高 峰

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 046699）

引言

掘進機被廣泛用于地下煤礦開采中，主要用于承擔截割、裝載、運輸等重要功能[1]。隨著掘進機的發(fā)展和對采礦設備生產能力的要求，掘進機的穩(wěn)定性和可靠性已成為一個重要問題。由于工作環(huán)境惡劣，工況復雜多變，掘進機負載復雜，載荷劇烈波動，掘進機井下作業(yè)時，關鍵部件常常遭受無預期的損壞[2]，使綜掘工作面正常生產受到極大的影響。根據現(xiàn)場經驗總結，掘進機工作時，由于修剪而產生的劇烈振動引起機身劇烈的振動、致使主機架、懸臂回轉臺或油缸等元件及結構件產生重大機械故障，從而降低掘進機工作效率，造成不必要的經濟損失。因此，研究基于振動測試的掘進機關鍵部件的動態(tài)分析是很有必要的，對提高掘進機的截割效率、整機的穩(wěn)定性和零部件的壽命都有重要意義。對掘進機關鍵部件的動態(tài)工作特性研究是揭示其結構特性（尤其是弊端）、輔助完善其動力學研究、可靠性分析等工作的一種有效也十分必要的手段。在本文中，開發(fā)了一套基于便攜式數據記錄儀的測量掘進機振動的方法，同時對主機架和轉盤進行了振動測試和信號分析，結果將為掘進機的設計、制造、使用和維護提供基礎。

1 掘進機振動測試

1.1 測量和測試儀器介紹

本研究選用自主研發(fā)的便攜式振動記錄儀，該儀器已獲得采礦安全許可證。該設備是基于ARM9 便攜式振動記錄儀的基本結構研發(fā)，并具有2 GB 的存儲空間，具有測量、顯示、存儲和信號遠傳等功能，有很高的安全性和很強的可操作性，其使用鎳氫電池供電，可同時采集4 個振動信號采集通道可以同時測量1～4 個測點的單方向、單一值，也可以同時測量多個測點、多個方向的振值，可以連續(xù)工作長達幾個小時或更久；整個儀器的外觀和傳感器的連接圖如圖1 所示。四個振動信號探頭通過4 根信號線分別接入振動記錄儀，避免了振動信號的相互干擾。

圖1 礦用便攜式振動記錄儀

1.2 掘進機介紹

本文研究對象是EBH300（A）掘進機，它是一種綜合的挖掘設備，集切割，運輸和步行為一體[3]，如圖2 所示。它主要用于綜采機械和其他類似的礦山，隧道和成型作業(yè)中。EBH300（A）掘進機適用于硬度≤13的巖巷、半煤巖巷的掘進，也可在公路、鐵路、水利等隧道施工工程中使用[4]；采用計算機控制，整機實現(xiàn)全無線遙控控制，智能成型切割和恒功率切割；超強的結構件設計理念，保證整機足夠的質量，截割巖石時機身穩(wěn)定，機重達125 t；定位切割的最大高度為5.8 m，最大寬度為8.8 m；先進的進口集中潤滑系統(tǒng)，保證各部位工作正常可靠；高效的分裝分運電驅動系統(tǒng)，更加適應巖巷掘進。

圖2 EBH300（A）掘進機

1.3 掘進機振動信號采集

在進行掘進作業(yè)之前，有必要對掘進機作業(yè)現(xiàn)場進行認真的勘察以制定合理的數據收集計劃，然后根據數據收集計劃在實際作業(yè)中測試并收集振動信號。掘進機作業(yè)現(xiàn)場具體參數如圖3 所示，工作場所是整個巖石巷道，巖石分布均勻，硬度為10～11。實驗過程中未經歷過諸如斷層等特殊的地質條件。巷道頂板為拱形，凈寬5.0 m、凈高4.3 m，凈網段18.81 m2，最大寬度5.3 m、最大高度4.45 m，最大斷面20.57 m2，溝網尺寸為0.3 m×0.3 m，溝壁厚度為100 mm。溝渠的凈尺寸為0.3 m×0.3 m，溝渠寬度的磚石墻為100 mm。

圖3 掘進機工作面具體參數（單位：mm）

1.4 測量點的安排

掘進機每一班次（每8 h）的掘進任務是行駛1 m。由于巖石硬度高，切割難度較大，因此在每個測量點測試時間為3～5 min。在掘進機工作中，回轉機構帶動懸臂上下、左右擺動，在擺動過程中，截割頭的運動學參數和動力學參數不斷發(fā)生變化?？v向截割頭的擺動速度和轉速是影響掘進機生產率、工作平穩(wěn)性和截割比能耗的重要因素[5]?；剞D臺的合理結構與否決定掘進機的工作性能及整機的穩(wěn)定性，其結構強度、剛度不足將造成截割性能的降低和疲勞斷裂[6]，因此，根據實際情況和測試目的，該測試主要針對掘進機的轉盤（1 號點）和主框架（2 號點）。加速度傳感器安裝在圖4 所示的位置。

圖4 測量點布局方案

2 測試結果和振動分析

通過使用MATLAB 軟件對振動信號進行頻域分析，圖5 和圖6 給出了轉盤和主框架的頻域分析圖，表1 和表2 為二者的時域統(tǒng)計指標。從轉盤與主框架頻域分析的比較可以得出以下結論：從最大值、峰值和有效值來看，轉盤的振動幅度都比主框架大。強烈的振動容易造成支撐部件損壞。與氣缸相連的銷孔會因振動而變大并影響連接穩(wěn)定性，因此有必要對氣缸進行定期檢查，以進行故障排除。掘進機在剛開始運行時會快速振動，此后逐漸變得平穩(wěn)。從圖5 和圖6可以看出，切割時的振動要比空載更強烈。轉盤峰值指數較小，主框架的峰度指數相對較大，說明振動對轉盤的影響小于對主框架的影響。主框架在工作過程中的振動一直比較穩(wěn)定，最大值、峰值和有效值較小，可以說明，掘進機工作時主框架的振動很小。主框架的峰度指數很大，而峰度指數對撞擊信號特別敏感，結果表明，由于主框架是掘進機的主要支承機構，因此更容易受到剛性沖擊的影響而產生振動磨損故障，因此有必要對主框架進行定期的故障診斷，以防止由于掘進機長期的沖擊和振動引起的裂紋。

圖5 轉盤時域頻譜

圖6 主框架時域頻譜

表1 轉盤時域統(tǒng)計指標

表2 主框架時域統(tǒng)計指標

3 結語

機械振動會對掘進機造成很大的破壞，容易使橫梁，缸體，主機架，零部件和結構頻繁損壞，從而使掘進機行駛成本提高，并降低了行駛效率?；剞D機構是作業(yè)機構與動臂式掘進機的齒條形成裝置的可動支撐和連接。在每個關節(jié)承受的復雜沖擊載荷下，它連接左右框架，支撐切割臂。本文研究是以提升懸臂式掘進機性能為長遠目的，觀察、總結掘進機在惡劣工作環(huán)境下常發(fā)生的故障形式或失效狀態(tài)，提出以關鍵部件為研究對象，通過實驗研究和理論分析掘進機的振動特征，為提高掘進機截割效率和整機穩(wěn)定性提供參考，對改善掘進機故障診斷和設計具有重要的現(xiàn)實意義。