武云龍

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交030200）

引言

目前，傳統(tǒng)的煤炭開(kāi)采方式已不能滿足生產(chǎn)的需求，綜合機(jī)械化采煤已成為主要手段[1]。采煤機(jī)是采煤工作面的重要生產(chǎn)設(shè)備，其可靠性、安全性以及持續(xù)工作的能力是保證產(chǎn)量的重要性能指標(biāo)[2]。由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣和采煤機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在破碎巖石過(guò)程中受到動(dòng)載荷以及煤巖強(qiáng)度不均勻性的影響，導(dǎo)致采煤機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)期處于強(qiáng)烈的振動(dòng)中，機(jī)身中薄弱的部位，如搖臂殼體以及牽引部殼體出現(xiàn)過(guò)載損壞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致停機(jī)，影響煤礦的安全生[3]，并且由此引發(fā)的電器元件的損壞、截齒的損壞丟失等一系列后續(xù)問(wèn)題都將嚴(yán)重影響采煤機(jī)的穩(wěn)定性。因此，為保證采煤機(jī)安全可靠地工作，就必須對(duì)采煤機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，找出其關(guān)鍵影響因素，進(jìn)而指導(dǎo)煤礦實(shí)際生產(chǎn)。

1 采煤機(jī)振動(dòng)機(jī)理

第一，采煤機(jī)的傳動(dòng)齒輪在嚙合過(guò)程中由于變嚙合剛度、嚙合沖擊和設(shè)計(jì)誤差而造成的內(nèi)部激勵(lì)，引起采煤機(jī)身振動(dòng)。第二，工作過(guò)程中，由于牽引動(dòng)力裝置中銷排自身的浮動(dòng)特性，在與嚙齒的嚙合的過(guò)程中產(chǎn)生較大的嚙合沖擊，造成牽引速度和牽引力的突然變化，造成采煤機(jī)振動(dòng)。第三，采煤機(jī)的截割對(duì)象（煤巖體）并不是理想的均質(zhì)性、各向同性，而是復(fù)雜多變。截齒在截割過(guò)程中容易受到來(lái)自煤巖體的非線性瞬時(shí)沖擊載荷，特別是煤層中賦存有硬夾矸時(shí)，截齒與巖石發(fā)生復(fù)雜的力學(xué)耦合作用，產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊荷載將導(dǎo)致采煤機(jī)的劇烈振動(dòng)，對(duì)采煤機(jī)的持續(xù)生產(chǎn)影響較大?；谘芯康男枰疚闹饕芯坎擅簷C(jī)截割過(guò)程中由煤巖物理力學(xué)特性引起的機(jī)身振動(dòng)。

2 采煤機(jī)振動(dòng)理論的研究

2.1 采煤機(jī)振動(dòng)識(shí)別信號(hào)分析

由于煤層中矸石以及煤層厚度的千變?nèi)f化，導(dǎo)致采煤機(jī)截割部在截割煤體時(shí)經(jīng)常截割到巖石，使得截割滾筒上的截齒與煤巖的接觸性阻力瞬間增大，在滾筒和采煤機(jī)搖臂上的振動(dòng)激振力增大，對(duì)采煤機(jī)的截齒性能、機(jī)身的穩(wěn)定性影響較大。利用振動(dòng)加速度收集儀器拾取振動(dòng)加速度信號(hào)，分析振動(dòng)加速度信號(hào)中賦含的滾筒截割阻力信息以及搖臂機(jī)械傳動(dòng)信息。

通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析處理，得出采煤機(jī)振動(dòng)的影響因素，對(duì)識(shí)別煤巖介質(zhì)以及采煤機(jī)故障診斷具有重要意義。采煤機(jī)滾筒在截割煤巖的過(guò)程中，隨著截割對(duì)象的變化，搖臂振動(dòng)在截割力激勵(lì)作用下的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)隨著發(fā)生變化，利用相關(guān)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些變化的信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒截割狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域、頻域分析

振動(dòng)信號(hào)的基本性質(zhì)是時(shí)域和頻域，這樣可以用多種方法、不同的角度來(lái)分析振動(dòng)信號(hào)。信號(hào)幅值域分析又稱為統(tǒng)計(jì)特征參量分析，在假設(shè)前提下，對(duì)隨機(jī)過(guò)程的分析變成對(duì)任意樣本的統(tǒng)計(jì)分析。時(shí)域分析中的量綱特征值包括最大、小值，峰峰值，均值和方差；無(wú)量綱特征值包括平均幅值、波形指標(biāo)、方根幅值、峰值指標(biāo)、欲度指標(biāo)和脈沖指標(biāo)。

分析周期平穩(wěn)信號(hào)的工具是信號(hào)傅里葉變換，通過(guò)犧牲全部時(shí)域信息來(lái)獲得精確的頻域分辨率，其變化公式如下：

式中：S（t）為信號(hào)時(shí)域函數(shù)；S（ω）為信號(hào)的傅式變換。

事實(shí)上，實(shí)際測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)只有部分有意義，以沖擊形式出現(xiàn)的平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)以及隨機(jī)出現(xiàn)的信號(hào)都有可能含有效振動(dòng)信號(hào)，這就要求對(duì)局部特征信號(hào)進(jìn)行具體分析。振動(dòng)信號(hào)有高頻、低頻之分，在高頻率段的振動(dòng)沖擊信號(hào)的信息量往往能準(zhǔn)確反映煤巖的實(shí)際信號(hào)，所以在分析振動(dòng)信號(hào)時(shí)往往希望有最大的高頻信號(hào)，因此需要克服小波函數(shù)高頻段信號(hào)頻率低的問(wèn)題。在此情況下小波包信號(hào)分析方法成為解決信號(hào)特征提取的有效手段，基本分析思路如圖1所示[4]。

滾筒作為截割煤巖的激勵(lì)源，在空間上承受三個(gè)方向的載荷，可通過(guò)采煤機(jī)的搖臂傳遞振動(dòng)信號(hào)，再利用安裝在搖臂處的振動(dòng)加速傳感器收集振動(dòng)信號(hào)。截割破巖過(guò)程中，煤、巖物理力學(xué)特性的差別會(huì)導(dǎo)致截齒受不同的力，引起振動(dòng)信號(hào)的變化，通過(guò)分析該振動(dòng)信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割煤巖界面的自動(dòng)識(shí)別[5]。

3 結(jié)論

圖1 采煤機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析思路

經(jīng)分析研究，主要對(duì)引起采煤機(jī)工作時(shí)振動(dòng)的三種原因進(jìn)行了闡述，并對(duì)截齒在截割過(guò)程中容易受到來(lái)自煤巖體的非線性瞬時(shí)沖擊載荷著重進(jìn)行分析，得出高頻率段的振動(dòng)沖擊信號(hào)的信息量能準(zhǔn)確反映煤巖的實(shí)際信號(hào)的思路，最終提出利用搖臂上安裝的加速傳感器接收信號(hào)，可以通過(guò)信號(hào)對(duì)界面進(jìn)行識(shí)別。

[1]田震.薄煤層采煤機(jī)振動(dòng)特性研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

[2]劉俊利，趙豪杰，李長(zhǎng)有.基于采煤機(jī)滾筒截割振動(dòng)特性的煤巖識(shí)別方法[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（10）：93-95；116.

[3]王崢榮.采煤機(jī)截齒截割過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

[4]陳洪月，白楊溪，毛君，等.多激勵(lì)下采煤機(jī)在行走平面內(nèi)的非線性振動(dòng)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2016（2）：166-170；174.

[5]崔新霞.鉆削式采煤機(jī)鉆削系統(tǒng)振動(dòng)特性研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.