掘进机阻尼减振座椅特性研究

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悬臂式掘进机具有掘进成洞速度快、作业效率高、操作灵活、进尺成本低、劳动强度低等优点,被广泛应用于隧道、煤矿等领域。为了提高采掘效率,掘进机朝着大型化和智能化的方向发展。伴随着掘进机功率的增加,掘进机的振动也愈加剧烈,且掘进机作业工况(空载和截割)恶劣,导致座椅(常采用刚性座椅)、机体振动剧烈,致使驾驶舒适性差,容易疲劳,增加事故发生率。为解决这一问题,本课题依托山西省晋城市科技计划项目“煤矿井下掘进机粘弹性阻尼缓冲装置研发”,针对掘进机座椅振动舒适性问题开展了以下研究:1、通过掘进机整机截割人工岩壁试验,对比座椅在不同工况下的振动情况。结果表明,座椅振动对驾驶员的舒适性影响较大。其中,钻进工况和竖扫工况的驾驶舒适性最差,达到了“不舒适”,降低了驾驶员的工作效率,影响驾驶员身心健康。2、以某纵轴式掘进机为研究对象,根据其结构特点、实际工作状态和载荷传递路径做出基本假设,构建了考虑截割效应的掘进机整机-座椅减振模型,并确定以国际标准ISO 2631作为驾驶舒适性评价指标。3、分别对掘进机空载、截割工况工作状态进行分析,确定掘进机在不同工况下的主要振源。根据路面不平度国家标准GB7031-86及截割头受力情况,利用MATLAB编制程序模拟,得到空载工况和截割工况下路面载荷及截割头载荷,并对载荷进行频谱分析,发现载荷振动能量主要集中在0~25Hz之间,属低频重载振型。4、在空载工况下,分析掘进机行驶速度和路面等级的变化对驾驶舒适性的影响。经分析发现,行驶速度越快,驾驶舒适性越差;路面等级越高,驾驶舒适性越好。若采用原刚性座椅,在F级路面高速行驶时,驾驶舒适性为“比较不适”;在G级路面中速行驶时,驾驶舒适性已达“不舒适”,在高速行驶时甚至达到“极不适”。5、基于人体敏感振动频率,确定了系统的刚度-阻尼取值范围。通过计算不同刚度-阻尼参数在各个工况下的驾驶舒适性,得出在截割工况下“无不适感觉”刚度-阻尼取值范围为:刚度系数k5大于7×105 N/m,且阻尼系数c5大于3.4×104N·s/m。设置了三组参数对比分析原刚性座椅和阻尼座椅的振动耗散能力,结果表明,在空载、横扫及钻进工况下,阻尼座椅相比原刚性座椅的加速度均方根分别减少了57.3%、74.5%和74.9%,机体向座椅的振动传递率分别降低了40.0%、19.3%和20.0%。频谱分析发现,截割力一阶频率与座椅响应峰值频率对应,是影响座椅舒适性的主要载荷成分。阻尼座椅相比原刚性座椅驾驶舒适性得到了改善。本文研究结果可为掘进机高性能阻尼缓冲座椅的研发提供理论依据和方法。
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