采煤機(jī)截割部動力學(xué)特性仿真與振動試驗(yàn)研究

王 勇

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司店坪煤礦機(jī)電管理部，山西 呂梁 033100）

引言

1 采煤機(jī)概述

目前，綜采工作面普遍應(yīng)用的采煤機(jī)為滾筒式采煤機(jī)，主要包括截割部、牽引部、電氣控制箱和行走部。本文以MG300/700-WDK 型采煤機(jī)為例開展系列研究，并具體對其截割部的動力學(xué)特性展開研究。采煤機(jī)截割部的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，截割部的截X 軸組件和惰X 軸組件將截割電機(jī)輸出的扭矩經(jīng)減速后達(dá)到提高扭矩的目的，最后通過截割部行星機(jī)構(gòu)將能量傳遞至截割滾筒。截割滾筒上分布的截齒完成對煤層或巖層的采煤任務(wù)；由于截齒呈現(xiàn)一定的螺旋角度，從而實(shí)現(xiàn)裝煤任務(wù)。

圖1 采煤機(jī)截割部基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 采煤機(jī)截割部調(diào)高擺動特性仿真分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于每個位置的煤層厚度和高度均是不同的[2]。因此，通過調(diào)高油缸實(shí)現(xiàn)對搖臂的擺動控制，從而達(dá)到增加或降低截割高度的目的。本節(jié)將重點(diǎn)對截割部調(diào)高擺動特性和截割煤層時動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。具體闡述如下：

由于工作面頂板煤層或巖層的地質(zhì)條件差異較大，截割部所承受的載荷也處于動態(tài)變化狀態(tài)，從而導(dǎo)致截割部出現(xiàn)不同程度的擺動狀態(tài)，進(jìn)而影響采煤機(jī)截割部的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。本節(jié)通過對采煤機(jī)截割部調(diào)高擺動特性進(jìn)行仿真分析，擬為后續(xù)截割部的減振提供支撐。

2.1 采煤機(jī)截割部調(diào)高動力學(xué)模型建立

由于采煤機(jī)截割部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在兼顧仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和計(jì)算量兩方面因素的基礎(chǔ)上，需對采煤機(jī)截割部進(jìn)行簡化處理[4]。如假設(shè)在仿真過程中采煤機(jī)機(jī)身處于靜止?fàn)顟B(tài)，僅搖臂和滾筒按照工作狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)；滾筒、搖臂與機(jī)身之間的相互連接均為剛性連接狀態(tài)。

本文將基于Simulink 軟件構(gòu)建采煤機(jī)截割部調(diào)高動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合MG300/700-WDK 采煤機(jī)的相關(guān)參數(shù)在數(shù)學(xué)模型中賦值?；赟imulink 所建立的采煤機(jī)截割部動力學(xué)模型如下頁圖2 所示。

基于圖2 中所建立的仿真模型，在同一工況下，即截割部滾筒所承受的負(fù)載一致，對調(diào)高油缸的不同阻尼和剛度組合下對應(yīng)調(diào)高擺動特性進(jìn)行仿真分析，具體如下頁表1 所示。

表1 模擬四種截割工況下對應(yīng)調(diào)高油缸的阻尼和剛度

圖2 采煤機(jī)截割部動力學(xué)仿真模型

2.2 調(diào)高擺動特性仿真結(jié)果分析

基于Simulink 仿真模型對不同阻尼和剛度組合下調(diào)高油缸的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析，得出如下結(jié)論：

從圖9可看出，隨著行車速度的逐步增大，速度與撓度并非呈線性變化，而是在某些速度點(diǎn)處有下降現(xiàn)象，但總體來說隨速度增加撓度呈上升趨勢，且貨車質(zhì)量越大引起跨中動撓度值越大。

1）調(diào)高油缸剛度一致時，隨著油缸阻尼的增大，對應(yīng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間縮短。因此，可適當(dāng)?shù)靥岣哒{(diào)高油缸的阻尼，以減少其瞬態(tài)振動，并保證其在很短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2）調(diào)高油缸阻尼一致時，調(diào)高油缸剛度越小，對應(yīng)系統(tǒng)能量衰減時的振蕩越劇烈。因此，可通過適當(dāng)提高調(diào)高油缸的剛度，使其在振動狀態(tài)下盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)振動階段，從而保證采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行性[5]。

綜上，為保證采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)選用剛度和阻尼較大的調(diào)高油缸，從而減輕截割部滾筒不規(guī)則載荷傳遞機(jī)身的振動。

3 采煤機(jī)截割部試驗(yàn)研究

上述是從理論層面分析了采煤機(jī)調(diào)高油缸擺動的動力學(xué)特性。本節(jié)將通過搭建試驗(yàn)臺對采煤機(jī)在空載和加載工況下采煤機(jī)截割部的振動情況進(jìn)行檢測。

3.1 截割部試驗(yàn)臺簡介

本節(jié)通過對采煤機(jī)截割部在空載和加載工況下的振動情況進(jìn)行測試，擬為后續(xù)采煤機(jī)截割部的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。具體通過加速度傳感器對截割部的振動情況進(jìn)行采集。所構(gòu)建的試驗(yàn)平臺如圖3 所示。

在圖3 所示的試驗(yàn)平臺中，為其增加水力測功機(jī)，水力測功機(jī)輸出的扭矩將直接加載于被測搖臂上，實(shí)現(xiàn)其在加載工況下的狀態(tài)。本試驗(yàn)平臺所配置的加速度傳感器型號為YJ9A，所配置的數(shù)據(jù)和信號采集設(shè)備的型號為INV306U，為保證數(shù)據(jù)傳輸過程中不失真，在數(shù)據(jù)傳輸鏈路上增加了組合式抗混濾波放大器，具體型號為INV。將所采集的信號傳輸至上位機(jī)后，將采用DASP-V10 分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 采煤機(jī)振動試驗(yàn)平臺

3.2 不同工況下試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 空載工況

在空載工況下對截割部兩處位置的振動信號進(jìn)行監(jiān)測，其對應(yīng)頻域的振動信號如圖4 所示。

圖4 空載工況下振動信號頻域結(jié)果

由圖4 可知，在第一個振動測試點(diǎn)的能量主要集中在198 Hz 的位置，該處頻率為傳動機(jī)構(gòu)中行星機(jī)構(gòu)嚙合頻率的3 倍值；而在第二個振動測試點(diǎn)的能量主要集中在252 Hz 的位置，該處頻率為傳動機(jī)構(gòu)中第二級直齒傳動齒輪嚙合頻率。

3.2.2 加載工況

在加載工況下對截割部兩處位置的振動信號進(jìn)行監(jiān)測，其對應(yīng)頻域的振動信號如下頁圖5 所示。

由圖5 可知，在第一個測試點(diǎn)的能量主要集中在108 Hz 和216 Hz 的位置；理論上第三級直齒圓柱齒輪的嚙合頻率為108 Hz。由此可以得出，采煤機(jī)搖臂殼體在X 方向的振動是由于第三級齒輪傳動的嚙合沖擊所導(dǎo)致的。第二個測試點(diǎn)的振動情況和第一個測試點(diǎn)類似。

圖5 加載工況下振動信號頻域結(jié)果

4 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，截割部作為直接與煤層或者巖層接觸的部件，其所承受的載荷將通過搖臂傳遞至機(jī)身。為掌握采煤機(jī)的動力學(xué)特性，擬為后續(xù)采煤機(jī)截割部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐，重點(diǎn)對采煤機(jī)截割部擺動動力學(xué)特性和截割部的振動情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1）為保證采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)選用剛度和阻尼較大的調(diào)高油缸，從而減輕截割部滾筒不規(guī)則載荷傳遞機(jī)身的振動。

2）在空載工況下，在第一個振動測試點(diǎn)的能量主要集中在198 Hz 的位置，在第二個振動測試點(diǎn)的能量主要集中在252 Hz 的位置。

3）在加載工況下，第一個和第二個測試點(diǎn)的振動情況類似，能量主要集中在108 Hz 和216 Hz 的位置。