垂直截割工況下掘進機振動特性研究

趙成龍

（晉能控股煤業(yè)集團高山煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

引言

礦用掘進機不僅可以實現(xiàn)煤巖的截割、破碎，還可完成裝載及運輸?shù)裙ぷ鳎浣M成部分含有截割機構(gòu)、行走機構(gòu)、刮板運輸機、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機架等，其中截割機構(gòu)又叫作工作機構(gòu)，主要用于煤巖的破碎動作，還可形成滿足要求的任何巷道斷面形狀；裝載機構(gòu)是經(jīng)刮板或三爪星輪將截割破碎的煤巖進行運動集裝，利用刮板輸送機輸送至轉(zhuǎn)載機上；行走機構(gòu)作為掘進機的整個連接支撐基礎，同時也是掘進機驅(qū)動行走的執(zhí)行機構(gòu)；以高壓油為動力源的液壓系統(tǒng)，是利用液壓馬達及液壓缸來對掘進機的各個部位進行驅(qū)動[1]；電氣系統(tǒng)主要是掘進機提供動力，進而對各個電動機的運行進行控制，另外，還可進行短路、漏電、過載、失壓、斷相等保護，以及作為工作預警信號；機架是用來支撐、安裝和連接掘進機的各個系統(tǒng)部件。截割部主要組成部位含有截割電機、截割頭、截割減速器等，作為二級行星齒輪傳動的截割部，經(jīng)過齒輪連軸節(jié)將電動機輸入的動力傳送給截割部減速器，通過懸臂段再將動力傳送至截割頭，經(jīng)過截割頭的升降、旋轉(zhuǎn)及回轉(zhuǎn)臺的水平擺動截割完成煤巖的破碎動作[2]。由此可見，掘進機的截割頭作為破碎煤巖的主要工作機構(gòu)，在截落煤巖時會受到劇烈的振動沖擊，進而影響掘進機的穩(wěn)定運行。掘進機截割部在掘進時的運動形式有回轉(zhuǎn)水平擺動和垂直截割兩種形式，本文主要分析的是垂直截割工況下掘進機的振動特性，進而提升掘進機的可靠性和工作效率，降低故障發(fā)生率。

1 掘進機工作原理及其動力學模型分析介紹

掘進機是利用行走部件驅(qū)動整機完成掘進機的進給和后退動作，當掘進機到達截割作業(yè)面后，利用升降油缸懸臂來進行截割高度的調(diào)整，回轉(zhuǎn)、升降油缸帶動截割臂左右、上下擺動截割，同時旋轉(zhuǎn)截割頭，并在截割頭的作用下完成煤巖破碎動作。在掘進機截割過程中，先在行走機構(gòu)或伸縮油缸的驅(qū)動作用下，截割頭縱向伸入煤巖表層一定距離后，并沿水平方向的一側(cè)擺動截割臂，到達預設的邊界后，在垂直位置上截割一定高度的煤巖，再反向水平截割，直至達到另一邊的截割預設邊界，再循環(huán)豎直、水平截割，這樣多次往復動作，直至整個工作面的截割作業(yè)結(jié)束，由此，隨著掘進機的掘進，持續(xù)重復上述進程，最終完成整個巷道的掘進[3]。

對于掘進機垂直截割工況下的動力學分析，本文是將掘進機截割臂作為彎曲振動懸臂梁考慮，將截割頭作為截割臂末梢的集中力量考慮，而將在破碎煤巖過程中截割頭受到的阻力分解為兩個正交方向上的阻力。此外，還將掘進機機身、回轉(zhuǎn)機構(gòu)分別作為兩個質(zhì)量塊考慮，將掘進機推動力作為作用在機身上的推動力考慮[4]，通過設立以上模型，便于分析掘進機在垂直截割工況下的動力學特性，進而深入了解掘進機在工作時的特征。

2 垂直截割工況下掘進機振動特性分析研究

本文掘進機設定研究參數(shù)機身質(zhì)量M1為3×104kg，回轉(zhuǎn)調(diào)高機構(gòu)質(zhì)量M2為2.65×103kg，m為7×103kg，截割頭質(zhì)量m為1.5×103kg，機身行走機構(gòu)與巷道的連接剛度系數(shù)k1為1.2×106N/m，機身后支撐機構(gòu)與巷道的連接剛度k2為0.8×106N/m，回轉(zhuǎn)調(diào)高機構(gòu)和機身的連接剛度k3為0.4×106N/m，機身行走機構(gòu)與巷道的阻尼系數(shù)c1為1.25×104Ns/m，機身后支撐機構(gòu)與巷道的阻尼系數(shù)c2為0.8×104Ns/m，回轉(zhuǎn)調(diào)高機構(gòu)和機身的阻尼系數(shù)c3為0.4×104Ns/m。

通過采用Matlab軟件對掘進機在垂直截割工況下的動力學進行分析，得到下頁圖1和圖2所示的掘進機機身和回轉(zhuǎn)機構(gòu)在垂直方向上的振動響應。圖1中，在初始工作階段，掘進機垂直振動狀態(tài)為上下波動的振動形式，一段時間波動后，機身趨于穩(wěn)定振動響應，且其在垂直方向上的振動位移波動范圍在-4.1～4.1 mm之間。

圖1 掘進機機身垂直方向振動位移變化曲線

圖2 掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)垂直方向振動位移變化曲線

圖2中，掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)豎直振動量在初期階段，波動狀態(tài)比較大，隨后振動狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)下的振動范圍在-6.8～6.8 mm之間。由于掘進機截割頭在破碎煤壁過程中，產(chǎn)生的負載激勵作用由截割臂、回轉(zhuǎn)機構(gòu)最后轉(zhuǎn)至機身，從圖1和圖2對比可看出，掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生的振動量大于機身，且機身和回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的振動響應區(qū)域均呈現(xiàn)周期穩(wěn)定變化。

采用上述同樣的方法分析掘進機垂直截割工況下的動力學，掘進機機身進給方向的振動響應及截割臂的振動響應變化情況如圖3和圖4所示。圖3中，掘進機在截割煤巖前進過程中，在初始狀態(tài)下機身產(chǎn)生劇烈的振動變化形式，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，并成三角函數(shù)波動，且振動響應在-4.7～4.7 mm范圍內(nèi)。

圖4中，掘進機截割臂振動響應趨于穩(wěn)定的三角函數(shù)波動狀態(tài)，振動區(qū)間在-11～11 mm，且截割臂末端振動波動位移在-27.8～27.8 mm范圍內(nèi)。從圖3和圖4對比可知，掘進機截割臂振動比較劇烈，受影響程度也較大。

3 結(jié)論

圖3 掘進機機身水平方向振動位移變化曲線

圖4 掘進機截割臂位移動態(tài)響應變化曲線

為提高掘進機工作的可靠性，從而降低井下故障率，本文主要對掘進機在垂直截割工況下的振動特性進行動力學分析，結(jié)論是：

1）掘進機初始工作階段垂直振動狀態(tài)為上下波動的振動形式，后趨于穩(wěn)定，機身振動位移波動范圍在-4.1～4.1 mm之間，回轉(zhuǎn)機構(gòu)在-6.8～6.8 mm之間，回轉(zhuǎn)機構(gòu)產(chǎn)生的振動量大于機身，且其振動響應區(qū)域均呈現(xiàn)周期穩(wěn)定變化。

2）掘進機機身在前進方向的振動位移在-4.7～4.7 mm范圍內(nèi)，截割臂振動響應波動位移在-11～11 mm范圍內(nèi)，且均成穩(wěn)定的三角函數(shù)波動狀態(tài)。