張艷軍， 王俊元， 董磊， 杜文華， 李勇， 王勝利

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030051；2.中煤平朔集團(tuán)有限公司， 山西 朔州 036000)

EML340型連續(xù)采煤機(jī)截割臂振動(dòng)特性分析

張艷軍1， 王俊元1， 董磊1， 杜文華1， 李勇1， 王勝利2

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030051；2.中煤平朔集團(tuán)有限公司， 山西 朔州 036000)

為了準(zhǔn)確得到連續(xù)采煤機(jī)截割臂工作時(shí)的振動(dòng)特性，以模態(tài)運(yùn)動(dòng)能分析結(jié)果為主要參考依據(jù)，模態(tài)應(yīng)變能結(jié)果為輔助參考依據(jù)，對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割臂上傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置。利用傳感器采集截割臂振動(dòng)加速度信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得到了該信號(hào)的特征和頻帶能量分布情況，為進(jìn)一步優(yōu)化連續(xù)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和故障診斷提供了理論基礎(chǔ)。

煤炭開采； 連續(xù)采煤機(jī); 截割臂； 加速度傳感器; 模態(tài)分析; 振動(dòng)信號(hào); 時(shí)域分析； 小波包分析

0 引言

ML340型連續(xù)采煤機(jī)是用于短臂工作面開采和高產(chǎn)高效長(zhǎng)臂工作面開采的重要機(jī)械設(shè)備，其工作環(huán)境惡劣、復(fù)雜，在工作過(guò)程中，它的功率主要消耗在截割臂上，所以，對(duì)其截割臂的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試與分析將為采煤機(jī)工作性能的提高及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[1]。

采煤機(jī)截割臂振動(dòng)信號(hào)是通過(guò)布置在其截割臂上的傳感器采集的，為了保證采集到的振動(dòng)信號(hào)的有效性，有必要對(duì)截割臂傳感器測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的傳感器布置方法一般采用有限元分析方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇合適的區(qū)域進(jìn)行傳感器布置，但該方法存在隨機(jī)性和主觀性。在傳感器優(yōu)化布置的研究領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外針對(duì)橋梁檢測(cè)系統(tǒng)的研究比較多，而對(duì)于類似采煤機(jī)等復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳感器優(yōu)化布置研究甚少。傳感器優(yōu)化配置包括優(yōu)化配置準(zhǔn)則的選取[2-3]和傳感器優(yōu)化配置方法[4-5]。模態(tài)保證準(zhǔn)則是常用的傳感器配置準(zhǔn)則, 可以節(jié)約監(jiān)測(cè)成本，提高信噪比，降低信號(hào)處理難度。

傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)一般包含噪聲等干擾信息，需要進(jìn)行濾噪處理。傳統(tǒng)的頻域信號(hào)處理方法一般采用傅里葉分析法，它無(wú)法反映信號(hào)的非平穩(wěn)、時(shí)域和頻域局部化等特性，而小波分析只對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行分解，故其頻率分辨率隨頻率升高而降低。小波包分析[6-7]不僅能對(duì)低頻部分進(jìn)行分解，而且還能對(duì)高頻部分實(shí)施分解，是一種比小波分解更為精細(xì)的分解方法。

本文根據(jù)模態(tài)保證準(zhǔn)則，仿真得到了采煤機(jī)截割臂部件的模態(tài)參數(shù)及振型，并以此對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割臂上傳感器測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化配置，克服了依靠經(jīng)驗(yàn)確定測(cè)點(diǎn)方法的隨機(jī)性和主觀性缺點(diǎn)；利用傳感器采集截割臂振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得到了連續(xù)采煤機(jī)截割臂振動(dòng)信號(hào)特征和頻帶能量分布情況，為進(jìn)一步研究連續(xù)采煤機(jī)的力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 截割臂傳感器優(yōu)化配置

傳感器布置位置要能精確反映連續(xù)采煤機(jī)固有振動(dòng)特性，最大程度反映連續(xù)采煤機(jī)振動(dòng)響應(yīng)能量。反映連續(xù)采煤機(jī)位移響應(yīng)的微分方程為

(1)

式中：[M]、[C]、[K]分別為質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣；{x}為位移；{F}為輸入。

總位移響應(yīng)為

{X}=[Q][?]

(2)

式中： [Q]為陣型系數(shù)；[?]為模態(tài)陣型矩陣。

[Q]=[q1(n),…,qr(n),…,qn(n)]T

(3)

[?]=[?1,…,?r,…,?n]

(4)

將式(2)代入式(1)，求解微分方程，得到位移響應(yīng)為

(5)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)下的能量包括運(yùn)動(dòng)能和應(yīng)變能2個(gè)部分，將傳感器布置在振型的最大運(yùn)動(dòng)能處(模態(tài)應(yīng)變能作為輔助參考)，此時(shí)傳感器將具有模型固有振型的最大可觀性。模態(tài)運(yùn)動(dòng)能(KE)和模態(tài)應(yīng)變能(MSE)分別為

KE=[?]T[M][?]

(6)

MSE=[?]T[K][?]

(7)

EML340連續(xù)采煤機(jī)實(shí)物如圖1所示。本文將連續(xù)采煤機(jī)截割臂與截割滾筒、油缸、機(jī)架的連接均視為柔性聯(lián)接，以便能更準(zhǔn)確地反映連續(xù)采煤機(jī)動(dòng)力特性，在ADAMS中建立其虛擬樣機(jī)模型，按照?qǐng)D2布置各傳感器測(cè)點(diǎn)，然后在虛擬樣機(jī)中施加掃頻載荷激勵(lì)，分析各測(cè)點(diǎn)的模態(tài)運(yùn)動(dòng)能及模態(tài)應(yīng)變能，然后對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置。

圖1 EML340連續(xù)采煤機(jī)實(shí)物

圖2 截割臂上初始傳感器布置

截割滾筒截割過(guò)程中受到低頻激勵(lì)。通過(guò)分析前6階的模態(tài)坐標(biāo)可得，第2階模態(tài)所占比例最大，如圖3所示。該階模態(tài)振型表現(xiàn)為截割臂和滾筒上下擺動(dòng)，與實(shí)際過(guò)程中受載情況一致。

圖3 前6階模態(tài)坐標(biāo)

1—6階模態(tài)各測(cè)點(diǎn)能量比例見表1，考慮到模型對(duì)稱性，只列出(i=1∶6)點(diǎn)數(shù)值。

累計(jì)表1中各測(cè)點(diǎn)的能量百分比之和，就模態(tài)運(yùn)動(dòng)能而言，所占比例從大至小的測(cè)點(diǎn)分別是A1、A6、A4、A5、A3、A2；就模態(tài)應(yīng)變能而言，測(cè)點(diǎn)A1、A4及A6最重要。以模態(tài)運(yùn)動(dòng)能結(jié)果為主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，模態(tài)應(yīng)變能結(jié)果為輔助參考，選取A1、A4、A6及對(duì)稱測(cè)點(diǎn)B1、B4、B6來(lái)布置傳感器，如圖4所示。最終傳感器布置方向和通道序號(hào)見表2。因截割臂結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故取A1的Y方向和Z方向、A4的Y方向、A6的-X和Y方向布置傳感器。

表1 前6階模態(tài)測(cè)點(diǎn)(A1—A6)能量比例

圖4 優(yōu)化后的測(cè)點(diǎn)布置

表2 傳感器布置方向和通道序號(hào)

2 截割臂振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特性分析

2.1 試驗(yàn)、數(shù)據(jù)提取

試驗(yàn)是在平朔集團(tuán)的東坡煤礦進(jìn)行。根據(jù)連續(xù)采煤機(jī)實(shí)際工作情況確定測(cè)試工況順序：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)(0～148 s)→車身位置調(diào)整(148～179 s)→截割(179～265 s)：向下截割、向上截割、向下截割、向上截割→車身位置調(diào)整(265～286 s)→裝運(yùn)停止(286～316 s)。

本文通過(guò)畸點(diǎn)消除和巴特沃斯濾波對(duì)所得到的加速度振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，此外，為了方便對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，常常假設(shè)測(cè)得的隨機(jī)數(shù)各態(tài)歷經(jīng)[8]，最終得到加速度時(shí)域波形，如圖5所示。

(a) 通道1

(b) 通道2

(c) 通道3

(d) 通道4

(e) 通道5

2.2 測(cè)試分析

對(duì)處理過(guò)的連續(xù)采煤機(jī)截割臂3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行計(jì)算，得到3個(gè)測(cè)點(diǎn)的均方根和方差，見表3。

表3 時(shí)域分析結(jié)果

(1) 從各個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度歷程上看，裝運(yùn)電動(dòng)機(jī)和截割電動(dòng)機(jī)開啟時(shí)，振動(dòng)都較??；截割開始后，振動(dòng)迅速增大：測(cè)點(diǎn)A1、A4和A6的Y方向振動(dòng)較為劇烈，這是因?yàn)楸敬沃饕M(jìn)行的是上下截割，豎直方向上受到的力比較大。測(cè)點(diǎn)A6的-X方向振動(dòng)也比較劇烈，是因?yàn)樗x截割滾筒較近，受到的煤層對(duì)其作用力比較大；測(cè)點(diǎn)A1的Z方向振動(dòng)劇烈程度較小，其主要受裝運(yùn)電動(dòng)機(jī)的影響。A1測(cè)點(diǎn)的Z方向在661.9 Hz處擁有一個(gè)顯著的共振頻率，經(jīng)過(guò)初步分析，這一頻率與裝運(yùn)電動(dòng)機(jī)固有頻率的第5階頻率相近。

(2) 在Y方向上：從3個(gè)測(cè)點(diǎn)的均方根值可以看出，截割臂與機(jī)架鉸接處的A1振動(dòng)最強(qiáng)烈，而截割臂中間位置的A4振動(dòng)最弱；從3個(gè)測(cè)點(diǎn)的方差可以看出，截割臂中間位置的A4振動(dòng)平穩(wěn)性最好，而與機(jī)架鉸接處的A1由于受傳遞振動(dòng)沖擊的影響，振動(dòng)平穩(wěn)性最差。

3 截割臂振動(dòng)加速度信號(hào)頻帶能量分析

在連續(xù)采煤機(jī)振動(dòng)分析時(shí)，其振動(dòng)可以從不同頻帶內(nèi)的能量變化體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割臂的振動(dòng)加速度信號(hào)頻帶能量分析可分為以下幾個(gè)步驟[9]：

(1) 小波包分解。小波包分解模塊是以db4小波為基函數(shù)的3級(jí)小波包變換，將2 000 Hz分解可得8個(gè)頻段函數(shù)。小波包3級(jí)分解后，第4層的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

s3=s30+s31+…+s36+s37

(8)

式中s3j為分解后第4層信號(hào)第j個(gè)頻段信號(hào)重構(gòu)函數(shù)，j=0,1,…，7。

(2) 小波包重構(gòu)。對(duì)各頻段內(nèi)的小波包重構(gòu)可獲得該頻段內(nèi)的時(shí)域波形，然后提取各頻段內(nèi)的重構(gòu)函數(shù)系數(shù)Xjk(t)。各頻帶能量計(jì)算公式為

(9)

式中n為s3j的離散點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(3) 特征向量合成。以各節(jié)點(diǎn)能量為元素組成特征向量：

T=[E1,E2,…,Ej]

(10)

(4) 各頻段信號(hào)能量的歸一化處理。為避免特征向量中各能量差相差過(guò)大，故對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。

重構(gòu)信號(hào)總能量為

(11)

歸一化后的向量為

T1=[E1/E,E2/E,…,Ej/E]

(12)

對(duì)采煤機(jī)截割臂的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行小波包分解，得到的3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度信號(hào)的頻帶能量，見表4，各個(gè)頻帶的歸一化數(shù)值見表5。

表4 3組信號(hào)的頻帶能量 1013(m·s-2)2

表5 各個(gè)頻段歸一化處理后的數(shù)值

分析表4，通過(guò)小波包分解計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)能量值的總和可以得到：Y方向上，截割臂中間位置的A6振動(dòng)能量最小，而截割臂與機(jī)架鉸接處的A1振動(dòng)能量最大；A1的Z方向上能量值最小。這與前面的時(shí)域分析結(jié)果一致。

從3個(gè)測(cè)點(diǎn)的能量頻段分析可得，采煤機(jī)截割臂的能量主要集中在第1頻帶，即0～250 Hz上，這與實(shí)際情況一致。

4 結(jié)語(yǔ)

以模態(tài)運(yùn)動(dòng)能分析結(jié)果為主要參考依據(jù)，模態(tài)應(yīng)變能結(jié)果為輔助參考依據(jù)，對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割臂上傳感器測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化配置，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗(yàn)確定傳感器測(cè)點(diǎn)方法的不足。

利用優(yōu)化配置后的傳感器采集連續(xù)采煤機(jī)在上下截割過(guò)程中的振動(dòng)加速度信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和小波包分析，得到了連續(xù)采煤機(jī)截割臂振動(dòng)信號(hào)特征和頻帶能量分布情況。分析結(jié)果表明，在豎直方向上，與機(jī)架鉸接處位置的振動(dòng)較截割臂靠近截割滾筒的位置和中間位置強(qiáng)烈，這是由于機(jī)架鉸接處的位置為電動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞部分，所以鉸接點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮振動(dòng)的影響；連續(xù)采煤機(jī)截割臂的能量主要集中在0～250 Hz 上，如果發(fā)現(xiàn)其他頻帶的能量過(guò)高，很有可能是由于截割臂出現(xiàn)了裂痕或疲勞損傷等故障。這一結(jié)論為進(jìn)一步研究連續(xù)采煤機(jī)的力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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Analysis of vibration characteristics of cutting arm of EML340 continuous miner

ZHANG Yanjun1, WANG Junyuan1, DONG Lei1, DU Wenhua1, LI Yong1, WANG Shengli2

(1.College of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2.China Coal Pingshuo Group Co., Ltd., Shuozhou 036000, China)

In order to get vibration characteristics of cutting arm of continuous miner in working condition, the optimized sensor disposition was done taking results of the modal movement energy as main reference and results of modal strain energy as auxiliary reference. Vibration acceleration signals of cutting arm were collected by the sensor, and time-domain analysis and frequency-domain analysis of the signal were done. And the distribution of vibration characteristics and frequency-band energy was obtained. It provides a theoretical basis for further optimization of structural design and fault diagnosis of continuous miner.

coal mining; continuous miner; cutting arm; acceleration sensor; modal analysis; vibration signal; time-domain analysis; wavelet packet analysis

2016-08-12；

2016-09-20；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014021024-4)。

張艷軍(1990-)，男，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V用重型機(jī)械的振動(dòng)分析與載荷識(shí)別，E-mail：18234157293@163.com。

1671-251X(2016)12-0063-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.014

TD421.6

A

時(shí)間：2016-12-01 10:46

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1046.014.html

張艷軍，王俊元，董磊，等.EML340型連續(xù)采煤機(jī)截割臂振動(dòng)特性分析[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：63-67.