采煤机振动特性研究

武云龙

（山西焦煤西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200）

引言

目前，传统的煤炭开采方式已不能满足生产的需求，综合机械化采煤已成为主要手段[1]。采煤机是采煤工作面的重要生产设备，其可靠性、安全性以及持续工作的能力是保证产量的重要性能指标[2]。由于煤矿井下工作环境恶劣和采煤机结构复杂，在破碎岩石过程中受到动载荷以及煤岩强度不均匀性的影响，导致采煤机的机身长期处于强烈的振动中，机身中薄弱的部位，如摇臂壳体以及牵引部壳体出现过载损坏，严重时导致停机，影响煤矿的安全生[3]，并且由此引发的电器元件的损坏、截齿的损坏丢失等一系列后续问题都将严重影响采煤机的稳定性。因此，为保证采煤机安全可靠地工作，就必须对采煤机工作时的振动特性进行研究，找出其关键影响因素，进而指导煤矿实际生产。

1 采煤机振动机理

第一，采煤机的传动齿轮在啮合过程中由于变啮合刚度、啮合冲击和设计误差而造成的内部激励，引起采煤机身振动。第二，工作过程中，由于牵引动力装置中销排自身的浮动特性，在与啮齿的啮合的过程中产生较大的啮合冲击，造成牵引速度和牵引力的突然变化，造成采煤机振动。第三，采煤机的截割对象（煤岩体）并不是理想的均质性、各向同性，而是复杂多变。截齿在截割过程中容易受到来自煤岩体的非线性瞬时冲击载荷，特别是煤层中赋存有硬夹矸时，截齿与岩石发生复杂的力学耦合作用，产生的瞬时冲击荷载将导致采煤机的剧烈振动，对采煤机的持续生产影响较大。基于研究的需要，本文主要研究采煤机截割过程中由煤岩物理力学特性引起的机身振动。

2 采煤机振动理论的研究

2.1 采煤机振动识别信号分析

由于煤层中矸石以及煤层厚度的千变万化，导致采煤机截割部在截割煤体时经常截割到岩石，使得截割滚筒上的截齿与煤岩的接触性阻力瞬间增大，在滚筒和采煤机摇臂上的振动激振力增大，对采煤机的截齿性能、机身的稳定性影响较大。利用振动加速度收集仪器拾取振动加速度信号，分析振动加速度信号中赋含的滚筒截割阻力信息以及摇臂机械传动信息。

通过对振动信号的分析处理，得出采煤机振动的影响因素，对识别煤岩介质以及采煤机故障诊断具有重要意义。采煤机滚筒在截割煤岩的过程中，随着截割对象的变化，摇臂振动在截割力激励作用下的振动响应会随着发生变化，利用相关仪器实时监测这些变化的信息，进而实现对采煤机滚筒截割状态的动态监测。

2.2 振动信号时域、频域分析

振动信号的基本性质是时域和频域，这样可以用多种方法、不同的角度来分析振动信号。信号幅值域分析又称为统计特征参量分析，在假设前提下，对随机过程的分析变成对任意样本的统计分析。时域分析中的量纲特征值包括最大、小值，峰峰值，均值和方差；无量纲特征值包括平均幅值、波形指标、方根幅值、峰值指标、欲度指标和脉冲指标。

分析周期平稳信号的工具是信号傅里叶变换，通过牺牲全部时域信息来获得精确的频域分辨率，其变化公式如下：

式中：S（t）为信号时域函数；S（ω）为信号的傅式变换。

事实上，实际测得的振动信号只有部分有意义，以冲击形式出现的平稳振动信号以及随机出现的信号都有可能含有效振动信号，这就要求对局部特征信号进行具体分析。振动信号有高频、低频之分，在高频率段的振动冲击信号的信息量往往能准确反映煤岩的实际信号，所以在分析振动信号时往往希望有最大的高频信号，因此需要克服小波函数高频段信号频率低的问题。在此情况下小波包信号分析方法成为解决信号特征提取的有效手段，基本分析思路如图1所示[4]。

滚筒作为截割煤岩的激励源，在空间上承受三个方向的载荷，可通过采煤机的摇臂传递振动信号，再利用安装在摇臂处的振动加速传感器收集振动信号。截割破岩过程中，煤、岩物理力学特性的差别会导致截齿受不同的力，引起振动信号的变化，通过分析该振动信号的变化，实现采煤机截割煤岩界面的自动识别[5]。

3 结论

图1 采煤机振动信号分析思路

经分析研究，主要对引起采煤机工作时振动的三种原因进行了阐述，并对截齿在截割过程中容易受到来自煤岩体的非线性瞬时冲击载荷着重进行分析，得出高频率段的振动冲击信号的信息量能准确反映煤岩的实际信号的思路，最终提出利用摇臂上安装的加速传感器接收信号，可以通过信号对界面进行识别。

[1]田震.薄煤层采煤机振动特性研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.

[2]刘俊利，赵豪杰，李长有.基于采煤机滚筒截割振动特性的煤岩识别方法[J].煤炭科学技术，2013（10）：93-95；116.

[3]王峥荣.采煤机截齿截割过程的动力学仿真[D].太原：太原理工大学，2009.

[4]陈洪月，白杨溪，毛君，等.多激励下采煤机在行走平面内的非线性振动特性分析[J].机械设计与研究，2016（2）：166-170；174.

[5]崔新霞.钻削式采煤机钻削系统振动特性研究[D].徐州：中国矿业大学，2014.