超大采高采煤机摇臂振动监测分析与应用

超大采高采煤机摇臂振动监测分析与应用

李海朋

皖北煤电集团公司 安徽 宿州 234000

摘要：随着我国煤炭高产高效需求的不断增加，采煤机装机功率尤其是摇臂的功率越来越大。以适应最低采高1.3m的薄煤层采煤机为例，传统的采煤机摇臂功率仅有100kW左右，近些年随着采煤机技术的不断发展，摇臂功率已增大到400kW，但为了适应最小采高和摇臂过煤空间的需要，摇臂体积没有太大增加，因此摇臂功率密度越来越大。但摇臂功率密度增加以后，在实际应用过程中暴露出了润滑不足、温升偏高以及功率增大以后摇臂壳体强度不足等问题，采煤机摇臂故障率显著增加，不能满足现阶段煤矿对采煤机可靠性的要求。因此对高功率密度摇臂的润滑系统、温升控制和壳体强度进行深入研究，研发高可靠性的高功率密度摇臂，以适应现阶段和未来煤矿高强度的生产负荷显得尤为迫切。基于此，本篇文章对超大采高采煤机摇臂振动监测分析与应用进行研究，以供参考。

关键词：超大采高采煤机；摇臂振动监测；分析与应用

引言

采煤机是煤矿开采中重要的机械装备，随着煤矿领域进步对采煤效率要求的不断提升，采煤机正朝着大型化、重型化方向发展。摇臂结构是采煤机中的主要机械结构之一，其性能的好坏对采煤机的整体性能有非常重要的影响。但在实践过程中，摇臂部位的受力相对较为复杂，容易出现应力集中，最终导致该结构出现损伤失效。本文主要以超大采高采煤机摇臂振动监测分析与应用为例，对其工作时摇臂结构的受力情况进行了分析，并基于力学分析结果对其结构进行优化设计。

1采煤机截割系统结构

采煤机截割部按照规定轨迹截割主要是通过摇臂的升降以及滚筒的旋转实现的。摇臂的升降是通过液压系统控制的，先改变油缸活塞的位置，带动连接活塞的伸缩杆实现运动，而摇臂与伸缩杆相连，从而实现升降运动。在实际的工作环境里，煤岩的分布是随机的，其状态是多变的，截割不同状态的煤岩要采用不同的轨迹，常用的截割控制方法是记忆截割，当煤层变化不明显时，该方法准确率很高，但煤层变化明显时截割效率和效果就大打折扣，因此本文采用遗传算法在记忆截割的基础上对已规划的路径进行优化，并通过调节摇臂的升降以及滚筒高度使采煤机截割头按照规划轨迹操作。在截割过程中，利用遗传算法进行路径优化的信息来源是利用传感器采集到的采煤机状态参数以及煤岩状态。采煤机截割电机在工作过程中一般是采用恒功率运行模式，电流的大小可直接反映出截割载荷的大小；煤岩不规则的分布加大了截割难度，在截割过程中，采煤机滚筒与煤岩接触时，受载不均，产生的振动情况也不一样，当煤岩硬度较高时，截割部的振动强烈，当煤岩硬度较低时，煤岩的振动也会较弱，因此通过监测采煤机截割电流以及振动信号判断煤岩状态，从而进行路径优化。基于遗传算法的采煤机截割路径优化是根据实际工况进行的，优化的依据是安装在采煤机各个位置的传感器采集的数据，这些数据可用于预测煤厚度和硬度并根据煤岩状态实时调整截割策略。

2摇臂结构有限元模型的建立

利用PRO/E软件建立摇臂结构的三维几何模型。在建立几何模型时需要对一些非核心结构进行省略，比如圆角、倒角等位置，此举可以在保障计算结果精度的同时提升计算速度。将建立好的几何模型导出为STL格式，再将其导入到ANSYS软件中进行后续的建模。首先需要进行材料属性的设置，摇臂结构壳体部位采用的材料为Q345，将该类型材料的物理和力学属性输入到有限模型中参与计算，以保障最终计算结果的精度。然后是对几何模型进行网格划分，在充分考虑实际情况的基础上，选择六面体网格进行自动网格划分，最终得到的网格和节点数量分别为15352和17653个。考虑到摇臂结构工作时会绕销轴部位进行旋转，当摇臂结构处于不同角度时，整体的受力情况也存在很大差异，所以研究了摇臂结构与水平方向呈不同角度时的受力情况。

3采煤机摇臂的受力分析

采煤机受力分析是进行仿真计算的前提和基础，假设采煤机滚筒所受的阻力全部集中截齿的齿尖，需要将其进行分解，得到摇臂所受的截割阻力、推进阻力和轴向力。根据采煤机电机的截割功率、滚筒尺寸等，估算得到截割阻力大小为49.866kN。根据大量的采煤机作业现场的实测数据及采煤机随机资料可知，采煤机的截割阻力与推进阻力具有一定的比例关系，计算得出采煤机推进阻力大小为37.399kN；根据采煤机滚筒的实际尺寸，计算得到滚筒轴向力大小为46.488kN。通过计算得出了采煤机摇臂实际的受力状态及其大小数值，基于此可以开展采煤机摇臂受力分析，进一步观察摇臂轴套的应力应变状态，以便找出轴套工作过程中的薄弱环节，提出切实可行的改进策略。

4摇臂离线监测系统

4.1摇臂传动系统结构

超大采高智能采煤机型号为MG1100/3030-GWD，传动系统采用4级减速，截割电机的输出扭矩通过Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9等不同型号的齿轮进行传递，其动力经过2级减速传递至行星减速器，由行星减速器中的行星架传给输出轴方法兰驱动截割滚筒旋转。该采煤机摇臂采用2级直齿和2级行星减速，其中轴1为电机轴，轴2为惰轮轴，轴3为传动轴，轴4、轴5、轴6、轴7、轴8为相同的惰轮轴，只起到传动作用，不改变转速；轴9为驱动轮轴，利用内花键与一级行星减速器的太阳轴啮合，通过太阳轮将扭矩传递至一级行星减速器，再传递至二级行星减速器。通过一系列扭矩传递，保证摇臂结构合理、紧凑和扭矩传递可靠。

4.2摇臂传动系统振动特性

齿轮是采煤机传动系统的基础，通过对齿轮运行中的动态信号进行处理分析来获得振动信号，根据故障发生时振动信号在时域和频域中出现的各类故障特征信息来识别故障类型和进行故障定位。滚动轴承是采煤机摇臂的重要元件之一，其运转状态的好坏直接影响摇臂的性能。滚动轴承4种典型的故障状态:内圈故障、外圈故障、滚动体故障和保持架故障。当轴承故障出现时，轴承内圈、外圈、滚动体、保持架的特征频率往往会表现出来。

4.3摇臂离线监测系统架构

摇臂离线监测系统由3级组成：①第1级数据采集层16个有线振动传感器和数据采集监测单元实时采集设备运行过程中的振动信号，监测单元通过网线将数据传输至现场状态监测服务器（笔记本电脑）；②第2级现场监控系统现场配套1台服务器（笔记本电脑），用于存放从监测系统发回的设备状态数据，现场设备维护与管理人员可通过电脑终端访问在线监测系统，了解被监控机组的运行状态；③第3级远程诊断系统通过该系统，远程诊断专家可对所有纳入监控的设备进行远程数据分析与故障诊断。

结束语

综上所述，摇臂作为采煤机的关键组成部件，其工作可靠性要求较高。针对采煤机可靠性有待提高的现状，以其摇臂轴套为研究对象，开展了强度分析与优化工作。研究摇臂振动监测分析与应用，结果表明，具有很好的可装配性，改进合理可行。

参考文献

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