變負(fù)載工況下采煤機(jī)截割部動態(tài)特性研究

郝雁飛

（左權(quán)縣應(yīng)急管理綜合行政執(zhí)法隊(duì)， 山西 晉中 032600）

引言

隨著煤炭資源的不斷開采和山西省高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展的規(guī)劃要求，針對煤炭的開采將逐步走向深部化和智能化的方向，深部煤層復(fù)雜的地質(zhì)條件對采煤機(jī)的性能提出了更高的要求。采煤機(jī)作為多級齒輪傳動系統(tǒng)的集合，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，發(fā)生故障的原因也眾多，究其原因在于針對采煤機(jī)的相關(guān)理論研究較為薄弱且關(guān)鍵技術(shù)相對落后[1]。因此，本文重點(diǎn)針對采煤機(jī)截割部在變負(fù)載工況下的動態(tài)特性進(jìn)行研究，旨在為提升采煤機(jī)在復(fù)雜工況下的生產(chǎn)效率和開機(jī)率奠定理論基礎(chǔ)。

1 采煤機(jī)概述

采煤機(jī)作為綜采工作面的主要設(shè)備，其承擔(dān)著截割煤炭和裝煤的任務(wù)，其能夠根據(jù)煤層地質(zhì)條件變化對截割深度、截割高度、行走速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為截割部、行走部和控制系統(tǒng)三部分。其中，控制系統(tǒng)位于采煤機(jī)的中間箱體中主要是對采煤機(jī)行走部和截割部進(jìn)行控制[2]。本文以采煤機(jī)截割部為主體開展研究，截割部又可細(xì)分為截割電機(jī)、傳動系統(tǒng)、截割滾筒等部件，截割部的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)示意圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，采煤機(jī)截割部功率消耗占據(jù)整機(jī)的80%以上，其也是整機(jī)環(huán)節(jié)中相對薄弱的機(jī)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)中，截割部發(fā)生故障的比例高達(dá)46.15%；而且以截割部傳統(tǒng)系統(tǒng)的故障率最高，其次為截割部的齒輪故障。同時(shí)，隨著煤炭開采朝著智能化、煤層深部化的方向發(fā)展，截割部在實(shí)際生產(chǎn)中面臨著較大的強(qiáng)負(fù)載隨機(jī)性和強(qiáng)沖擊性，使得采煤機(jī)截割部在自主設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。若在設(shè)計(jì)初期未掌握采煤機(jī)截割部的動態(tài)特性，將會導(dǎo)致其在早期階段出現(xiàn)損壞，從而影響采煤機(jī)在綜采工作面的生產(chǎn)效率[3]。

因此，本文將重點(diǎn)針對采煤機(jī)截割部開展其在變負(fù)載工況下的動態(tài)特性，具體對不同負(fù)載下采煤機(jī)搖臂箱體的振動特性、截割部齒輪的嚙合狀態(tài)以及截割部的瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究。

2 采煤機(jī)截割部動態(tài)特性研究

2.1 負(fù)載對截割部齒輪嚙合狀態(tài)的影響

針對采煤機(jī)截割部齒輪嚙合狀態(tài)重點(diǎn)關(guān)注其在變負(fù)載工況下齒輪的嚙頻的變化情況。當(dāng)截割部的負(fù)載系數(shù)為1 時(shí)，設(shè)定采煤機(jī)截割部齒輪以平均值為1469.4 r/min 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)速略小于截割部的額定轉(zhuǎn)速1470 r/min。不同負(fù)載系數(shù)下采煤機(jī)截割部的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的波動情況如圖2 所示。

如圖2 所示，當(dāng)截割部所接觸的負(fù)載系數(shù)從0.2增大至1.8 時(shí)，截割部的平均轉(zhuǎn)速降低幅度約4.4%；隨著負(fù)載系數(shù)的增加，截割部轉(zhuǎn)速的波動情況明顯增加，說明截割部的振動加劇。

圖2 不同負(fù)載系數(shù)下截割部轉(zhuǎn)速及其波動情況

2.2 變負(fù)載下截割部搖臂的振動特性

在變負(fù)載工況下，采煤機(jī)截割部搖臂為從截割頭到采煤機(jī)整機(jī)傳遞振動信號的介質(zhì)，其為采煤機(jī)截割部的主要薄弱環(huán)節(jié)[4]。通過實(shí)踐觀察，在不同負(fù)載狀態(tài)下采煤機(jī)搖臂的振動特性處于變化狀態(tài)。

2.2.1 搖臂箱體軸承及軸承孔振動加速度變化情況

針對采煤機(jī)搖臂在變負(fù)載下的振動特性，重點(diǎn)從搖臂軸承和軸承孔的振動加速度反映，負(fù)載系數(shù)對振動加速度的影響如圖3 所示。

圖3 變負(fù)載系數(shù)對搖臂箱體軸承及軸承孔振動加速度的影響

搖臂箱體軸承的振動加速度隨著負(fù)載系數(shù)的增加而增加，呈現(xiàn)近似線性關(guān)系；而搖臂箱體軸承孔振動加速度隨著負(fù)載呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且當(dāng)負(fù)載系數(shù)為1.4 時(shí)對應(yīng)的軸承孔的振動加速度最大。

2.2.2 搖臂箱體振動強(qiáng)度隨負(fù)載系數(shù)變化情況

采煤機(jī)搖臂箱體的振動強(qiáng)度隨負(fù)載變化情況如圖4 所示。

圖4 變負(fù)載系數(shù)對采煤機(jī)搖臂箱體振動強(qiáng)度的影響

如圖4 所示，負(fù)載系數(shù)與采煤機(jī)搖臂箱體振動強(qiáng)度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，隨著負(fù)載系數(shù)的增加振動強(qiáng)度線性增加。導(dǎo)致?lián)u臂振動強(qiáng)度變化與截割部電機(jī)平均轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)速波動情況具有明顯直接的關(guān)系。為了進(jìn)一步驗(yàn)證振動強(qiáng)度與截割電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的直接關(guān)系，本小節(jié)具體開展了負(fù)載系數(shù)對采煤機(jī)搖臂振動的試驗(yàn)研究。

在實(shí)驗(yàn)室模擬采煤機(jī)的生產(chǎn)環(huán)境，設(shè)采煤機(jī)以3 m/min 的恒定速度牽引，通過調(diào)節(jié)采煤機(jī)的截割深度模擬不同的負(fù)載系數(shù)；同時(shí)，采煤機(jī)截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速不進(jìn)行控制，單純分析負(fù)載系數(shù)對采煤機(jī)截割部轉(zhuǎn)速的影響；與此同時(shí)，采用PCB 振動加速度傳感器對采煤機(jī)搖臂的振動強(qiáng)度進(jìn)行測量，信號采集頻率為10 Hz，通過試驗(yàn)測得的結(jié)果如圖5 所示。

圖5 負(fù)載系數(shù)對截割電機(jī)功率與箱體振動強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

如圖5 所示，在0～100 s 的測試時(shí)間內(nèi)，截割電機(jī)功率增加，對應(yīng)的截割部搖臂箱體的振動強(qiáng)度增加；在100～350 s 的測試時(shí)間內(nèi)，截割電機(jī)功率緩慢減小，對應(yīng)的截割部搖臂箱體的振動強(qiáng)度也緩慢降低；在350～400 s 的測試時(shí)間內(nèi)，截割電機(jī)功率快速增加，對應(yīng)的截割部搖臂箱體的振動強(qiáng)度也快速增加。

3 結(jié)論

1）當(dāng)負(fù)載系數(shù)從0.2 增大至1.8 時(shí)，采煤機(jī)截割部各級齒輪的嚙頻變化幅度較??；而且，采煤機(jī)截割部各級齒輪的嚙合齒向誤差及其載荷波動系數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2）采煤機(jī)截割部搖臂的振動強(qiáng)度與截割部電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)直接相關(guān)關(guān)系，負(fù)載系數(shù)與采煤機(jī)搖臂箱體振動強(qiáng)度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，隨著負(fù)載系數(shù)的增加振動強(qiáng)度線性增加。