王 勇

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司店坪煤礦機電管理部，山西 呂梁 033100）

引言

1 采煤機概述

目前，綜采工作面普遍應用的采煤機為滾筒式采煤機，主要包括截割部、牽引部、電氣控制箱和行走部。本文以MG300/700-WDK 型采煤機為例開展系列研究，并具體對其截割部的動力學特性展開研究。采煤機截割部的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，截割部的截X 軸組件和惰X 軸組件將截割電機輸出的扭矩經(jīng)減速后達到提高扭矩的目的，最后通過截割部行星機構(gòu)將能量傳遞至截割滾筒。截割滾筒上分布的截齒完成對煤層或巖層的采煤任務；由于截齒呈現(xiàn)一定的螺旋角度，從而實現(xiàn)裝煤任務。

圖1 采煤機截割部基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 采煤機截割部調(diào)高擺動特性仿真分析

在實際生產(chǎn)中，由于每個位置的煤層厚度和高度均是不同的[2]。因此，通過調(diào)高油缸實現(xiàn)對搖臂的擺動控制，從而達到增加或降低截割高度的目的。本節(jié)將重點對截割部調(diào)高擺動特性和截割煤層時動態(tài)特性進行仿真分析。具體闡述如下：

由于工作面頂板煤層或巖層的地質(zhì)條件差異較大，截割部所承受的載荷也處于動態(tài)變化狀態(tài)，從而導致截割部出現(xiàn)不同程度的擺動狀態(tài)，進而影響采煤機截割部的穩(wěn)定運行[3]。本節(jié)通過對采煤機截割部調(diào)高擺動特性進行仿真分析，擬為后續(xù)截割部的減振提供支撐。

2.1 采煤機截割部調(diào)高動力學模型建立

由于采煤機截割部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復雜，在兼顧仿真結(jié)果準確性和計算量兩方面因素的基礎上，需對采煤機截割部進行簡化處理[4]。如假設在仿真過程中采煤機機身處于靜止狀態(tài)，僅搖臂和滾筒按照工作狀態(tài)運轉(zhuǎn)；滾筒、搖臂與機身之間的相互連接均為剛性連接狀態(tài)。

本文將基于Simulink 軟件構(gòu)建采煤機截割部調(diào)高動力學的數(shù)學模型，并結(jié)合MG300/700-WDK 采煤機的相關參數(shù)在數(shù)學模型中賦值?；赟imulink 所建立的采煤機截割部動力學模型如下頁圖2 所示。

基于圖2 中所建立的仿真模型，在同一工況下，即截割部滾筒所承受的負載一致，對調(diào)高油缸的不同阻尼和剛度組合下對應調(diào)高擺動特性進行仿真分析，具體如下頁表1 所示。

表1 模擬四種截割工況下對應調(diào)高油缸的阻尼和剛度

圖2 采煤機截割部動力學仿真模型

2.2 調(diào)高擺動特性仿真結(jié)果分析

基于Simulink 仿真模型對不同阻尼和剛度組合下調(diào)高油缸的響應特性進行仿真分析，得出如下結(jié)論：

從圖9可看出，隨著行車速度的逐步增大，速度與撓度并非呈線性變化，而是在某些速度點處有下降現(xiàn)象，但總體來說隨速度增加撓度呈上升趨勢，且貨車質(zhì)量越大引起跨中動撓度值越大。

1）調(diào)高油缸剛度一致時，隨著油缸阻尼的增大，對應系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)所需的時間縮短。因此，可適當?shù)靥岣哒{(diào)高油缸的阻尼，以減少其瞬態(tài)振動，并保證其在很短時間內(nèi)達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。

2）調(diào)高油缸阻尼一致時，調(diào)高油缸剛度越小，對應系統(tǒng)能量衰減時的振蕩越劇烈。因此，可通過適當提高調(diào)高油缸的剛度，使其在振動狀態(tài)下盡快進入穩(wěn)態(tài)振動階段，從而保證采煤機的穩(wěn)定運行性[5]。

綜上，為保證采煤機的穩(wěn)定運行，應選用剛度和阻尼較大的調(diào)高油缸，從而減輕截割部滾筒不規(guī)則載荷傳遞機身的振動。

3 采煤機截割部試驗研究

上述是從理論層面分析了采煤機調(diào)高油缸擺動的動力學特性。本節(jié)將通過搭建試驗臺對采煤機在空載和加載工況下采煤機截割部的振動情況進行檢測。

3.1 截割部試驗臺簡介

本節(jié)通過對采煤機截割部在空載和加載工況下的振動情況進行測試，擬為后續(xù)采煤機截割部的優(yōu)化設計提供支撐。具體通過加速度傳感器對截割部的振動情況進行采集。所構(gòu)建的試驗平臺如圖3 所示。

在圖3 所示的試驗平臺中，為其增加水力測功機，水力測功機輸出的扭矩將直接加載于被測搖臂上，實現(xiàn)其在加載工況下的狀態(tài)。本試驗平臺所配置的加速度傳感器型號為YJ9A，所配置的數(shù)據(jù)和信號采集設備的型號為INV306U，為保證數(shù)據(jù)傳輸過程中不失真，在數(shù)據(jù)傳輸鏈路上增加了組合式抗混濾波放大器，具體型號為INV。將所采集的信號傳輸至上位機后，將采用DASP-V10 分析軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

圖3 采煤機振動試驗平臺

3.2 不同工況下試驗結(jié)果分析

3.2.1 空載工況

在空載工況下對截割部兩處位置的振動信號進行監(jiān)測，其對應頻域的振動信號如圖4 所示。

圖4 空載工況下振動信號頻域結(jié)果

由圖4 可知，在第一個振動測試點的能量主要集中在198 Hz 的位置，該處頻率為傳動機構(gòu)中行星機構(gòu)嚙合頻率的3 倍值；而在第二個振動測試點的能量主要集中在252 Hz 的位置，該處頻率為傳動機構(gòu)中第二級直齒傳動齒輪嚙合頻率。

3.2.2 加載工況

在加載工況下對截割部兩處位置的振動信號進行監(jiān)測，其對應頻域的振動信號如下頁圖5 所示。

由圖5 可知，在第一個測試點的能量主要集中在108 Hz 和216 Hz 的位置；理論上第三級直齒圓柱齒輪的嚙合頻率為108 Hz。由此可以得出，采煤機搖臂殼體在X 方向的振動是由于第三級齒輪傳動的嚙合沖擊所導致的。第二個測試點的振動情況和第一個測試點類似。

圖5 加載工況下振動信號頻域結(jié)果

4 結(jié)論

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，截割部作為直接與煤層或者巖層接觸的部件，其所承受的載荷將通過搖臂傳遞至機身。為掌握采煤機的動力學特性，擬為后續(xù)采煤機截割部進行優(yōu)化設計提供支撐，重點對采煤機截割部擺動動力學特性和截割部的振動情況進行實驗研究，得出如下結(jié)論：

1）為保證采煤機的穩(wěn)定運行，應選用剛度和阻尼較大的調(diào)高油缸，從而減輕截割部滾筒不規(guī)則載荷傳遞機身的振動。

2）在空載工況下，在第一個振動測試點的能量主要集中在198 Hz 的位置，在第二個振動測試點的能量主要集中在252 Hz 的位置。

3）在加載工況下，第一個和第二個測試點的振動情況類似，能量主要集中在108 Hz 和216 Hz 的位置。