采煤機滑靴的振動特性分析

崔擁軍 楊新輝 成鳳鳳

山西晉煤集團金鼎煤機礦業有限責任公司 山西晉城 048006

采煤機滑靴的振動特性分析

崔擁軍 楊新輝 成鳳鳳

山西晉煤集團金鼎煤機礦業有限責任公司 山西晉城 048006

采煤機滑靴工作中承受著強烈波動的動載荷，并發生劇烈的振動，這將影響采煤機的正常工作，甚至導致滑靴和其他零件的損壞。本文以采煤機滑靴為研究對象，對其進行振動模態分析，獲得其固有頻率和模態振型。經過分析表明，該滑靴在生產過程中，不會與工頻及采煤機其他零部件的頻率發生共振，為滑靴的故障診斷及動態特性研究提供理論依據。

滑靴；模態分析；固有頻率；模態振型

靴作為采煤機重要的組成部分，滑靴對高強度運作的采煤機起著導向和支撐的作用。但由于加工工藝、制造材料及工作面煤層等條件影響，采煤機滑靴在工作過程中承受著強烈波動的動載荷，若激振力中某個主要零件的頻率成分與滑靴的頻率接近，滑靴將會發生劇烈的振動響應，給采煤機正常工作造成影響，嚴重時甚至導致滑靴和其他零件損壞，對滑靴的振動問題就更加突出，所以對其動力學特性的研究十分必要。本文利用有限元分析法對采煤機滑靴進行模態分析[1]，得到其每階的固有頻率及振型，這為整機的結構優化和振動特性分析提供重要依據。

1.模態分析理論

模態分析是將系統振動微分方程中物理坐標轉換為模態坐標，將方程解耦后，變成一組模態參數和模態坐標的獨立方程，以便求系統的模態參數[2],坐標變換的變換矩陣為模態矩陣，其每列即為模態振型。

由力的平衡原理得到滑靴的振動微分方程：

{F(t)}、[K]、[C][M]分別為滑靴的外力列陣、剛度矩陣、阻尼矩陣和質量矩陣；分別為滑靴的加速度、速度及位移，通過求導或積分可獲得它們之間的關系。

方程(1)的解是由自由振動齊次方程的解和非齊次方程的特解之和組成的，但求系統的固有頻率和相對應的主振型是在無阻尼振動情況下的。因此，系統的無阻尼自由振動方程可寫成：

設：

式中{φ}為模態振型向量，ω為系統的固有頻率。將式(3)代入式(2)，可求出系統的特征值方程：

使方程(4)有非零解的條件為：

求解式(5)將獲得一系列離散的特征值λi，都有對應的特征向量{φi}滿足方程(4)，其中，i=1,2,3,...,N,N為系統的自由度。λi和{φi}就表示為滑靴第i階固有頻率和振型[3]。

2.采煤機滑靴的模態分析

2.1 滑靴的模型建立

2.2 滑靴的有限元模型離散化

通過有限元分析方法將滑靴的模型離散化并進行網格劃分[4]。滑靴共劃分21370單元，32953個節點。

2.3 滑靴的固有頻率及模態振型

(1)固有頻率

表1 滑靴的固有頻率Table 1 The natural frequencies ofthe silding boots

由于模態分析是在自由狀態下分析的，采用自由邊界條件，模型不添加任何的約束和力。通過方程式(5)可計算出λi，即滑靴的固有頻率，表1為采煤機滑靴提取的前四階固有頻率。

3.結論

(1)通過對采煤機滑靴的有限元模態分析，得到其前四階固有頻率，不會受到工頻及采煤機其他零部件的頻率的干擾；

(2)模態分析獲得的固有頻率和振型，為采煤機及其他零部件的結構優化提供依據，同時采煤機動態特性研究等問題奠定了理論基礎；

(3)模態分析為采煤機其他零部件的故障診斷提供依據。

[1]陳鋒,陳小安,孟杰.高速電主軸的工作模態試驗分析[J].現代制造工程，2008,(8):1-4.

[2]Yu Bai,Thomas Keller.Modal parameter identification for a GFRPpedestrian bridge[J]. Composite Structures,2008, 82(1): 90-100.

[3]曹樹謙.振動結構模態分析理論、實驗與應用[M].天津:天津大學出版社,2001.

[4]王明強,朱永梅,劉文欣.有限元網格劃分方法應用研究[J].機械設計與制造,2004,1(1):22-24.