基于有限元法和地下煤礦數據的掘進機轉盤振動分析

仝重宇

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司機電部， 山西 大同 037000）

引言

掘進機在切割過程中，不均勻的工作介質、不同程度的硬度和不規則的巖石形狀會導致嚴重的不規則振動。這些振動對切割臂有直接影響，轉盤是切割臂和機體之間的橋梁。因此，轉盤在掘進機中起著重要的作用。轉盤通常受到復雜的可變載荷的沖擊，這可能導致疲勞開裂[1]。本文旨在通過對掘進機轉盤振動的分析，提出一種準確的煤礦井下設備振動分析方法。最后，將仿真結果與模態實驗進行了比較。仿真與實驗的對比結果表明，轉臺的振動特性是可靠合理的。

1 掘進機和轉盤結構分析

轉盤是連接切割臂和基座本體的結構部件。它對整機的可靠性和穩定性有明顯的影響。一般的轉盤由一個旋轉體、回轉軸承和兩個對稱的旋轉氣缸組成，如圖 1 所示[2]。

圖1 掘進機整體與轉盤結構示意圖

2 振動分析模型的建立

2.1 3D 實體模型建立

在切割煤炭物料的過程中，切割臂的擺動由旋轉臺的旋轉驅動。切割煤產生的沖擊負載可以從切割頭和臂進行傳遞。為了簡化計算，去掉了一些不重要的部件[3]，可以開發出一個轉盤的實體模型，如圖2所示。

圖2 轉盤和柱體的實體模型

2.2 振動數據的選擇和導入

為了記錄掘進機振動數據，記錄了掘進機在地下煤礦開挖面工作的狀態參數和位置角。以掘進機的工作周期為例，可以計算出截割頭和扭矩的關系序列，如圖3 所示。

圖3 切割頭的扭矩隨時間變化曲線圖

系統監測周期為1 000 s。根據時間與轉矩的關系，在這段時間內負載幅值明顯增加。此外，在此期間，X 軸和Y 軸的受力幅值也增大，掘進機的沖擊載荷和振動最為劇烈，這時很容易發生轉盤等易損件的故障，因此應從該時間段中選擇模擬負荷數據。由于氣缸壓力測量時的采樣頻率為1 Hz，因此在模擬過程中無法應用切割頭的時間序列。因此，采用線性最小二乘法對數據進行選擇和擬合，用于振動模擬[4]。

加載負載后，使用ANSYS 測量鉸接至轉臺、切割臂和氣缸的關節的力。然后可以獲得工作條件下轉臺上的負載。根據轉臺分析，當偏轉角在為-15°～20°時，提升機和旋轉油缸的壓力較大，受力條件復雜。載荷力和扭矩比任何其他位置角度都大[5]，因此這是旋轉工作臺振動分析的典型案例。以轉臺和工作臺的鉸接點為例，受力隨時間變化，如圖4 所示。

圖4 轉臺與主體交接點受力曲線示意圖

對所有6 個標記點的力進行快速傅里葉變換處理，可以得到功率譜密度（PSD）和相位曲線，用于導入ADAMS 的振動模型，可以看作是轉臺振動模型的激勵載荷。

2.3 振動模型分析

在ANSYS 中模擬的掘進機參數如表1 所示。在轉臺有限元模型中，采用RBE2 剛性約束單元。下側節點和轉臺銷的自由度（DOF）受到約束。然后分析約束后的有限元模型，并將導出的模態中性文件導入ADAMS 。基于模態中性法和柔性體端口[6]，利用ADAMS建立振動模型，開發了有限元和振動模型，如圖5 所示。

表1 材料參數統計

圖5 轉臺有限元振動模型

通過有限元軟件分析，前六階振動頻率為152.399 Hz、166.591 Hz、251.626 Hz、311.365 Hz、321.16 Hz、470.726 Hz。同時通過軟件分析得出當所有通道都被激發時，頻率響應函數的振幅從0 增加到20 Hz。當頻率大于20 Hz 時，這個大的振幅會急劇下降。當激勵頻率大于20 Hz 時，轉盤也會發生輕微的響應。當頻率相似時，雙臂和圓柱鉸鏈接頭附近點的振幅較大，轉盤下面點的振幅最小。轉盤上最大的振動部件是最脆弱的部件。當頻率為4 Hz 或14.6 Hz 時，響應振幅大于10 Hz 時的頻率。

3 振動模態實驗

為了驗證分析方法的準確性，對轉臺進行了振動模態測試。模態試驗中使用的實驗系統由勵磁系統、測量系統和分析系統組成，如圖6 所示。在這個模態實驗中，激發系統包括一個激勵錘和力傳感器。錘內安裝了傳感器，當錘敲擊轉盤時，可以直接測量輸入的激勵信號。在轉盤的測量點安裝一個加速度傳感器，可以測量各點的響應。激勵信號和響應都可以同時記錄使用信號采集裝置。為了模仿轉盤的自由狀態，它被一個重塊掛起來。出于安全考慮，支架被放在了地上。在試驗過程中，采用錘式法進行激勵。

圖6 測試系統架構圖

在本實驗中，采用盡可能多的響應點和激勵點，測量點均勻排列。根據可用的故障統計數據，在脆弱區域布置了更多的測量點，以減少任何模態泄漏。轉盤上的測試標記點如圖7 所示。

圖7 測試點示意圖

為了獲得高質量的錘式激勵，錘式需要垂直于激勵點的平面，快速敲打激勵點并迅速被帶回來。此外，激勵力需要平均超過三次嘗試，以盡可能避免隨機誤差。所有的數據都被記錄下來。測試數據用MATLAB軟件進行處理，然后通過PolyIIR 進行數據輸入。根據穩定圖確定了振動的順序。最后，得到了模態的振動模態、頻率和阻尼比。

實驗與模擬的比較如下頁表2 所示。通過實驗結果確定振動模式、頻率和阻尼比與仿真結果相對應。但模擬和實驗的振動模式有明顯的區別。模擬無法識別轉盤的右下側和左上側振動。雖然模擬和實驗都利用了自由條件，在裝配和約束中仍然存在分歧。基于實際裝配條件進行了仿真，并采用了鉸鏈銷。因此，相鄰區域的鉸鏈銷的振動受到了一定程度的限制，因此不能通過模擬來識別這種類型的振動。盡管有一些細微的區別，模擬和實驗之間的一致性是明確的，因此這種類型的分析方法可以被認為對于這種特定的設備是合理和可行的。

表2 實驗與模擬

4 結論

根據前六階振型的仿真結果，以及頻率、阻尼比和相應的實驗結果，確定了煤礦井下掘進機轉盤的振動情況。將振動模型和試驗數據引入轉臺振動分析，其結果與模態試驗相符。該方法確定了轉臺振動響應的主頻，得出兩臂和圓柱鉸鏈接頭附近的點的振幅是轉盤的最大區域，轉盤底面的振動最小。通過振動分析，可以確定和預測轉臺的易損件。在設計和制造過程中，可以通過結構優化和減振措施對這些易損件進行加固或改進。通過振動分析得出的一些相關結論可以總結如下:

1）仿真結果與實驗結果仍有一定差異，如果能在真實工況下進行模態實驗，將會更加可靠。

2）實驗中應用的掘進機轉盤的振型、頻率和阻尼比取決于激勵時間、強度、錘擊角等因素，因此不完全準確。為了使模擬結果和實驗結果更趨于一致，錘擊方法需要多次嘗試。