掘進機振動特性的試驗研究

高 峰

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司， 山西 長治 046699）

引言

掘進機被廣泛用于地下煤礦開采中，主要用于承擔截割、裝載、運輸等重要功能[1]。隨著掘進機的發展和對采礦設備生產能力的要求，掘進機的穩定性和可靠性已成為一個重要問題。由于工作環境惡劣，工況復雜多變，掘進機負載復雜，載荷劇烈波動，掘進機井下作業時，關鍵部件常常遭受無預期的損壞[2]，使綜掘工作面正常生產受到極大的影響。根據現場經驗總結，掘進機工作時，由于修剪而產生的劇烈振動引起機身劇烈的振動、致使主機架、懸臂回轉臺或油缸等元件及結構件產生重大機械故障，從而降低掘進機工作效率，造成不必要的經濟損失。因此，研究基于振動測試的掘進機關鍵部件的動態分析是很有必要的，對提高掘進機的截割效率、整機的穩定性和零部件的壽命都有重要意義。對掘進機關鍵部件的動態工作特性研究是揭示其結構特性（尤其是弊端）、輔助完善其動力學研究、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，開發了一套基于便攜式數據記錄儀的測量掘進機振動的方法，同時對主機架和轉盤進行了振動測試和信號分析，結果將為掘進機的設計、制造、使用和維護提供基礎。

1 掘進機振動測試

1.1 測量和測試儀器介紹

本研究選用自主研發的便攜式振動記錄儀，該儀器已獲得采礦安全許可證。該設備是基于ARM9 便攜式振動記錄儀的基本結構研發，并具有2 GB 的存儲空間，具有測量、顯示、存儲和信號遠傳等功能，有很高的安全性和很強的可操作性，其使用鎳氫電池供電，可同時采集4 個振動信號采集通道可以同時測量1～4 個測點的單方向、單一值，也可以同時測量多個測點、多個方向的振值，可以連續工作長達幾個小時或更久；整個儀器的外觀和傳感器的連接圖如圖1 所示。四個振動信號探頭通過4 根信號線分別接入振動記錄儀，避免了振動信號的相互干擾。

圖1 礦用便攜式振動記錄儀

1.2 掘進機介紹

本文研究對象是EBH300（A）掘進機，它是一種綜合的挖掘設備，集切割，運輸和步行為一體[3]，如圖2 所示。它主要用于綜采機械和其他類似的礦山，隧道和成型作業中。EBH300（A）掘進機適用于硬度≤13的巖巷、半煤巖巷的掘進，也可在公路、鐵路、水利等隧道施工工程中使用[4]；采用計算機控制，整機實現全無線遙控控制，智能成型切割和恒功率切割；超強的結構件設計理念，保證整機足夠的質量，截割巖石時機身穩定，機重達125 t；定位切割的最大高度為5.8 m，最大寬度為8.8 m；先進的進口集中潤滑系統，保證各部位工作正常可靠；高效的分裝分運電驅動系統，更加適應巖巷掘進。

圖2 EBH300（A）掘進機

1.3 掘進機振動信號采集

在進行掘進作業之前，有必要對掘進機作業現場進行認真的勘察以制定合理的數據收集計劃，然后根據數據收集計劃在實際作業中測試并收集振動信號。掘進機作業現場具體參數如圖3 所示，工作場所是整個巖石巷道，巖石分布均勻，硬度為10～11。實驗過程中未經歷過諸如斷層等特殊的地質條件。巷道頂板為拱形，凈寬5.0 m、凈高4.3 m，凈網段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 掘進機工作面具體參數（單位：mm）

1.4 測量點的安排

掘進機每一班次（每8 h）的掘進任務是行駛1 m。由于巖石硬度高，切割難度較大，因此在每個測量點測試時間為3～5 min。在掘進機工作中，回轉機構帶動懸臂上下、左右擺動，在擺動過程中，截割頭的運動學參數和動力學參數不斷發生變化。縱向截割頭的擺動速度和轉速是影響掘進機生產率、工作平穩性和截割比能耗的重要因素[5]。回轉臺的合理結構與否決定掘進機的工作性能及整機的穩定性，其結構強度、剛度不足將造成截割性能的降低和疲勞斷裂[6]，因此，根據實際情況和測試目的，該測試主要針對掘進機的轉盤（1 號點）和主框架（2 號點）。加速度傳感器安裝在圖4 所示的位置。

圖4 測量點布局方案

2 測試結果和振動分析

通過使用MATLAB 軟件對振動信號進行頻域分析，圖5 和圖6 給出了轉盤和主框架的頻域分析圖，表1 和表2 為二者的時域統計指標。從轉盤與主框架頻域分析的比較可以得出以下結論：從最大值、峰值和有效值來看，轉盤的振動幅度都比主框架大。強烈的振動容易造成支撐部件損壞。與氣缸相連的銷孔會因振動而變大并影響連接穩定性，因此有必要對氣缸進行定期檢查，以進行故障排除。掘進機在剛開始運行時會快速振動，此后逐漸變得平穩。從圖5 和圖6可以看出，切割時的振動要比空載更強烈。轉盤峰值指數較小，主框架的峰度指數相對較大，說明振動對轉盤的影響小于對主框架的影響。主框架在工作過程中的振動一直比較穩定，最大值、峰值和有效值較小，可以說明，掘進機工作時主框架的振動很小。主框架的峰度指數很大，而峰度指數對撞擊信號特別敏感，結果表明，由于主框架是掘進機的主要支承機構，因此更容易受到剛性沖擊的影響而產生振動磨損故障，因此有必要對主框架進行定期的故障診斷，以防止由于掘進機長期的沖擊和振動引起的裂紋。

圖5 轉盤時域頻譜

圖6 主框架時域頻譜

表1 轉盤時域統計指標

表2 主框架時域統計指標

3 結語

機械振動會對掘進機造成很大的破壞，容易使橫梁，缸體，主機架，零部件和結構頻繁損壞，從而使掘進機行駛成本提高，并降低了行駛效率。回轉機構是作業機構與動臂式掘進機的齒條形成裝置的可動支撐和連接。在每個關節承受的復雜沖擊載荷下，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機性能為長遠目的，觀察、總結掘進機在惡劣工作環境下常發生的故障形式或失效狀態，提出以關鍵部件為研究對象，通過實驗研究和理論分析掘進機的振動特征，為提高掘進機截割效率和整機穩定性提供參考，對改善掘進機故障診斷和設計具有重要的現實意義。