陳 淼

（長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012）

1 研究背景

為確保煤礦作業(yè)能夠安全、高效進行，不僅需要預(yù)先制定煤礦施工現(xiàn)場的環(huán)境地質(zhì)條件、施工作業(yè)技術(shù)、施工方案等，還需要根據(jù)實際的作業(yè)條件選擇合適的礦山運輸設(shè)備，將所得的礦產(chǎn)資源傳輸?shù)匠鞘兄校员憔S持城市各方面正常運行。礦山運輸設(shè)備屬于礦井軌道運輸系統(tǒng)的一部分，一旦礦山運輸設(shè)備或軌道在作業(yè)過程中出現(xiàn)振動問題，不僅會使設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受沖擊，還會導(dǎo)致礦車自軌道連續(xù)彈出，嚴(yán)重時則會造成生產(chǎn)事故，危害施工作業(yè)人員的人身安全，同時也會對煤礦生產(chǎn)進度造成負面影響。因此，為不斷增強礦山軌道運輸過程的穩(wěn)定性，應(yīng)對礦山運輸設(shè)備自身的振動特性進行充分分析和深入研究?，F(xiàn)階段，盡管社會相關(guān)研究學(xué)者對機車或鐵路軌道振動問題研究相對較多，但對煤礦軌道運輸系統(tǒng)振動的研究比例相對較低。所以，為填補這一空白，需要對礦山運輸設(shè)備的振動特性開展一系列的研究。本文選擇大型礦車作為實際研究對象，建立合理的力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型以及仿真模型，對礦山運輸設(shè)備作業(yè)期間的振動特點進行分析，同時尋求有效的應(yīng)對策略。

2 構(gòu)建力學(xué)模型

通常情況下，為保證大型礦車運行期間整體結(jié)構(gòu)的靈活性，一般采用彈簧連接的形式實現(xiàn)大型礦車車體與車軸的連接。由于大型礦車體積較大，研究過程相對不夠方便，所以，選擇四分之一礦車開展研究工作，同時構(gòu)建對應(yīng)的力學(xué)模型。上述研究方式常常存在于對車輛振動的研究工作中，并且能夠保證整個研究過程的合理性。具體研究結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 力學(xué)模型圖

外力作用下會促使軌道出現(xiàn)振動問題，而產(chǎn)生該問題的原因是軌道中心主慣性軸的位置與界面呈現(xiàn)垂直交叉，與此同時，中心主慣性軸與軌道受到的激振力在此階段中應(yīng)屬于同一平面。研究人員為保證測試結(jié)果的精確性，可以模擬現(xiàn)實各項參數(shù)數(shù)據(jù)，對于部分對測試結(jié)果影響不大的相關(guān)因素可以忽略處理。將軌道結(jié)構(gòu)相對簡化，借助于伯努利-歐拉梁模型進行研究。為保證研究結(jié)果的有效性，模型構(gòu)建過程中需要參考軌道實際的鋪設(shè)情況。受到軌道鋪設(shè)問題影響導(dǎo)致臨近軌道之間并沒有處于同一平面，所以，不同軌道連接區(qū)域會形成高度差。如圖1所示，k2為連續(xù)彈簧床剛性系數(shù)。

3 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

3.1 礦車振動模型

根據(jù)對礦山運輸設(shè)備力學(xué)模型的構(gòu)建以及分析，通過將軌道平衡位置作為坐標(biāo)系的原點，正上為正方向，同時，借助牛頓第二定律，構(gòu)建礦車車體振動數(shù)學(xué)模型。

3.2 軌道振動數(shù)學(xué)模型

通過利用上述坐標(biāo)系，設(shè)軌道上距原點距離為x的點在t時刻的振幅為yr（x,t），基于伯努利-歐拉梁模型原理可以得出軌道振動微分方程：

4 構(gòu)建仿真模型

通過上文中所表述的數(shù)學(xué)模型以及力學(xué)模型的運用，結(jié)合Simulink設(shè)計及建立礦車軌道耦合振動仿真模型，具體如圖2所示。通過對圖2進行分析，可以發(fā)現(xiàn)仿真模型的主要組成部分為車體振動子系統(tǒng)、車輪振動子系統(tǒng)以及正則坐標(biāo)子系統(tǒng)，其中，車體振動子系統(tǒng)與車輪振動子系統(tǒng)之間具有緊密聯(lián)系，而車輪振動子系統(tǒng)與正則坐標(biāo)子系統(tǒng)中之間關(guān)系密切。但是，車體振動子系統(tǒng)與正則坐標(biāo)子系統(tǒng)之間沒有直接聯(lián)系。

圖2 仿真模型數(shù)據(jù)流程圖

5 仿真結(jié)論分析

研究人員根據(jù)礦車在軌道中的運行情況設(shè)計并制圖軌道關(guān)系圖，如圖3所示。通過觀察圖3，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)時間低于2s時，軌道所產(chǎn)生的振動幅度相對較小，原因是軌道振動過程中產(chǎn)生的作用力主要來自于軌道的平順面。而當(dāng)時間為2s時，則軌道產(chǎn)生的振動幅度產(chǎn)生兩種情況，一種為振動幅度快速增加，原因則是此過程中礦車會通過軌道之間存在的臺階區(qū)域，并且經(jīng)過的同時，礦車的車輪會與軌道之間產(chǎn)生較大的作用力，導(dǎo)致軌道產(chǎn)生的振動程度相對較激烈。另一種情況，則是軌道振動幅度逐漸降低。原因是如果礦車在軌道上方運行的過程中，越過軌道之間的臺階，則軌道再次接收到的振動來源則是軌道平順面，所以，軌道的振動幅度會不斷降低。通過深入觀察圖3，發(fā)現(xiàn)隨著x軸的參數(shù)值不斷減小，軌道所產(chǎn)生的振動幅度不斷降低，因此，為最大限度降低軌道運行過程中的振動幅度，則可以在軌道中部區(qū)域增設(shè)限位裝置，提高對礦車、軌道振動幅度的控制力度。

圖3 軌道響應(yīng)

6 車體振動控制

通過對上文內(nèi)容的分析與總結(jié)，為方面測試實驗的高效進行，設(shè)計如圖4所示的礦車摩擦吸能裝置。通過在礦車中增設(shè)該裝置，能夠在礦車運行階段產(chǎn)生大量振動的過程中，對該能量進行有效吸收，加大對礦車振動幅度的控制效率。測試人員需要將裝置中1位置安裝在礦車車體區(qū)域，而剩余的2、3、4則需要安裝在礦車側(cè)架區(qū)域。借助于螺栓幫助吸能器產(chǎn)生一定的摩擦力N。一旦礦車在運行過程中，其車體與車架之間出現(xiàn)相互運動的情況，且所產(chǎn)生的相對速度為v1可以得到具體的表達式：f=μ(v1)N。

研究人員為能夠更準(zhǔn)確性地對礦車摩擦吸能器所提供的減震功能進行掌握，應(yīng)控制測試的區(qū)域，因此，測試階段仿真模型的建立僅僅需要1/4車體參與，同時涉及連接彈簧、吸能器、車輪等組建的系統(tǒng)。通過對圖5進行分析，其中，曲線1表示礦車沒有安裝摩擦吸能器的振動曲線，曲線2則表示礦車安裝吸能摩擦起的振動曲線，并且已經(jīng)得知摩擦吸能器所提供的摩擦力為N。假設(shè)摩擦吸能器所受到的壓力增加時，則礦車的振動曲線如曲線3所示，因此，可以得出結(jié)論：摩擦吸能器能夠為礦車提供一定的減震功能，且摩擦力N與減震功能之間呈正相關(guān)。

圖4 吸能器結(jié)構(gòu)圖

圖5 車體減震曲線

7 結(jié)語

礦山運輸設(shè)備的穩(wěn)定運行，對于保證煤礦工程的生產(chǎn)效率，保證作業(yè)過程的安全性、穩(wěn)定性具有重要意義。針對礦山運輸設(shè)備開展振動特性的研究分析，建立科學(xué)的力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型、仿真模型，利用數(shù)據(jù)模擬的方式得出礦山運輸設(shè)備振動特性的結(jié)論如下。

第一，假設(shè)礦車在運行期間越過臺階時，礦山運輸軌道便會受到外界作用力的影響而產(chǎn)生較強程度的振動，且處于軌道中間區(qū)域的振動程度要遠大于兩端的振動幅度，所以，為保證礦車越階期間對于軌道產(chǎn)生的影響最小，需要于軌道中間區(qū)域增設(shè)限位裝置，實現(xiàn)對軌道中部區(qū)域振動問題的有效控制。

第二，假設(shè)礦車越過臺階之后，礦車振動方式主要以高頻率為主，并且礦車運行正方向的振動頻率要高于礦車反方向的振動頻率。

第三，為進一步增加各個礦車之間連接部件的阻尼參數(shù)，可以采用安裝摩擦吸能裝置，有效吸收礦車運行期間所產(chǎn)生的振動能量，提高對礦山運輸設(shè)備的整體控制力度。