不同舉升角下采煤機搖臂振動特性分析

□ 徐貴旭

山西鐵道職業技術學院 太原 030013

1 分析背景

采煤機截割部工作環境較為惡劣,并且受到來自滾筒的復雜載荷作用,截割部性能的優劣直接影響采煤機的整機穩定性。在采煤機設計研發過程中,了解和掌握截割部動力學特性,對提高采煤機的工作效率和塊煤率有重要意義。

為了提高采煤機截割部的結構可靠性,降低系統發生故障的概率,筆者對不同舉升角下采煤機搖臂振動特性進行了分析。

2 采煤機截割部結構

滾筒式采煤機截割部結構如圖1所示,主要由機身、液壓油缸、搖臂、滾筒組成。工作過程中,采煤機機身位置固定,通過液壓油缸來調節滾筒的高低,從而實現采煤機對不同采高煤層的切割。采煤機截割部既會受到自身重力的作用,又會受到切割煤層阻力的作用。由于煤層阻力受外部環境影響較大,因此截割部會受到較大的交變載荷作用,沖擊載荷作用于液壓油缸后,將嚴重影響調節系統的穩定性和可靠性。

▲圖1 滾筒式采煤機截割部結構

3 振動模型

采煤機截割部受力較為復雜,筆者在分析中對其結構進行簡化。假設系統只受豎直和水平兩個方向的振動,即只考慮液壓油缸伸縮方向的振動特性。采煤機在受到外部激勵的過程中,其位置始終保持不變。將搖臂與滾筒、機身的連接等效為剛性連接。在上述簡化的基礎上,建立采煤機截割部的振動模型,如圖2所示。

▲圖2 采煤機截割部振動模型

圖2中,m1為采煤機滾筒的集中質量,m2為采煤機搖臂的集中質量,φ1為搖臂舉升角,φ2為小搖臂與液壓缸的夾角,L1為搖臂長度,L2為小搖臂長度,kh為液壓油缸的等效彈簧剛度,ch為阻尼因數。根據力矩平衡原理,建立系統力學模型[5]:

(1)

式中:J為滾筒和搖臂繞旋轉中心O點的轉動慣量;θ″為搖臂繞旋轉中心O點的旋轉角加速度;xh為液壓缸沿活塞運動方向的位移;∑MO為旋轉中心O點所受外力矩之和。

實際工作過程中,采煤機滾筒由于制造和安裝誤差會產生旋轉偏心力,筆者在計算過程中將此偏心力用周期性水平方向外力Fb和豎直方向外力Fa代替。根據上述簡化原理,得到采煤機截割部滾筒水平方向和豎直方向所受的交變載荷[6]:

(2)

式中:Fbmax為滾筒水平方向受力最大值;Famax為滾筒豎直方向受力最大值;t為時間;F0為滾筒水平方向所受平均載荷;F1為滾筒豎直方向所受平均載荷;ωb為滾筒所受外力在水平方向的變化頻率;ωa為滾筒所受外力在豎直方向的變化頻率;Fp為滾筒偏心力最大值;ω為滾筒旋轉角速度,ω=ωb=ωa。

旋轉中心O點所受外力矩主要包括激振力矩、采煤機搖臂和滾筒重力產生的力矩,其中,FbL1sinφ1、FaL1cosφ1為激振力矩,(m2gL1cosφ1)/2、m1gL1cosφ1為重力產生的力矩。

由于搖臂繞旋轉中心O點轉動角θ較小,因此近似認為sinθ等于θ,可得液壓缸位移xh為:

xh=L2sinθ=L2θ

(3)

將上述各式代入式(1),整理得到振動方程為:

(Fbmax+Fp+F1)sin(ωt)L1sinφ1+Mc+[Famax+

Fp+F0-(2m1+m2)g/2]sin(ωt)L1cosφ1

(4)

式中:θ′為搖臂繞旋轉中心O點的旋轉角速度;Mc為截割阻力矩。

4 仿真分析

針對采煤機切割部振動模型,應用Simulink軟件工具箱進行動態仿真。各參數具體取值如下:m1為100 kg,m2為600 kg,g為9.8 m/s2,ω為3.07 rad/s,Fa+Fp為20 000 N,F0為40 000 N,Fb+Fp為2 000 N,F1為30 000 N,L1為2.3 mm,L2為0.85 m。通過設置不同的搖臂舉升角φ1,研究采煤機搖臂系統的振動特性。

搖臂舉升角為42°時采煤機搖臂系統振動特性如圖3所示。由時域圖可以看出,搖臂擺角的振動幅值最大值約為0.05 rad,搖臂擺角角位移主要在零值上下波動。通過頻域圖可以看出,振動過程中,在頻率0.601 2 Hz處出現峰值50.35,在頻率2.505 Hz處出現峰值61.42。

▲圖3 搖臂舉升角為42°時采煤機搖臂系統振動特性

搖臂舉升角為0°時采煤機搖臂系統振動特性如圖4所示。由時域圖可以看出,搖臂擺角的振動幅值最大值約為0.02 rad,在搖臂舉升角減小后,搖臂擺角振動幅值明顯減小。通過頻域圖可以看出,振動過程中,在頻率0.601 1 Hz處出現峰值31.14,在頻率2.805 Hz處出現峰值89.09。

▲圖4 搖臂舉升角為0°時采煤機搖臂系統振動特性

搖臂舉升角為-21°時采煤機搖臂系統振動特性如圖5所示。 由時域圖可以看出,搖臂擺角的振動幅值最大值約為0.012 rad,搖臂擺角角位移主要在零值上下波動。通過頻域圖可以看出,振動過程中,在頻率0.600 9 Hz處出現峰值12.04,在頻率1.603 Hz處出現峰值39.49,峰值明顯減小。

▲圖5 搖臂舉升角為-21°時采煤機搖臂系統振動特性

通過上述分析可知,采煤機搖臂舉升角為42°時振動幅值最大,搖臂舉升角為-21°時振動幅值最小,擺角振動頻率主要集中在1～5 Hz低頻區域內,因此搖臂振動加速度對搖臂舉升角的變化不敏感。分析搖臂振動幅值變化原因,主要是搖臂舉升角增大時,沿采煤機牽引方向作用于滾筒上的外力增大,導致搖臂旋轉中心O點所受力矩增大,舉升液壓缸時剛度減小,最終引起搖臂振動幅值增大。

5 結束語

筆者建立采煤機切割部振動模型,應用MATLAB軟件對采煤機搖臂系統在不同搖臂舉升角時的振動特性進行了分析。分析結果表明,搖臂舉升角為42°時振動幅值最大,搖臂舉升角為-21°時振動幅值最小,隨著搖臂舉升角的逐漸增大,搖臂振動幅值也逐漸增大。搖臂舉升角逐漸增大時,沿采煤機牽引方向作用于滾筒s上的外力增大,導致搖臂旋轉中心O點所受力矩增大,舉升液壓缸時剛度減小,最終引起搖臂振動幅值增大。分析結果可以為采煤機搖臂系統的減振提供技術參考。