采煤机噪声与振动特性研究.pdf

第45卷 第3期 2019年3月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 3 Mar. 2019 文章编号671-251X201903-0023-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018090032 采煤机噪声与振动特性研究 田震1 ， 荆双喜S 赵丽娟3， 高珊1 1.周口师范学院机械与电气工程学院， 河南周口 466000 2.河南理工大学机械与动力工程学院， 河 南 焦 作 454000 3.辽宁工程技术大学机械工程学院， 辽 宁 阜 新 123000 摘要 为研究复杂煤层赋存条件下采煤机噪声与振动特性， 对采煤机振动与噪声源进行了分析， 发现采 煤机工作时的噪声是由不同性质的噪声形式相互耦合形成的， 截齿在截割过程中受到的非线性瞬时冲击载 荷造成的振动是采煤机产生噪声的主要根源， 改善采煤机工作过程中的设备振动可有效降低工作面的噪声 级。利用协同仿真技术建立了采煤机截割部的虚拟样机并对其进行了动力学仿真分析， 得到了关键零部件 的振动及其变形状况 壳体伸出端与调高耳部振动较为剧烈， 严重影响了传动系统和调高系统的稳定性； 行 星架存在着严重的扭曲变形及剧烈的振动， 降低了支撑轴承的寿命。为降低采煤机工作过程中的振动， 根据 仿真结果对壳体结构进行了局部优化设计，优化后的壳体振动明显减弱，力学性能得到了显著提高，可有效 改善采煤机的振动特性， 降低工作面的噪声级， 使采煤机有效平稳运行。 关键词 煤炭开采；工作面噪声；截割部； 采煤机振动特性；冲击载荷； 虚拟样机 中图分类号TD421. 6 文献标志码A 网络出版地址Fttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20190222. 2152. 003. html Research on noise and vibration characteristics of shearer TIAN Zhen1’2，JING Shuangxi2，ZHAO Lijuan3 , GAO Shan1 1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhoukou Normal University’ Zhoukou 466000, China; 2. School of Mechanical and Power Engineering’ Henan Polytechnic University’ Jiaozuo 454000 ’ China; 3. College of Mechanical Engineering’ Liaoning Technical University’ Fuxin 123000, China Abstract In order to study noise and vibration characteristics of shearer under complicated coal seam occurrence conditions’ vibration and noise sources of shearer were analyzed ’ and conclusions were found noise of shearer is ed by coupling of different s of noise, and the vibration caused by the nonlinear instantaneous impact load on the cutting tooth during cutting process is the main source of noise generated by shearer’ improving equipment vibration in working process of shearer can effectively reduce noise level of working face. The virtual prototype of shearer cutting unit was established by using co-simulation technology’ and the vibration and deation of key parts were obtained by dynamic simulation analysis the vibration of the protruding end and the heightening ear of the shell are more violent which seriously affects stability of the drive system and the height adjustment system； the serious distortion and violent vibration of the planetary frame reduce life of axial bearing. In order to reduce vibration of shearer in working process’ the shell structure was optimized according to the simulation results. The vibration of the optimized shell is obviously weakened and the mechanical properties are significantly improved. The 收稿日期 2018-09-11;修回日期 2018-12-29;责任编辑 张强。 基金项目 国家自然科学基金项目（ 51674134;河南省科技攻关项目（ 182102210606;周口师范学院高层次人才引进项目（ ZKNUC2017034。 作者筒介田震（9 8 7 - ， 男 ， 安徽界首人， 讲 师 ， 工学博士，博士后，主要研究方向为采煤机、掘进机和刨煤机等煤矿机械结构设计及优化、系 统动力学分析与控制、复杂机电系统的建模与仿真，E-mail lntutian2008126. com。 引用格式 田震， 荆 双 喜 ， 赵丽娟， 等 .采 煤 机 噪 声 与 振 动 特 性 研 究 工 矿 自 动 化 ， 2019,4533-28. TIAN ZhenJING ShuangxiZHAO Lijuanet al. Research on noise and vibration characteristics of shearer[J]. Industry and Mine Automation， 2019,453 3-28. 24 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 噪声的降低提供一定的参考。 1采煤机振动噪声源分析 采煤机工作过程中， 其截割煤岩时的噪声是由 不同性质的噪声形式相互耦合而成的， 采煤机噪声 决定于各组成声源的声级、 特性和它们之间的相互 作用[911]。采煤机振动和噪声源如图1 所示。 图1采煤机振动与噪声源 Fig. 1 Vibration and noise source of shearer 191 动 滚筒在截割半煤岩或硬岩时， 截齿和煤岩发生 复杂的力学耦合作用， 导致采煤机急剧振动;截齿和 煤壁、 煤块之间的摩擦及撞击使采煤机工作面产生 较高的噪声级。工作面的噪声是滚筒转速、 牵引速 度 、 煤岩的性质和滚筒截深等因素相互作用的结果， 采煤机工作面噪声与采煤机参数及相关参数之间的 数学模型-]为 60BHvqPn 1 A 0. 30. 35p P1 10lg 4 p Bc2/imax/0 々c 1 式中B为滚筒截深， m;H 为工作面采高， m;vq 为 采煤机牵引速度， m/min;P 为采煤机消耗的功率， k g 8 1 为采煤机电动机的转速， r/min; r 为测点到 采煤机的距离， m;A 为煤层非地压影响区的截割阻 抗 ， N/mm; p 为 截 齿 工 作 部 分 的 计 算 宽 度 ， cm noise of working face; cutting unit; vibration characteristic of shearer; impact load; virtual prototype 气体动力噪声 销齿传动冲击噪声 传动系统振动噪声一 截割煤岩振动噪声一 采煤机噪声 声 噪 擦 摩 筒 滚 煤 2 0 1 9 年 第 3 期田 震 等 采 煤 机 噪 声 与 振 动 特 性 研 究 25 5E4 -5E4 1.5E5 时间/s b 力矩 图3滚筒三向力和力矩曲线 Fig. 3 Curves of three direction force and moment of drum 3仿真分析 3. 1 采煤机截割部动态响应 采煤机工作过程中滚筒质心X 、 Y 、 Z 方向上的 程曲线如图所 示 ， 由模拟载荷曲线 可知％ 0〜 0.1 s 内所受载荷为0,此时 采煤机 启动阶段％ 部重力和内部零部件 互间激励作用下％ 心 在 3 向无明 〔 动 ， 较为平稳。在 0.1 s 时刻， 由于滚筒受到瞬时载 荷的 ， 产生剧烈的振动， 其 中 在 Y 方向（ 垂直方 向 ） 的振动最为剧烈、 X 方向 、 2 方向 最 小 。 随 F ig . 图 滚筒质心加速度曲线 Acceleration curve of centroid of drum 时间/s 三向力 图2采煤机截割部虚拟样机 Fig. 2 Virtual prototype of shearer cutting unit 系统产生振动， 从而引起齿轮系统的振动噪 声-2]。 的振动会引起轴的振动， 并通过轴承将 振动传递给摇臂壳体， 引起壳体的振动， 从而产生结 声 。 声的计算公式-314]为 20[1 - p 2 / v 槡 式中- p 2为 箱 1 m 远处的噪声强度， dB; “为 的螺旋角， （ ; 为 传 动 比 ； /v 为速度系 a 为法向重合度;W 为传递功率， k g 。 行走轮和输送机销齿啮合将圆周运动转化为直 线运动来推动采煤机前进， 继而实现截割的连续进 行 。而输送机实际工作中具有一定的水平和垂直弯 曲， 加之销排的浮动作用， 销 销 啮合的过程 中将产生较大的啮合冲击， 使牵引速度和牵引力的 变率变得很大， 不仅给采煤机的平稳性带来不利 影响， 容易造成 销齿损坏， 而且会产生 较大的周期性 声[15]。 1 .3 动 截割电动机和牵引电动机运行时， 转子不平衡 及轴承摩擦和装配误差都会引起电动机的机械振 动 ； 电动机空隙中的磁场脉动、 定转子之间的交变电 磁引力引起电动机结构振动并伴随着电磁噪声的出 现[16]。关键零部件之间的连接松动、 传动系统润滑 不良、 轴承的磨损及疲劳损坏都会引起载荷分布发 生变化， 加剧设备的振动， 产生强烈的噪声。 2虚拟样机模型建立 2.1 由于采煤机的结构组成关系复杂， 利用传统的 某一仿真分析工 分析其动态特性的置信度较 低 。为 估和分析设备的动态特性， 采用 PRO/E、 AN SYS和 ADAM S等软件构造出协同仿 真平台。在构造的协同仿真平台中 部系统 的实体模型， 对壳体、 行星架和行星轴等易损坏部件 建立有限元 ， 并进行柔性体替换， 根据采煤机的 实际运动情况添加边界约束条件， 完成采煤机截割 部虚 机的 [17]， 如 图 2 所示。 2.2 载荷的模拟及施加 通过采煤机载荷计算程序计算得到滚筒质心所 受到的三向力和力矩， 如 图 3 所示。图中和 I分别代表滚筒受到的X 、 Y 和 Z 向力，和 Mz 分 别 代 表 滚 筒 受 到 的 和 Z 向力矩。将生 成的载荷文本生成 曲线并添 心 处[18]， 完成载荷的施加。 C T IS 日日/制铟异 日.N寸0 1 /坡R厄 1 1 1 N “o l/ *R - I5 m 26 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 着截割的进行， 滚筒的振动逐渐趋于平稳， 并随着所 载荷的变 周期性波动。 壳 体 的 200倍变形等值图如图5 所 示 ， 由 图 5 可知， 采煤机 过程中壳体伸出端出 动变 比较严重， 不仅易发生结构损坏， 而且对其内部传 动系统， 尤其 传动装置的稳定性和可靠性也 生较大的影响。 图5壳 体200倍变形等值图 Fig. 5 Equivalence map of 200 times deation of shell 的激 过传动系统传递到下耳， 使 其 的 ， 体下耳所 的三向力 曲线如图6 所 示 ， 由 图 6 可知， 下 耳 在 X 方向受到 的 Dx 最大， Y 方向 的 Fy ， Z 方向 的 Fz 。 体下耳与调 缸连接， 壳体下耳受到X 方向的力对 缸 的影响较大， 其过大的波动 缸缸体压力发 生剧烈变化， 易造成液压 系统失效， 进而导 割部 停 其工作位置， 采煤机 进行正常 作业。 10.0「 ----px 12 5______I______|______|______|______|______| 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 时间/s 图6壳体下耳受力曲线 Fig. 6 Force curves of the lower ear of shell 壳体过于强烈的振动和形变将会导致行星减速 器中 的载荷分配不均、 降低其承载 ， 同 较大的噪声和振动。为了解决柔性体 接刚性 的接触问题， 根据实际约束关 系 ， ， 架 11个外连点（ 图 并 对 接 触 进行刚性 理 。 过仿真发现， 行星架出现明显的径向跳动， 在 与方头连接端振动更为剧烈。Node_11点的位移时 程曲线如图8 所示， 由图8 可知， 该点存在较大 的动态波动， 较大的振动 线花键在传动过程 中 承 较 大 的 动 易 发 生 损 坏 。 图7行星架外连点分布 Fig. 7 Outer points distribution of planet carrier 架 200倍变形等值图如图9 所示， 由图9 可看出， 行 架出现明显的扭转变形， 造成 的动态同轴 度过大， 严重影响动力的传递;行星架剧烈的振动还 支撑轴承出 向窜动、 保持架或外套断裂， 不 仅降 承的使用寿命， 而且 架失去了下 端支撑， 无法沿径向定位， 上 端 的 浮 动 油 封 合 断 裂并出现漏油现象。 图8 Node_11点位移变化曲线 Fig. 8 Displacement curve of node_11 图9行 星 架200倍变形等值图 Fig. 9 200 times deation of planet carrier 3.2 壳 体 局 部 结 构 改 进 仿真分析可知， 体伸出端存在较大的 振动变形， 实际工作中伸出端 易成为剪切 ， 工况恶劣 一定工作 内会造成壳体颈部的 严重扭曲甚至剪 裂。 体的铸造工艺， 在不 影响其内部 结构尺寸的基础上， 在壳体轴颈处添 一定拔 的加强筋， 如 图 10所示。 再次进 载 ， 求解 优 的滚筒质心加 速度曲线， 如 图 11所示， 其中， X 方向的 响应 有效值由 1 982. 79 mm/s2 减小到1 572. 65 mm/s2， Y方向由 9 122.83 mm/s2 减小到 7 263. 64 mm/s2， 2 0 1 9 年 第 3 期田 震 等 采 煤 机 噪 声 与 振 动 特 性 研 究 27 图1 0壳体结构改进 Fig. 10 Improvement of shell structure Z 方向由 2 101. 15 mm/s2 减小到 1 954. 34 mm/s2。 体结构的局部改进％ 动响应得到 明显的改善％ 体伸出端因弯曲刚 够而 折断的 性 ， 降 体变形对传动系统， 尤其是 器的影响， 同时对工作 声的降 L 有 重要的作用。 图1 1壳体结构改进后的滚筒质心加速度曲线 Fig. 11 Acceleration curve of centroid of drum with improved shell structure 4结论 1对采煤机振动与噪声源进行分析， 发现采 煤机工作时的噪声 同性质的噪声形式相互耦 合形成的％ 过程中 的非线性瞬时 载荷造成采煤机的振动 工作 生噪声的 主要根源。所以， 改善采煤机工作过程中的设 I 动可有效地降低工作面的噪声级。 “ 利 用 PRO/E、 AN SYS和 ADAM S等软件 建立的协同仿真平台对采煤机 部进行仿真分 析％ 体和 架的动态响应状态壳体伸出端 耳部振动较为剧烈， 严重影响了传动系统和 系统的稳定性； 行星架存 重的扭曲变形 及剧烈的振动， 降 支撑轴承的寿命。通过对壳 体结构进行局部优化％ 改善采煤机的振动特 性 ， 进而降低工作面的噪声级， 使采煤机能够 平 稳。 3将虚拟样机技术引入到采煤机多体系统的 噪声与振动特性研究中， 不仅为采煤机的分析、 设 计 、 测试、 评价提供了重要的 ， 同 为降 采工作面的噪声、 改善工人作业 提供了 一种新 的 。 参 考 文 献 （ References - 1 .赵丽娟， 田震， 刘 旭 南 ， 等.薄煤层采煤机滚筒载荷特 性 仿 真 分 析[ J ] .系 统 仿 真 学 报， 2015 , 27 12 3102-3108. 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