變負載工況下采煤機截割部動態特性研究

郝雁飛

（左權縣應急管理綜合行政執法隊， 山西 晉中 032600）

引言

隨著煤炭資源的不斷開采和山西省高質量轉型發展的規劃要求，針對煤炭的開采將逐步走向深部化和智能化的方向，深部煤層復雜的地質條件對采煤機的性能提出了更高的要求。采煤機作為多級齒輪傳動系統的集合，其結構相對復雜，發生故障的原因也眾多，究其原因在于針對采煤機的相關理論研究較為薄弱且關鍵技術相對落后[1]。因此，本文重點針對采煤機截割部在變負載工況下的動態特性進行研究，旨在為提升采煤機在復雜工況下的生產效率和開機率奠定理論基礎。

1 采煤機概述

采煤機作為綜采工作面的主要設備，其承擔著截割煤炭和裝煤的任務，其能夠根據煤層地質條件變化對截割深度、截割高度、行走速度等參數進行調整。采煤機的結構主要分為截割部、行走部和控制系統三部分。其中，控制系統位于采煤機的中間箱體中主要是對采煤機行走部和截割部進行控制[2]。本文以采煤機截割部為主體開展研究，截割部又可細分為截割電機、傳動系統、截割滾筒等部件，截割部的典型結構如圖1 所示。

圖1 采煤機截割部結構示意圖

據統計表明，采煤機截割部功率消耗占據整機的80%以上，其也是整機環節中相對薄弱的機構。在實際生產中，截割部發生故障的比例高達46.15%；而且以截割部傳統系統的故障率最高，其次為截割部的齒輪故障。同時，隨著煤炭開采朝著智能化、煤層深部化的方向發展，截割部在實際生產中面臨著較大的強負載隨機性和強沖擊性，使得采煤機截割部在自主設計和安全運行方面面臨著巨大的挑戰。若在設計初期未掌握采煤機截割部的動態特性，將會導致其在早期階段出現損壞，從而影響采煤機在綜采工作面的生產效率[3]。

因此，本文將重點針對采煤機截割部開展其在變負載工況下的動態特性，具體對不同負載下采煤機搖臂箱體的振動特性、截割部齒輪的嚙合狀態以及截割部的瞬態響應特性進行研究。

2 采煤機截割部動態特性研究

2.1 負載對截割部齒輪嚙合狀態的影響

針對采煤機截割部齒輪嚙合狀態重點關注其在變負載工況下齒輪的嚙頻的變化情況。當截割部的負載系數為1 時，設定采煤機截割部齒輪以平均值為1469.4 r/min 的轉速旋轉，該轉速略小于截割部的額定轉速1470 r/min。不同負載系數下采煤機截割部的轉速和轉速的波動情況如圖2 所示。

如圖2 所示，當截割部所接觸的負載系數從0.2增大至1.8 時，截割部的平均轉速降低幅度約4.4%；隨著負載系數的增加，截割部轉速的波動情況明顯增加，說明截割部的振動加劇。

圖2 不同負載系數下截割部轉速及其波動情況

2.2 變負載下截割部搖臂的振動特性

在變負載工況下，采煤機截割部搖臂為從截割頭到采煤機整機傳遞振動信號的介質，其為采煤機截割部的主要薄弱環節[4]。通過實踐觀察，在不同負載狀態下采煤機搖臂的振動特性處于變化狀態。

2.2.1 搖臂箱體軸承及軸承孔振動加速度變化情況

針對采煤機搖臂在變負載下的振動特性，重點從搖臂軸承和軸承孔的振動加速度反映，負載系數對振動加速度的影響如圖3 所示。

圖3 變負載系數對搖臂箱體軸承及軸承孔振動加速度的影響

搖臂箱體軸承的振動加速度隨著負載系數的增加而增加，呈現近似線性關系；而搖臂箱體軸承孔振動加速度隨著負載呈現先增大后減小的變化趨勢，且當負載系數為1.4 時對應的軸承孔的振動加速度最大。

2.2.2 搖臂箱體振動強度隨負載系數變化情況

采煤機搖臂箱體的振動強度隨負載變化情況如圖4 所示。

圖4 變負載系數對采煤機搖臂箱體振動強度的影響

如圖4 所示，負載系數與采煤機搖臂箱體振動強度呈現近似線性關系，隨著負載系數的增加振動強度線性增加。導致搖臂振動強度變化與截割部電機平均轉速及其轉速波動情況具有明顯直接的關系。為了進一步驗證振動強度與截割電機轉速之間的直接關系，本小節具體開展了負載系數對采煤機搖臂振動的試驗研究。

在實驗室模擬采煤機的生產環境，設采煤機以3 m/min 的恒定速度牽引，通過調節采煤機的截割深度模擬不同的負載系數；同時，采煤機截割電機的轉速不進行控制，單純分析負載系數對采煤機截割部轉速的影響；與此同時，采用PCB 振動加速度傳感器對采煤機搖臂的振動強度進行測量，信號采集頻率為10 Hz，通過試驗測得的結果如圖5 所示。

圖5 負載系數對截割電機功率與箱體振動強度的試驗結果

如圖5 所示，在0～100 s 的測試時間內，截割電機功率增加，對應的截割部搖臂箱體的振動強度增加；在100～350 s 的測試時間內，截割電機功率緩慢減小，對應的截割部搖臂箱體的振動強度也緩慢降低；在350～400 s 的測試時間內，截割電機功率快速增加，對應的截割部搖臂箱體的振動強度也快速增加。

3 結論

1）當負載系數從0.2 增大至1.8 時，采煤機截割部各級齒輪的嚙頻變化幅度較?。欢遥擅簷C截割部各級齒輪的嚙合齒向誤差及其載荷波動系數呈現線性關系。

2）采煤機截割部搖臂的振動強度與截割部電機的轉速呈現直接相關關系，負載系數與采煤機搖臂箱體振動強度呈現近似線性關系，隨著負載系數的增加振動強度線性增加。