基于振动频谱分析的露天煤矿挖掘机关键部件养护策略研究

1 露天煤矿挖掘机关键部件振动故障机理

1.1 机械部件磨损故障

动臂、斗杆和铲斗的铰接部位长期承受交变载荷，容易出现销轴和轴套的磨损。当磨损达到一定程度时，铰接间隙增大，在设备运行过程中会产生额外的冲击振动，振动频谱中会出现与磨损部件结构和运动特性相关的高频振动分量。例如，销轴磨损导致的振动信号在频谱上表现为特定频率的峰值升高，且随着磨损加剧，峰值幅度逐渐增大。

回转机构的齿轮和轴承磨损也是常见故障。齿轮磨损会破坏齿轮正常的啮合状态，产生异常的振动和噪声，在振动频谱中表现为啮合频率及其谐波成分的幅值增加，同时可能出现以齿轮旋转频率为调制频率的边频带。轴承磨损会使轴承内部的滚动体与滚道之间的接触状态发生改变，产生冲击振动，振动频谱中会出现与轴承故障特征频率相关的峰值。

1.2 结构件疲劳故障

挖掘机的动臂、斗杆等结构件在长期反复载荷作用下，容易产生疲劳裂纹。疲劳裂纹的出现会改变结构件的刚度和固有频率，导致振动特性发生变化。在裂纹萌生阶段，振动频谱的变化可能不明显，但随着裂纹扩展，振动幅值会逐渐增大，频谱中可能出现新的频率成分，这些频率成分与裂纹的长度、位置以及结构件的动态特性相关。

1.3 液压系统故障

液压泵磨损或故障会导致流量和压力脉动增大，引起液压系统振动加剧。在振动频谱中，会出现与液压泵旋转频率及其倍数相关的振动频率成分，且这些成分的幅值会随故障程度加重而增加。液压缸内部泄漏、液压阀卡滞等故障也会影响液压系统的压力稳定性，产生异常振动，振动频谱中会出现相应的特征频率。

2 振动频谱分析在露天煤矿挖掘机关键部件故障诊断中的应用

2.1 振动信号采集与处理

在露天煤矿现场，利用加速度传感器、位移传感器等振动测量仪器，在挖掘机关键部件的合适位置布置测点，采集振动信号。为了获取准确有效的振动信号，需要合理选择传感器的安装位置和方向，确保传感器能够敏感地捕捉到部件的振动信息。例如，在动臂的铰接部位、回转机构的轴承座、液压泵的壳体等位置安装传感器。

采集到的原始振动信号往往包含噪声和干扰，需要进行信号预处理。采用滤波、降噪等信号处理技术，去除信号中的高频噪声和低频漂移，提取有用的振动特征信号。常用的滤波方法包括低通滤波、高通滤波、带通滤波等，根据具体的故障诊断需求选择合适的滤波方式[1]。

2.2 故障诊断案例分析

某露天煤矿一台挖掘机在作业过程中，操作人员发现回转机构出现异常振动和噪声。利用振动频谱分析技术对回转机构进行检测，采集振动信号并进行频谱分析。结果显示，在振动频谱中，齿轮啮合频率及其谐波成分的幅值显著增大，同时出现了以齿轮旋转频率为调制频率的边频带。根据振动频谱特征，结合回转机构的结构和工作原理，判断回转机构的齿轮存在磨损故障。

进一步拆解检查发现，齿轮齿面出现严重磨损，部分齿面甚至出现剥落现象。及时对磨损齿轮进行更换后，回转机构的振动和噪声明显降低，振动频谱恢复正常，验证了振动频谱分析在故障诊断中的准确性和有效性。

又如，另一台挖掘机液压系统出现振动异常，通过振动频谱分析，发现液压泵的振动频谱中出现了异常的高频振动成分，且与液压泵的旋转频率相关。经检查，确定是液压泵内部的配流盘磨损导致流量脉动增大，引起液压系统振动。更换配流盘后，液压系统振动恢复正常。

3 基于振动频谱分析的露天煤矿挖掘机关键部件养护策略

3.1 构建振动监测系统

建立一套完整的露天煤矿挖掘机关键部件振动监测系统，包括硬件设备和软件平台。硬件设备主要由振动传感器、数据采集器、信号传输线缆等组成。根据挖掘机关键部件的结构和工作特点，合理布置振动传感器，确保能够全面监测部件的振动状态。例如，在动臂、斗杆的多个铰接点、回转机构的主轴承和齿轮箱、液压泵和液压缸等部位安装振动传感器。

数据采集器负责对传感器采集到的振动信号进行实时采集和数字化处理，并通过有线或无线方式将数据传输到监控中心的服务器。软件平台具备数据存储、分析、显示和报警等功能，能够对采集到的振动数据进行实时分析，绘制振动频谱图，显示关键部件的振动状态参数，并根据预设的报警阈值及时发出故障预警[2]。

3.2 振动数据处理与分析

运用先进的信号处理和分析算法，对采集到的振动数据进行深入分析。除了常规的时域分析和频域分析外，还可以采用时频分析方法，如短时傅里叶变换、小波变换等，获取振动信号在时间和频率域的联合分布特征，更准确地识别故障特征信息。

建立振动数据特征库，收集不同工况下、不同健康状态的挖掘机关键部件振动数据，提取特征参数，如振动幅值、频率成分、能量分布等。通过对比实际振动数据与特征库中的数据，判断关键部件的运行状态和故障趋势。同时，利用机器学习和深度学习算法，对大量的振动数据进行训练，构建故障诊断模型，实现对关键部件故障的智能诊断和预测。

3.3 制定科学养护计划

根据振动频谱分析结果和故障诊断结论，结合挖掘机的运行工况和使用年限，制定科学合理的养护计划。对于处于正常运行状态但存在潜在故障隐患的部件，适当缩短养护周期，加强监测频率，及时采取预防性维护措施，如润滑、紧固等。

对于已经出现故障的部件，根据故障类型和严重程度，确定维修或更换方案。在维修过程中，记录维修信息，包括维修时间、维修内容、更换的零部件等，为后续的养护决策提供参考。同时，建立养护效果评估机制，定期对养护后的关键部件进行振动检测和性能评估，检验养护措施的有效性，不断优化养护计划。

3.4 人员培训与管理

加强对露天煤矿设备管理人员和维护人员的培训，使其掌握振动频谱分析技术的基本原理、操作方法和故障诊断技巧。培训内容包括振动信号采集与处理、频谱分析软件的使用、常见故障的振动特征识别等。通过培训，提高人员的技术水平和故障诊断能力，确保能够正确运用振动频谱分析技术开展设备养护工作[3]。

建立完善的设备养护管理制度，明确各岗位的职责和工作流程，加强对养护工作的监督和考核。对设备运行状态监测、故障诊断、养护计划执行等环节进行严格管理，确保养护策略的有效实施。

4 结束语

基于振动频谱分析的露天煤矿挖掘机关键部件养护策略，能够有效利用振动信号中蕴含的设备运行状态信息，实现对关键部件故障的早期诊断和预测。通过构建振动监测系统、科学处理分析振动数据、制定合理养护计划以及加强人员培训与管理等措施，可以显著提升挖掘机关键部件的运行可靠性，减少突发故障停机时间，降低设备维护成本，提高露天煤矿的生产效率和经济效益。在实际应用中，应不断总结经验，结合新技术发展，进一步优化养护策略，为露天煤矿安全生产提供有力保障。

参考文献：

[1]王忠鑫,郭强,徐汉宝. 轮斗挖掘机高效开采适用性评价方法 [J]. 露天采矿技术, 2025, 40 (03): 1-7.

[2]李双,秦冬松,马彦林,等. 露天煤矿挖掘机模拟驾驶舱仿真系统研究[J]. 能源与环保, 2025, 47 (02): 230-234+240.

[3]谢国良. 露天煤矿挖掘机模拟驾驶仿真系统的研发与应用 [J]. 中国高新科技, 2024, (14): 45-47.