筒參數和轉速［2］進行統計和計算，得出幾個機型采煤機的最大工作頻率（見表1），作為振動試驗頻率選擇的參考數據。

表1 各機型采煤機的工作頻率

4 試驗實例

MG300/730-WD 系列采煤機用GA12 系列采煤機變頻器，采用分層式結構，電抗器是固定在變頻器外殼下罩體的頂部。由于采煤機工作時振動劇烈，上方電抗器較重，電抗體在下罩體上隨機身晃動，電抗器輸出鋁排、下罩體受到剪切力較大，使用一段時間后，出現下罩體斷裂、電抗器輸出鋁排折斷等現象，導致變頻器不能正常工作，采煤機無法運轉。

為加強變頻器殼體的強度，在現有的下罩體內部橫向、豎向各增加3條加強筋，改造原理圖見圖2。同時在電抗器上增加壓塊，通過壓條將電抗器壓緊，與下罩體通過斜鐵、螺栓緊固到位，改造原理圖見圖3。將改造前后的變頻器同時放到實驗臺上，參考采煤機振動最大頻率f=21Hz 進行5～21Hz 循環掃描，從中找出振幅最大的頻率而進行定頻掃描。在頻率為12Hz 時變頻器振動幅度最大，然后振動試驗臺設定為F=12Hz 作為定頻掃描振動試驗，在同等振動頻率中，可以看到加筋的變頻器外殼上固定的電抗器，它的振動幅度要小于沒有加筋的，振動曲線見圖5、6。

圖2 GA12 系列變頻器外形圖

圖3 下罩體加筋改造示意圖

圖4 變頻器電抗體改造示意圖

圖5 改造前變頻器振動曲線圖

圖6 改造后變頻器振動曲線圖

在試驗振動1h 后，舊變頻器外殼沒有加加強筋的振動時將接線柱的固定螺絲三條全部振掉，見現場試驗結果圖7，有加強筋的外殼固定紅色接線柱的螺絲完好無損，見現場試驗結果圖8。沒有加強筋、沒有壓塊的電抗器地腳固定的彎板局部已經翹起，振動時翹起部分與變頻器外殼有振動摩擦，停機時此固定腳彎板都很熱，振動時間再長時此腳在固定螺栓處會折斷，見現場試驗結果圖9。

通過振動曲線圖和現場振動情況，可以明顯看出，改造后變頻器抗震性能明顯優于改造前變頻器。我公司將變頻器優化設計方案采用于采煤機機組上，在市場上使用半年過程中，通過跟蹤統計分析使用情況，變頻器故障率減少65%，得到了客戶的認可和好評。

圖7 改造前變頻器試驗結果圖

圖8 改造后變頻器試驗結果圖

圖9 改造前變頻器振動試驗后電抗器地角翹起

5 結論

通過變頻器改造的實例，在振動試驗臺模擬工況過程采煤機的運行頻率，檢測電氣件的可靠性這一方法是可行的。基于這種檢測途徑，可以發現電氣件固定方式上的薄弱點，進行緊固方式可靠性的優化設計，使得采煤機電控系統可靠性提高，提高了產品的競爭力，滿足了煤礦生產高產高效的要求。

［1］謝錫純.礦山機械與設備［M］.徐州：中國礦業大學出版，1999.

［2］采掘設備選型手冊［Z］.西安煤礦機械有限公司，2012.