張利兵

（軒崗煤電公司梨園河煤礦，山西 原平 034100）

引言

目前，我國(guó)大部分煤礦已實(shí)現(xiàn)采煤設(shè)備機(jī)械化，但采煤自動(dòng)化、智能化水平有待提高[1]。要實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)采，必須在工作面部署高度自動(dòng)化的采礦設(shè)備[2]。工作面主要設(shè)備包括采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)，其中采煤機(jī)是最重要的組成部分。在煤礦工業(yè)生產(chǎn)中，采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤炭采集的最直接機(jī)械設(shè)備，也是一套綜合機(jī)械化采煤設(shè)備的重要組成部分。由于目前能源短缺，煤層的污垢帶層往往也在采煤機(jī)切割范圍內(nèi)，這就造成采煤機(jī)的負(fù)載更加不均勻，并導(dǎo)致機(jī)身產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)。因此，剪切機(jī)的關(guān)鍵部件，如液壓、電氣和機(jī)械部件，經(jīng)常發(fā)生機(jī)械故障。這些故障會(huì)降低機(jī)器的可靠性和使用壽命。當(dāng)前，許多研究分析了采煤機(jī)在時(shí)域和頻域的振動(dòng)特性，闡述了不同采煤機(jī)機(jī)身的振動(dòng)規(guī)律。但關(guān)于振動(dòng)對(duì)煤礦選礦機(jī)故障的影響，尚未得出明確的結(jié)論。本文通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)采煤機(jī)振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究，為采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1 采煤機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)主要由切割裝置、行走裝置、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。液壓缸與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共同工作，實(shí)現(xiàn)了剪切機(jī)行走、切煤、切削臂擺動(dòng)等動(dòng)作。切割機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)均由其獨(dú)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大大提高了工作效率。圖1為無(wú)鏈電牽引鼓護(hù)輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。

切割裝置和牽引裝置是該機(jī)器的主要傳動(dòng)系統(tǒng)，它們都由電機(jī)和變速箱組成。無(wú)論是從研究切割故障診斷的角度還是從研究切割煤和巖石識(shí)別的角度來(lái)看，變速箱結(jié)構(gòu)和切割振動(dòng)都精密相關(guān)，切割裝置的變速箱結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。傳動(dòng)系統(tǒng)的切割部分兩端為空心軸的切割電機(jī)軸，細(xì)長(zhǎng)轉(zhuǎn)矩軸和反軸齒輪連接，通過(guò)齒輪Z1、Z2、Z3、Z4、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8傳動(dòng)到行星齒輪的電機(jī)輸出扭矩，行星架最終輸出對(duì)切割筒的動(dòng)力。

圖1 電氣牽引式剪煤機(jī)的主體結(jié)構(gòu)（單位：mm）

圖2 切削裝置減速齒輪機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)系統(tǒng)可直接承受剪切機(jī)的切割載荷。由于切割阻力不斷變化，很容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的軸向振動(dòng)和齒輪嚙合振動(dòng)，機(jī)械故障經(jīng)常發(fā)生。因此，對(duì)傳輸系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要意義。

1.2 煤面及設(shè)備情況

刮板輸送機(jī)的頭部在左邊，尾部在右端。沿煤面有120ZZ4000-19/40四腿屏蔽支護(hù)。這些支撐是從1～120號(hào)按從左端到右端的順序安裝。左側(cè)的道路用于設(shè)置帶式輸送機(jī)。右側(cè)的道路用于設(shè)置材料和電氣設(shè)備。工作面該巖層有地質(zhì)斷層條帶，斷層條紋寬約12 m。形成的原因是上層石灰?guī)r層向下到工作面。它在一定程度上阻礙了正常的切割過(guò)程。

1.3 振動(dòng)測(cè)量的傳感器位置

設(shè)備振動(dòng)信號(hào)承載著大量的信息，振動(dòng)分析理論和故障診斷技術(shù)是不可分割的有機(jī)體，基于振動(dòng)分析的機(jī)械設(shè)備故障診斷以機(jī)械設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)信號(hào)為核心，區(qū)分機(jī)械設(shè)備是否正常運(yùn)行或發(fā)生異常現(xiàn)象的過(guò)程。通過(guò)對(duì)切削電機(jī)軸附近的切削測(cè)距臂的振動(dòng)加速度信號(hào)的采集，分析不同齒輪嚙合頻率和旋轉(zhuǎn)頻率軸時(shí)的齒輪減速，提取頻率，確定正常狀態(tài)下的齒輪驅(qū)動(dòng)特性，能夠準(zhǔn)確識(shí)別齒輪和軸故障特征。

根據(jù)煤礦機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分布情況，在切割裝置和牽引裝置的傳動(dòng)齒輪箱表面均放置了兩個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，以獲取傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)信息。振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)通過(guò)記錄儀器記錄。剪切機(jī)切割單元振動(dòng)加速度傳感器設(shè)置在剪切機(jī)上，圍繞在靠近搖桿內(nèi)部的一個(gè)軸周?chē)?。安裝位置意圖如圖3所示。左側(cè)為1號(hào)測(cè)量點(diǎn)，右側(cè)為2號(hào)測(cè)量點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)采集采礦高度方向和牽引方向的振動(dòng)加速度信號(hào)。通過(guò)安裝外部傳感器，接收到振動(dòng)加速度信號(hào)，獲取并保存信號(hào)到大容量數(shù)據(jù)記錄器中的采礦電氣控制箱。信號(hào)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)依賴(lài)于大容量數(shù)據(jù)記錄器。

圖3 傳感器放置示意圖

2 測(cè)量結(jié)果和分析

收集了機(jī)器在實(shí)際切割過(guò)程中的切割單元位置和牽引單元的振動(dòng)信號(hào)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括垂直方向的1號(hào)、2號(hào)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)和水平方向的剪具振動(dòng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的時(shí)域特征參數(shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征。然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行了功率譜分析。利用Matlab對(duì)靜止信號(hào)光譜圖進(jìn)行時(shí)域信號(hào)的FFT變換。通過(guò)對(duì)特征頻率的各等級(jí)頻率乘法分析，區(qū)分剪輪搖桿內(nèi)各軸的旋轉(zhuǎn)頻率和齒輪網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率。圖4為1號(hào)測(cè)量點(diǎn)水平方向振動(dòng)信號(hào)的剪切臂域波形圖，圖5為2號(hào)測(cè)量點(diǎn)垂直方向振動(dòng)信號(hào)的剪切臂域波形圖。從圖4、圖5可以看出，切割電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)頻率分布為7 Hz、15 Hz、19 Hz，齒輪嚙合頻率為128 Hz、364 Hz、728 Hz，整個(gè)頻域信號(hào)顯示出信號(hào)穩(wěn)定、無(wú)沖擊、不規(guī)則的故障信號(hào)。高頻小于信號(hào)分布，表明設(shè)備處于健康狀態(tài)。這兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的頻域振動(dòng)信號(hào)完美地反映了切割單元傳動(dòng)系統(tǒng)的嚙合頻率和切割裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的頻率倍增，甚至更好地反映出了高頻結(jié)構(gòu)的特征。對(duì)于牽引單元傳動(dòng)系統(tǒng)，除了電機(jī)輸出軸齒輪外，頻譜圖中嚙合頻率不太明顯，說(shuō)明在機(jī)器運(yùn)行時(shí)，牽引系統(tǒng)的振動(dòng)強(qiáng)度很低。因此，該部分由振動(dòng)引起的故障概率很低。

圖4 在1號(hào)測(cè)量點(diǎn)處的頻率

圖5 在2號(hào)測(cè)量點(diǎn)處的頻率

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了電氣牽引剪輪機(jī)收集空狀態(tài)搖桿軸附件振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)振動(dòng)分析的方法，獲取切削機(jī)健康狀況下各級(jí)齒輪傳動(dòng)的特征信號(hào)頻率，提供對(duì)比參考數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確識(shí)別切削機(jī)進(jìn)行地下切削煤時(shí)的工作狀況，并進(jìn)行故障診斷。本文旨在通過(guò)對(duì)一種采煤機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的研究，以滿(mǎn)足煤礦工業(yè)的實(shí)際需求。在成功地檢索到工作面的振動(dòng)數(shù)據(jù)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果不僅證明了本文所采用的監(jiān)測(cè)方法是可行的，而且還證明了機(jī)器故障發(fā)生的規(guī)律性。本文對(duì)促進(jìn)煤礦機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)作用，對(duì)煤礦機(jī)故障診斷的研究也具有參考作用。