矿山运输设备动力学特性分析

陈 淼

（长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012）

1 研究背景

为确保煤矿作业能够安全、高效进行，不仅需要预先制定煤矿施工现场的环境地质条件、施工作业技术、施工方案等，还需要根据实际的作业条件选择合适的矿山运输设备，将所得的矿产资源传输到城市中，以便维持城市各方面正常运行。矿山运输设备属于矿井轨道运输系统的一部分，一旦矿山运输设备或轨道在作业过程中出现振动问题，不仅会使设备内部结构遭受冲击，还会导致矿车自轨道连续弹出，严重时则会造成生产事故，危害施工作业人员的人身安全，同时也会对煤矿生产进度造成负面影响。因此，为不断增强矿山轨道运输过程的稳定性，应对矿山运输设备自身的振动特性进行充分分析和深入研究。现阶段，尽管社会相关研究学者对机车或铁路轨道振动问题研究相对较多，但对煤矿轨道运输系统振动的研究比例相对较低。所以，为填补这一空白，需要对矿山运输设备的振动特性开展一系列的研究。本文选择大型矿车作为实际研究对象，建立合理的力学模型、数学模型以及仿真模型，对矿山运输设备作业期间的振动特点进行分析，同时寻求有效的应对策略。

2 构建力学模型

通常情况下，为保证大型矿车运行期间整体结构的灵活性，一般采用弹簧连接的形式实现大型矿车车体与车轴的连接。由于大型矿车体积较大，研究过程相对不够方便，所以，选择四分之一矿车开展研究工作，同时构建对应的力学模型。上述研究方式常常存在于对车辆振动的研究工作中，并且能够保证整个研究过程的合理性。具体研究结构如图1所示。

图1 力学模型图

外力作用下会促使轨道出现振动问题，而产生该问题的原因是轨道中心主惯性轴的位置与界面呈现垂直交叉，与此同时，中心主惯性轴与轨道受到的激振力在此阶段中应属于同一平面。研究人员为保证测试结果的精确性，可以模拟现实各项参数数据，对于部分对测试结果影响不大的相关因素可以忽略处理。将轨道结构相对简化，借助于伯努利-欧拉梁模型进行研究。为保证研究结果的有效性，模型构建过程中需要参考轨道实际的铺设情况。受到轨道铺设问题影响导致临近轨道之间并没有处于同一平面，所以，不同轨道连接区域会形成高度差。如图1所示，k2为连续弹簧床刚性系数。

3 构建数学模型

3.1 矿车振动模型

根据对矿山运输设备力学模型的构建以及分析，通过将轨道平衡位置作为坐标系的原点，正上为正方向，同时，借助牛顿第二定律，构建矿车车体振动数学模型。

3.2 轨道振动数学模型

通过利用上述坐标系，设轨道上距原点距离为x的点在t时刻的振幅为yr（x,t），基于伯努利-欧拉梁模型原理可以得出轨道振动微分方程：

4 构建仿真模型

通过上文中所表述的数学模型以及力学模型的运用，结合Simulink设计及建立矿车轨道耦合振动仿真模型，具体如图2所示。通过对图2进行分析，可以发现仿真模型的主要组成部分为车体振动子系统、车轮振动子系统以及正则坐标子系统，其中，车体振动子系统与车轮振动子系统之间具有紧密联系，而车轮振动子系统与正则坐标子系统中之间关系密切。但是，车体振动子系统与正则坐标子系统之间没有直接联系。

图2 仿真模型数据流程图

5 仿真结论分析

研究人员根据矿车在轨道中的运行情况设计并制图轨道关系图，如图3所示。通过观察图3，可以发现当时间低于2s时，轨道所产生的振动幅度相对较小，原因是轨道振动过程中产生的作用力主要来自于轨道的平顺面。而当时间为2s时，则轨道产生的振动幅度产生两种情况，一种为振动幅度快速增加，原因则是此过程中矿车会通过轨道之间存在的台阶区域，并且经过的同时，矿车的车轮会与轨道之间产生较大的作用力，导致轨道产生的振动程度相对较激烈。另一种情况，则是轨道振动幅度逐渐降低。原因是如果矿车在轨道上方运行的过程中，越过轨道之间的台阶，则轨道再次接收到的振动来源则是轨道平顺面，所以，轨道的振动幅度会不断降低。通过深入观察图3，发现随着x轴的参数值不断减小，轨道所产生的振动幅度不断降低，因此，为最大限度降低轨道运行过程中的振动幅度，则可以在轨道中部区域增设限位装置，提高对矿车、轨道振动幅度的控制力度。

图3 轨道响应

6 车体振动控制

通过对上文内容的分析与总结，为方面测试实验的高效进行，设计如图4所示的矿车摩擦吸能装置。通过在矿车中增设该装置，能够在矿车运行阶段产生大量振动的过程中，对该能量进行有效吸收，加大对矿车振动幅度的控制效率。测试人员需要将装置中1位置安装在矿车车体区域，而剩余的2、3、4则需要安装在矿车侧架区域。借助于螺栓帮助吸能器产生一定的摩擦力N。一旦矿车在运行过程中，其车体与车架之间出现相互运动的情况，且所产生的相对速度为v1可以得到具体的表达式：f=μ(v1)N。

研究人员为能够更准确性地对矿车摩擦吸能器所提供的减震功能进行掌握，应控制测试的区域，因此，测试阶段仿真模型的建立仅仅需要1/4车体参与，同时涉及连接弹簧、吸能器、车轮等组建的系统。通过对图5进行分析，其中，曲线1表示矿车没有安装摩擦吸能器的振动曲线，曲线2则表示矿车安装吸能摩擦起的振动曲线，并且已经得知摩擦吸能器所提供的摩擦力为N。假设摩擦吸能器所受到的压力增加时，则矿车的振动曲线如曲线3所示，因此，可以得出结论：摩擦吸能器能够为矿车提供一定的减震功能，且摩擦力N与减震功能之间呈正相关。

图4 吸能器结构图

图5 车体减震曲线

7 结语

矿山运输设备的稳定运行，对于保证煤矿工程的生产效率，保证作业过程的安全性、稳定性具有重要意义。针对矿山运输设备开展振动特性的研究分析，建立科学的力学模型、数学模型、仿真模型，利用数据模拟的方式得出矿山运输设备振动特性的结论如下。

第一，假设矿车在运行期间越过台阶时，矿山运输轨道便会受到外界作用力的影响而产生较强程度的振动，且处于轨道中间区域的振动程度要远大于两端的振动幅度，所以，为保证矿车越阶期间对于轨道产生的影响最小，需要于轨道中间区域增设限位装置，实现对轨道中部区域振动问题的有效控制。

第二，假设矿车越过台阶之后，矿车振动方式主要以高频率为主，并且矿车运行正方向的振动频率要高于矿车反方向的振动频率。

第三，为进一步增加各个矿车之间连接部件的阻尼参数，可以采用安装摩擦吸能装置，有效吸收矿车运行期间所产生的振动能量，提高对矿山运输设备的整体控制力度。