亢紅波，李占龍，韓斌慧，張建廣

（1. 西安郵電大學(xué)自動化學(xué)院，陜西 西安 710121；2. 西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；3. 中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

近年來，機械化隧道掘進技術(shù)成為地下空間建設(shè)和礦物開采中必備的工程技術(shù)之一，并得到快速發(fā)展．掘進機作為機械化隧道掘進技術(shù)的主要設(shè)備，由于具有采掘效率高、操作靈活、使用安全、開采成本低等優(yōu)點，被隧道施工、礦山開采等領(lǐng)域廣泛采用[1-3]．

隨著掘進條件和工程建設(shè)要求的日益苛刻，重型化和大功率成為掘進機主要的發(fā)展趨勢之一．目前整機功率已經(jīng)達到400kW以上，截割硬度達到f3-f12．電控箱是掘進機的核心部件之一，被稱之為掘進機的“大腦”，負責(zé)掘進機工作行為的控制，關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄等重要任務(wù)．由于掘進機工作環(huán)境惡劣，通常在“非路面”上行走和截割，工作電機功率大，且具有擊破型工作特點，機體振動強烈，可能導(dǎo)致電控箱內(nèi)電器元件失靈、脫落、線路斷接等故障，甚至?xí)痣娍叵涞谋ㄊ鹿蔥4-6]．因此對電控箱實施有效的隔振措施對提高掘進機工作可靠性和安全性具有實際意義．

本文對某重型隧道掘進機電控箱在多種工況下的振動特性進行試驗，擬掌握不同工況下下電控箱的振動特點，包括振動時域分布、頻譜分布、振動烈度，為電控箱新型隔振器的研發(fā)提供基礎(chǔ)試驗依據(jù)．

1 試驗部分

1.1 試驗場地簡介

本試驗在煤礦采掘機械裝備國家工程試驗室整機性能試驗場的人工巖壁試驗場進行，如圖1．該試驗場是為掘進機的設(shè)計和研究而開發(fā)的全真地面試驗平臺，以掌握整機性能，解決掘進機在設(shè)計中的關(guān)鍵和難點問題，從而提升整機和關(guān)鍵元部件的設(shè)計水平．試驗場主要由假巖壁和模擬隧道構(gòu)成．假巖壁由各種結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)的材質(zhì)組合成，以模擬不同硬度等級的巖壁；模擬隧道用來模擬掘進機工作巷道及底板條件等環(huán)境，配有通風(fēng)和除塵系統(tǒng)．掘進機通過模擬隧道到達工作面對假巖壁進行截割，分布在掘進機機體各處的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對掘進機在不同截割工況下的工作參數(shù)進行記錄（油路油壓和流量、電路電壓和電流、關(guān)鍵部位的加速度和位移、粉塵濃度和噪音水平等），通過測試后處理軟件及人工分析等手段，獲取掘進機的整體表征數(shù)據(jù)值，并和相關(guān)標準對比，進一步研究掘進機最大功率工況、最大振動工況、最大振動部位、截齒消耗最嚴重工況、失穩(wěn)工況，促進大功率、可靠性高、硬巖掘進機及其配套通風(fēng)除塵設(shè)備研發(fā)水平的不斷提升．

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗依據(jù)

依據(jù)《MT/T238.3-2006 懸臂式掘進機第 3部分：通用技術(shù)條件》進行開切試驗和截割試驗，測試掘進機電控箱在的空載、鉆進、向左橫掃、向下豎掃工況下各部位的振動情況；提供電控箱的振動數(shù)據(jù)，分析其減振效果并為其在振動可靠性試驗中提供原始數(shù)據(jù)．試驗流程圖如圖2．

圖1 人工巖壁試驗場及試驗掘進機Fig. 1 Artificial rock test field and experimental road header

圖2 試驗流程圖Fig. 2 Test process chart

1.2.2 樣機選擇

以重型隧道掘進機為試驗對象，該機型主要應(yīng)用于以碎石為主的巖壁隧道掘進，經(jīng)濟截割硬度可達f6，局部f8，最大可掘高度3.75 m，寬度5.0 m，整機重量36 t，系統(tǒng)額定壓力16 MPa，液壓系統(tǒng)總流量450 L/min．最大截割功率120 kW，總裝機功率190 kW，截割頭額定轉(zhuǎn)速55 r/min，截齒33把，設(shè)計平均單刀力為4 520 N．

1.2.3 假巖硬度

根據(jù)被測機型技術(shù)參數(shù)，試驗場的人工巖壁硬度設(shè)置為f6，為模擬真實巖層硬度分布的隨機不均勻性，在人工巖壁基體上隨機分布硬度f8的硬巖點；在巖壁上標記截割軌跡．

1.2.4 試驗儀器

主要測試儀器見表1．

表1 主要測試儀器Tab.1 The main instrument

1.3 傳感器布置

將三向加速度傳感器（INV9822A）(圖3a)安裝在電控箱上(圖3b)，布點原則以振動部位明顯，安裝牢固，不妨礙操作為標準．

圖3 傳感器布置Fig. 3 Sensor location

1.4 試驗步驟

基于簡潔和連續(xù)性原則，制定如下試驗步驟：

1）空載：開啟掘進機，在保持截割頭額定轉(zhuǎn)速下，空轉(zhuǎn)2 min．

2）鉆進：在人工巖壁標記處先后鉆進300 mm及500 mm孔，當鉆進至500 mm處時，掘進機出現(xiàn)整機跳動劇烈現(xiàn)象,停止鉆進．

3）向右橫掃：在鉆進500 mm深的槽中，整機位置不動，截割臂向右橫掃1 000 mm．

4）向下豎掃：橫掃結(jié)束位置繼續(xù)向下豎掃1 000 mm．

對上述過程以采樣頻率5kHz進行采樣，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)．

2 數(shù)據(jù)與分析

為表述方便，在車身上建立廣義坐標系．X向為掘進機前進方向，Y向為掘進機寬度方向，Z向為與地面垂直方向．坐標軸正方向如圖3b定義．

2.1 振動時域分析

由于測試現(xiàn)場存在環(huán)境噪聲及除塵風(fēng)機噪聲等主要干擾源，對采樣原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理[7](去趨勢項，平滑處理，濾波處理)后，截取被測部件在各工況下穩(wěn)定運行時段（空載：60～70 s；向左：60～70 s；向下：40～50 s；鉆進：20～30s）的時域數(shù)據(jù)進行分析．相關(guān)部件不同工況下的時域如圖4．

圖4 不同工況z向振動時域圖Fig. 4 Z direction vibration time domain figure in the different working conditions

對振動信號進行分析計算后得電控箱在四種工況下的振動加速度的最大值（Max）和均方差（Std），見表2．

1）空載工況下，電控箱振動維持在穩(wěn)定水平，整體振動波動較小，振動信號為擬周期形態(tài)，z向振動幅值最大值最大，為x, y方向最大值的208%和212%；由均方差可知，電控箱振動在z向波動亦最大．

表2 振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.2 Vibration data statistics

2）截割工況下，振動信號為非平穩(wěn)隨機信號，并伴隨瞬態(tài)沖擊，具有非線性振動的典型特征．z向振動幅值最大值仍為最大，振動波動也最激烈；向左和向下截割時，y向最大值大于x向，但振動波動小于x向；鉆進工況y向的最大值和振動波動均大于x向．

3）合成加速度可綜合反映振動強度．從合成加速度來看，鉆進工況下綜合振動最激烈，其次為向左、向右截割工況，最后為空載工況．

4）在截割過程中，振動信號帶的瞬時沖擊是由于截齒遇到硬度f8的隨機分布硬巖點，截齒與巖壁發(fā)生復(fù)雜的力學(xué)耦合作用，產(chǎn)生的交變沖擊載荷導(dǎo)致掘進機急劇振動．

由上述現(xiàn)象可知，鉆進工況為振動最激烈的一種工況，這是由于鉆進時，截割頭完成縱向進給，截割頭在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時，在伸縮油缸的作用下，沿x軸向向前推進．截割頭上的所有截齒跟隨截割頭做縱向推進，并繞其軸線回轉(zhuǎn)．每個截齒的齒尖運動軌跡是三維空間螺旋線[8]．對于單個截齒而言，鉆進時截割頭與巖壁之間以空間螺旋線方式相對運動，截割軌跡一方面沿截割頭軸向延伸，另一方面還沿徑向擴展，截齒與巖石相互作用力最復(fù)雜，相互作用投影面積最大，從而導(dǎo)致激烈振動．此外，隨著截割頭鉆進深度的加大，同一時刻參與作用的截齒數(shù)增加，振動最大．

相對于其他截割工況，向下工況的振動幅值較小，這是因為截割頭與巖壁作用點和履帶著地點構(gòu)成二力點，對掘進機整機起到支撐作用，導(dǎo)致截割臂和機身部分自重參與了向下豎掃作用，降低截割電機輸出功率，進而導(dǎo)致振幅降低．

2.2 振動頻域分析

對振動信號進行譜分析，得到被測部件各工況的前10階主振頻，如圖5．

由圖5及表3可知，電控箱在各工況下的主頻帶分布較寬，在10～1 000 Hz內(nèi)．系統(tǒng)頻率成分比較復(fù)雜，存在多個峰值頻率簇，這是由于系統(tǒng)存在多轉(zhuǎn)動機構(gòu)和非線性周期作用，以及實驗環(huán)境的噪聲等原因造成的．不同工況下，各部位的主振頻分布亦不盡相同，原因是不同工況下掘進機外部載荷和內(nèi)部激勵不相同，比如，截割頭與巖壁的復(fù)雜作用形式，截割電機的輸出功率，截割減速器的轉(zhuǎn)動情況等．

空載工況下各階頻率較大，截割工況下對應(yīng)各階頻率降低，例如，空載工況下首階頻率為100 Hz，向下豎掃、向左橫掃和鉆進工況的首階頻率分別為：12.5 Hz，20.31 Hz，24.56 Hz．這是由于截割工況下，截割頭與巖壁接觸作用，可視為增加了掘進機整機的基礎(chǔ)接觸點，從而降低了各階主頻率．

截割工況下，一階主振頻分布在10～20 Hz，二階主振頻分布在60～63 Hz，三階主振頻分布在110～130 Hz，四階主振頻分布在190～210 Hz，五階主振頻分布在250～450 Hz，與行星減速器嚙合頻率和轉(zhuǎn)動頻率重合，即：一級嚙合頻率為385 Hz，在第五階主振頻之間；二級嚙合頻率為62.37 Hz，接近第二階主振頻；一級行星輪轉(zhuǎn)動頻率為12.93 Hz，接近第一階主振頻，為第一階振型激振源．

圖5 頻率分析Fig. 5 Frequency analysis

2.3 振動烈度

振動烈度是衡量機組振動強弱的指標，可以用來評價隔振后機組振動是否滿足規(guī)定的要求[8]．

振動烈度為振動速度的有效值，表達式為[9]：

式中：rmsv 為振動速度有效值，mm/s； (t)v 為振動速度函數(shù)，mm/s；T振動周期，s．

表3 前五階主振頻Tab.3 The first five dominant frequencies

由于本試驗測試所得為離散數(shù)據(jù)，故離散振動速度有效值為：

式中：N為采樣點數(shù)；iv為采樣點對應(yīng)的振動速度．根據(jù)ISO2372標準，當量振動烈度為：

式中：rmsV 為當量振動烈度；xrmsv 、yrmsv 、zrmsv 分別為x, y ,z向速度有效值．

用分貝表示為：

式中：Vdb為當量振動烈度分貝表示；Vref為參考值，推薦值 1 0-5mm/s ．

根據(jù)式(1)-(4)及試驗數(shù)據(jù)計算電控箱不同工況下振動烈度，并依據(jù)ISO 2372對其等級進行評價[10]，見表4.

表4 振動烈度和振動等級Tab.4 The vibration intensity and level

由表3可知，空載工況下，電控箱的振動烈度最小，等級均為A（良好）；向下豎掃和向左橫掃振動烈度相當，等級為B（容許）；鉆進工況下振動烈度最大，等級為C（可容忍），明顯影響到電控箱內(nèi)電子設(shè)備的安全性和可靠性．

3 結(jié)論

大功率硬巖掘進機工作環(huán)境非常惡劣，機體振動強烈，故障頻發(fā)．對掘進機核心部件—電控箱的振動特性研究有助于提高整機的可靠性與安全性．由于電控箱工作條件的特殊性，導(dǎo)致相關(guān)實驗條件苛刻，成本很高且重復(fù)實驗困難，相關(guān)公開資料非常匱乏，給電控箱的設(shè)計、研究帶來難度．本文借助采掘機械裝備國家工程實驗室，對某重型隧道掘進機電控箱在多種工況下的振動特性進行了試驗研究，為電控箱新型隔振器的研發(fā)提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)，主要結(jié)論如下：

(1)電控箱在各工況的振動為非穩(wěn)態(tài)非線性振動，并伴隨瞬態(tài)沖擊；工況之間，鉆進工況為振動最激烈，等級達到C（可容忍），明顯影響到電控箱內(nèi)電子設(shè)備的安全性和可靠性．因此，要以鉆進工況的振動為隔振目標，研制新型隔振器，使其振動烈度達到B級以上，改善電控箱的工作環(huán)境，提高其工作可靠性和壽命．

(2)電控箱在各工況下的主頻帶分布較寬，前五階主振頻在10-500Hz內(nèi)．系統(tǒng)頻率成分比較復(fù)雜，存在多個峰值頻率簇，且高頻振動幅值較大．因此在電控箱隔振設(shè)計時，要從系統(tǒng)角度出發(fā)，研究整機模態(tài)與局部模態(tài)的相互耦合作用機理，合理避開各工況下具有大振幅的主振頻．

(3)下一步研究將在本試驗研究掌握的振動特性基礎(chǔ)上進行有效的電控箱隔振設(shè)計，并對電控箱內(nèi)電控元件在振動環(huán)境下的表現(xiàn)進行建模，研究其耐振性和可靠性，從而提高掘進機整機的可靠性與安全性．

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