采煤機振動特性研究

武云龍

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交030200）

引言

目前，傳統的煤炭開采方式已不能滿足生產的需求，綜合機械化采煤已成為主要手段[1]。采煤機是采煤工作面的重要生產設備，其可靠性、安全性以及持續工作的能力是保證產量的重要性能指標[2]。由于煤礦井下工作環境惡劣和采煤機結構復雜，在破碎巖石過程中受到動載荷以及煤巖強度不均勻性的影響，導致采煤機的機身長期處于強烈的振動中，機身中薄弱的部位，如搖臂殼體以及牽引部殼體出現過載損壞，嚴重時導致停機，影響煤礦的安全生[3]，并且由此引發的電器元件的損壞、截齒的損壞丟失等一系列后續問題都將嚴重影響采煤機的穩定性。因此，為保證采煤機安全可靠地工作，就必須對采煤機工作時的振動特性進行研究，找出其關鍵影響因素，進而指導煤礦實際生產。

1 采煤機振動機理

第一，采煤機的傳動齒輪在嚙合過程中由于變嚙合剛度、嚙合沖擊和設計誤差而造成的內部激勵，引起采煤機身振動。第二，工作過程中，由于牽引動力裝置中銷排自身的浮動特性，在與嚙齒的嚙合的過程中產生較大的嚙合沖擊，造成牽引速度和牽引力的突然變化，造成采煤機振動。第三，采煤機的截割對象（煤巖體）并不是理想的均質性、各向同性，而是復雜多變。截齒在截割過程中容易受到來自煤巖體的非線性瞬時沖擊載荷，特別是煤層中賦存有硬夾矸時，截齒與巖石發生復雜的力學耦合作用，產生的瞬時沖擊荷載將導致采煤機的劇烈振動，對采煤機的持續生產影響較大。基于研究的需要，本文主要研究采煤機截割過程中由煤巖物理力學特性引起的機身振動。

2 采煤機振動理論的研究

2.1 采煤機振動識別信號分析

由于煤層中矸石以及煤層厚度的千變萬化，導致采煤機截割部在截割煤體時經常截割到巖石，使得截割滾筒上的截齒與煤巖的接觸性阻力瞬間增大，在滾筒和采煤機搖臂上的振動激振力增大，對采煤機的截齒性能、機身的穩定性影響較大。利用振動加速度收集儀器拾取振動加速度信號，分析振動加速度信號中賦含的滾筒截割阻力信息以及搖臂機械傳動信息。

通過對振動信號的分析處理，得出采煤機振動的影響因素，對識別煤巖介質以及采煤機故障診斷具有重要意義。采煤機滾筒在截割煤巖的過程中，隨著截割對象的變化，搖臂振動在截割力激勵作用下的振動響應會隨著發生變化，利用相關儀器實時監測這些變化的信息，進而實現對采煤機滾筒截割狀態的動態監測。

2.2 振動信號時域、頻域分析

振動信號的基本性質是時域和頻域，這樣可以用多種方法、不同的角度來分析振動信號。信號幅值域分析又稱為統計特征參量分析，在假設前提下，對隨機過程的分析變成對任意樣本的統計分析。時域分析中的量綱特征值包括最大、小值，峰峰值，均值和方差；無量綱特征值包括平均幅值、波形指標、方根幅值、峰值指標、欲度指標和脈沖指標。

分析周期平穩信號的工具是信號傅里葉變換，通過犧牲全部時域信息來獲得精確的頻域分辨率，其變化公式如下：

式中：S（t）為信號時域函數；S（ω）為信號的傅式變換。

事實上，實際測得的振動信號只有部分有意義，以沖擊形式出現的平穩振動信號以及隨機出現的信號都有可能含有效振動信號，這就要求對局部特征信號進行具體分析。振動信號有高頻、低頻之分，在高頻率段的振動沖擊信號的信息量往往能準確反映煤巖的實際信號，所以在分析振動信號時往往希望有最大的高頻信號，因此需要克服小波函數高頻段信號頻率低的問題。在此情況下小波包信號分析方法成為解決信號特征提取的有效手段，基本分析思路如圖1所示[4]。

滾筒作為截割煤巖的激勵源，在空間上承受三個方向的載荷，可通過采煤機的搖臂傳遞振動信號，再利用安裝在搖臂處的振動加速傳感器收集振動信號。截割破巖過程中，煤、巖物理力學特性的差別會導致截齒受不同的力，引起振動信號的變化，通過分析該振動信號的變化，實現采煤機截割煤巖界面的自動識別[5]。

3 結論

圖1 采煤機振動信號分析思路

經分析研究，主要對引起采煤機工作時振動的三種原因進行了闡述，并對截齒在截割過程中容易受到來自煤巖體的非線性瞬時沖擊載荷著重進行分析，得出高頻率段的振動沖擊信號的信息量能準確反映煤巖的實際信號的思路，最終提出利用搖臂上安裝的加速傳感器接收信號，可以通過信號對界面進行識別。

[1]田震.薄煤層采煤機振動特性研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2013.

[2]劉俊利，趙豪杰，李長有.基于采煤機滾筒截割振動特性的煤巖識別方法[J].煤炭科學技術，2013（10）：93-95；116.

[3]王崢榮.采煤機截齒截割過程的動力學仿真[D].太原：太原理工大學，2009.

[4]陳洪月，白楊溪，毛君，等.多激勵下采煤機在行走平面內的非線性振動特性分析[J].機械設計與研究，2016（2）：166-170；174.

[5]崔新霞.鉆削式采煤機鉆削系統振動特性研究[D].徐州：中國礦業大學，2014.