掘进机振动特性的试验研究

高 峰

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司， 山西 长治 046699）

引言

掘进机被广泛用于地下煤矿开采中，主要用于承担截割、装载、运输等重要功能[1]。随着掘进机的发展和对采矿设备生产能力的要求，掘进机的稳定性和可靠性已成为一个重要问题。由于工作环境恶劣，工况复杂多变，掘进机负载复杂，载荷剧烈波动，掘进机井下作业时，关键部件常常遭受无预期的损坏[2]，使综掘工作面正常生产受到极大的影响。根据现场经验总结，掘进机工作时，由于修剪而产生的剧烈振动引起机身剧烈的振动、致使主机架、悬臂回转台或油缸等元件及结构件产生重大机械故障，从而降低掘进机工作效率，造成不必要的经济损失。因此，研究基于振动测试的掘进机关键部件的动态分析是很有必要的，对提高掘进机的截割效率、整机的稳定性和零部件的寿命都有重要意义。对掘进机关键部件的动态工作特性研究是揭示其结构特性（尤其是弊端）、辅助完善其动力学研究、可靠性分析等工作的一种有效也十分必要的手段。在本文中，开发了一套基于便携式数据记录仪的测量掘进机振动的方法，同时对主机架和转盘进行了振动测试和信号分析，结果将为掘进机的设计、制造、使用和维护提供基础。

1 掘进机振动测试

1.1 测量和测试仪器介绍

本研究选用自主研发的便携式振动记录仪，该仪器已获得采矿安全许可证。该设备是基于ARM9 便携式振动记录仪的基本结构研发，并具有2 GB 的存储空间，具有测量、显示、存储和信号远传等功能，有很高的安全性和很强的可操作性，其使用镍氢电池供电，可同时采集4 个振动信号采集通道可以同时测量1～4 个测点的单方向、单一值，也可以同时测量多个测点、多个方向的振值，可以连续工作长达几个小时或更久；整个仪器的外观和传感器的连接图如图1 所示。四个振动信号探头通过4 根信号线分别接入振动记录仪，避免了振动信号的相互干扰。

图1 矿用便携式振动记录仪

1.2 掘进机介绍

本文研究对象是EBH300（A）掘进机，它是一种综合的挖掘设备，集切割，运输和步行为一体[3]，如图2 所示。它主要用于综采机械和其他类似的矿山，隧道和成型作业中。EBH300（A）掘进机适用于硬度≤13的岩巷、半煤岩巷的掘进，也可在公路、铁路、水利等隧道施工工程中使用[4]；采用计算机控制，整机实现全无线遥控控制，智能成型切割和恒功率切割；超强的结构件设计理念，保证整机足够的质量，截割岩石时机身稳定，机重达125 t；定位切割的最大高度为5.8 m，最大宽度为8.8 m；先进的进口集中润滑系统，保证各部位工作正常可靠；高效的分装分运电驱动系统，更加适应岩巷掘进。

图2 EBH300（A）掘进机

1.3 掘进机振动信号采集

在进行掘进作业之前，有必要对掘进机作业现场进行认真的勘察以制定合理的数据收集计划，然后根据数据收集计划在实际作业中测试并收集振动信号。掘进机作业现场具体参数如图3 所示，工作场所是整个岩石巷道，岩石分布均匀，硬度为10～11。实验过程中未经历过诸如断层等特殊的地质条件。巷道顶板为拱形，净宽5.0 m、净高4.3 m，净网段18.81 m2，最大宽度5.3 m、最大高度4.45 m，最大断面20.57 m2，沟网尺寸为0.3 m×0.3 m，沟壁厚度为100 mm。沟渠的净尺寸为0.3 m×0.3 m，沟渠宽度的砖石墙为100 mm。

图3 掘进机工作面具体参数（单位：mm）

1.4 测量点的安排

掘进机每一班次（每8 h）的掘进任务是行驶1 m。由于岩石硬度高，切割难度较大，因此在每个测量点测试时间为3～5 min。在掘进机工作中，回转机构带动悬臂上下、左右摆动，在摆动过程中，截割头的运动学参数和动力学参数不断发生变化。纵向截割头的摆动速度和转速是影响掘进机生产率、工作平稳性和截割比能耗的重要因素[5]。回转台的合理结构与否决定掘进机的工作性能及整机的稳定性，其结构强度、刚度不足将造成截割性能的降低和疲劳断裂[6]，因此，根据实际情况和测试目的，该测试主要针对掘进机的转盘（1 号点）和主框架（2 号点）。加速度传感器安装在图4 所示的位置。

图4 测量点布局方案

2 测试结果和振动分析

通过使用MATLAB 软件对振动信号进行频域分析，图5 和图6 给出了转盘和主框架的频域分析图，表1 和表2 为二者的时域统计指标。从转盘与主框架频域分析的比较可以得出以下结论：从最大值、峰值和有效值来看，转盘的振动幅度都比主框架大。强烈的振动容易造成支撑部件损坏。与气缸相连的销孔会因振动而变大并影响连接稳定性，因此有必要对气缸进行定期检查，以进行故障排除。掘进机在刚开始运行时会快速振动，此后逐渐变得平稳。从图5 和图6可以看出，切割时的振动要比空载更强烈。转盘峰值指数较小，主框架的峰度指数相对较大，说明振动对转盘的影响小于对主框架的影响。主框架在工作过程中的振动一直比较稳定，最大值、峰值和有效值较小，可以说明，掘进机工作时主框架的振动很小。主框架的峰度指数很大，而峰度指数对撞击信号特别敏感，结果表明，由于主框架是掘进机的主要支承机构，因此更容易受到刚性冲击的影响而产生振动磨损故障，因此有必要对主框架进行定期的故障诊断，以防止由于掘进机长期的冲击和振动引起的裂纹。

图5 转盘时域频谱

图6 主框架时域频谱

表1 转盘时域统计指标

表2 主框架时域统计指标

3 结语

机械振动会对掘进机造成很大的破坏，容易使横梁，缸体，主机架，零部件和结构频繁损坏，从而使掘进机行驶成本提高，并降低了行驶效率。回转机构是作业机构与动臂式掘进机的齿条形成装置的可动支撑和连接。在每个关节承受的复杂冲击载荷下，它连接左右框架，支撑切割臂。本文研究是以提升悬臂式掘进机性能为长远目的，观察、总结掘进机在恶劣工作环境下常发生的故障形式或失效状态，提出以关键部件为研究对象，通过实验研究和理论分析掘进机的振动特征，为提高掘进机截割效率和整机稳定性提供参考，对改善掘进机故障诊断和设计具有重要的现实意义。