基于振动测试的掘进机关键结构动态特性研究

发布时间：2018-04-09 23:26

本文选题：振动测试　切入点：掘进机　出处：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：掘进机承担集截割、装载、运输、行走、喷雾、除尘等多种功能于一体的煤巷综掘面大型设备。其运行正常与否,直接关系到煤矿生产是否能顺利进行。由于工作环境恶劣,工况复杂多变,掘进机负载复杂,载荷剧烈波动,掘进机井下作业时,常可见其关键部件无预期的受损,使综掘工作面正常生产受到极大的影响,造成巨大的经济损失。根据现场经验总结,机械振动对于掘进机有很大的破坏性,机身剧烈的振动、冲击致使回转台、油缸等元件及结构件频繁损坏,降低了掘进效率,使掘进成本升高。因此,研究基于振动测试的掘进机关键部件的动态分析是很有必要的,对提高掘进机的截割效率、整机的稳定性和零部件的寿命都有重要意义。本文围绕掘进机关键部位,如截割臂和回转台,的工作动态特性展开研究,以结构受力分析、有限元模型仿真分析、实验模态分析以及井下振动测试数据分析处理为手段逐步展开讨论,探讨掘进机井下工作动态特性。其主要研究成果和结论如下:(1)完成了EBZ160掘进机截割臂和回转台三维实体建模并合理装配,添加由实测数据转化获得的动态载荷,实现了关键部位的受力分析和动态特性仿真分析。利用Pro/E建立了截割臂与回转台的三维实体模型,进而进行装配计算、干涉检验(包括静态干涉与运动干涉)。通过对截割臂伸缩部各组件分别进行有限元分析和模态计算,建立各组件的柔性体中性文件,在此基础上,完成截割臂的刚柔耦合振动模型的建立。对截割部振动模型的截割头添加载荷,完成振动仿真,该载荷变化是由课题组前期井下测取得的掘进机工作状态下液压回路压力变化曲线推算所得。仿真结果主要展示了截割臂的主要模态、各模态参与程度等,同时实现了振动响应功率谱分析和频率响应分析。对EBZ160型掘进机关键部件回转台进行了静态分析和模态分析,指出了回转台工作状态中应力最大部位并进行了强度验证。回转台模态分析给出其前六阶模态频率及其对应振型,完善了EBZ160型掘进机回转台的结构特性总结,为其可能的改进和优化提供方法和依据。(2)设计并完成了EBZ160型掘进机截割臂和回转台的实验模态测试和分析。设计并执行了目标型号掘进机的关键部位-截割臂和回转台的实验模态测试和分析。过程包括实验设备、测试方式的选取;测试系统的搭建和调试;测点的布置和激励点、激励方式的设定;实验激励、响应数据采集及实时验证等。以采集的激励、响应信号为基础,借助DASP软件,利用设置的测点坐标完成对象的结构建模,根据MIMO模态测试的要求,仔细向各测点导入对应的激励、响应信号并作相关性分析,采用不同的模态识别算法解算出了对象的前几阶模态参数及相应的振型,进一步完善了截割臂和回转台的动态特性分析。将实验模态分析结果与有限元模态分析结果进行了初步的对比,结果表明:对回转台而言,两种方式的识别结果虽有不同,但有几阶典型的振型模态吻合度较高。对截割臂而言,两种识别方式结果差别很大。分析其原因可能在于,首先fem对截割臂建模时所采用的约束方式与ema试验时采用的支撑方式不同;其次截割臂结构自身由多个组件构成,并不是单纯的刚体或柔性体,fem及ema对这一特殊性的处理其方法和原理都存在差异。针对类似于掘进机截割臂这类复杂结构,如何利用其ema结果对fem过程中物理参数进行修正还有很大的探寻空间和价值。(3)设计并完成了井下掘进机实际工况下振动数据的获取、处理和分析。综掘工作面环境恶劣,工况复杂多变,煤矿深井严格的电气防爆标准使得井上方便的振动拾取工作在井下难以执行。利用课题组自行研制的井下防爆大数据记录仪,吸取课题组前期现场数据采集和实验的经验,设计并完成了井下掘进机实际工况下振动数据的获取及初步处理。对振动数据进行了振动强度的统计分析,分为:同一测点不同工况、同一工况不同测点、同一测点不同测振方向三类情况。通过分析,可以更加直观的了解ebz160掘进机在实际工况下的振动状况,掌握ebz160掘进机截割煤巷时的振动强度。此外,选用合适的无量纲特征参数对振动信号进行统计。无量纲特征参量值是统计特征参量分析的一个重要指标,能反映波形变化的特性,尤其是在异常、故障出现初期。通过对峭度指标和波形因数的分析将为掘进机故障诊断提供一定的数据支持和辅助。(4)对获取的掘进机实际工况下振动数据进行了频域、时-频域分析。在掘进机振动强度分析之后,进一步对振动信号进行了频域分析,找出优势频率成分,并结合掘进机工作频率对优势频率成分进行了剖析。统计分析可知掘进机各关键部位振动的主要频谱结构包括:一级减速齿轮组转动啮合频率的基频,及其各级高次倍频(2~6倍频);二级减速齿轮组转动啮合频率的基频,及其部分高次倍频(2~5倍频)。同时,时-频域分析结果表明,排除掘进机的工作频率,截割臂与回转台在振动历程中还分别出现了其它不可忽视的瞬时频率。如截割臂的振动瞬时频率629.8hz,767.3hz;回转台的振动瞬时频率573hz~577hz,773.6hz。将这些瞬时频率值作为截割臂(回转台)所特有的响应频率,可开展诸如载荷冲击大小的计算和统计、结构的工作模态参数识别等相关研究。(5)利用获得的振动信号,尝试性的对截割臂实施了基于响应信号的模态分析。仅基于响应信号的模态分析是除了同时利用激励和响应信号的模态分析方法之外的、有效实施大型复杂结构模态识别与分析的工具。这种方式只需要响应信号,但需对获取的振动响应数据进行预处理,使之成为符合时域识别法所需要的信号形式。本文按照相应理论指导,对截割臂上某两处测点的实际振动响应数据实施了前处理,也即从振动响应信号中提取自由振动信号的数据;然后采用典型的环境振动时域识别方法STD法完成了截割臂的模态识别。这一过程说明了该方式用于截割臂模态分析的可行性。表明可进一步采用诸如时间序列识别方法(ARMA模型)、随机子空间法、以及非平稳信号处理方法如HHT、EMD及小波变换等技术组合的方法实现对本文所获取的井下振动数据的继续挖掘。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD421.5

【参考文献】