EBZ260H掘進機電控箱減震效果對比仿真分析

孫雁波，趙月林

(山西煤礦機械制造股份有限公司，山西 太原 030030)

EBZ260H掘進機電控箱減震效果對比仿真分析

孫雁波，趙月林

(山西煤礦機械制造股份有限公司，山西 太原 030030)

云南滇東能源礦使用的EBZ260H掘進機電控箱減震墊在截割工作過程中經常損壞。針對這一現象，對減震墊的數目和布置方式進行了改進，將減震墊數目由原來的4個增加到6個，布置方式更加均勻化，并利用Workbench對兩種減震方案進行諧響應分析，比較兩種方案的共振振幅可知，6個減震墊的減震方案可以明顯減小掘進機在工作中對電控箱及減震墊的震動損害。

掘進機；電控箱；減震墊；共振振幅；仿真分析

掘進機電控箱在截割工作過程中會受到劇烈的振動和沖擊，過于強烈的振動會造成箱內電氣元件出現失靈、脫落、焊接點疲勞破壞等現象，進而影響掘進機的正常工作。

云南滇東能源礦使用的EBZ260H掘進機，其電控箱減震墊經常損壞。針對這一現象，設計人員對減震墊的數目和布置方式進行了改進，具體措施為將減震墊數目由原來的4個增加到6個，布置方式相對于以往也更加均勻化。利用ANSYS Workbench對兩種減震方案進行諧響應分析，比較電控箱豎直方向第一階的共振振幅，進而判斷哪種方案更加合理。

兩種減震方案的電控箱模型圖分別見圖1，圖2.

圖1 減震墊數目為4的電控箱模型圖

圖2 減震墊數目為6的電控箱模型圖

1 ANSYS Workbench軟件

1.1 軟件概述

ANSYS仿真協同環境的目標是：通過對產品研發流程中仿真環境的開發與實施，搭建一個具有自主知識產權的、集成多學科異構CAE技術的仿真系統。以產品數據管理PDM為核心，組建一個基于網絡的產品研制虛擬仿真團隊，基于產品數字虛擬樣機，實現產品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作有關的人、技術、數據在這個統一環境中協同工作，各類數據之間的交流、通訊和共享皆可在這個環境中完成。

開發這個協同仿真環境的平臺便是ANSYS Workbench.

1.2 與傳統對比

基于Workbench的仿真環境有3點與傳統仿真環境有所不同：

1) 客戶化。Workbench像PDM那樣，利用與仿真相關的API，根據用戶的產品研發流程特點開發實施成仿真環境，而且用戶自主開發的API與ANSYS已有的API平等。這一特點也稱為“實施性”。

2) 集成性。Workbench把求解器看作一個組件，不論由哪個CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中經過簡單開發都可直接調用。

3) 參數化。Workbench與CAD系統的關系不同尋常。它不僅直接使用異構CAD系統的模型，而且建立與CAD系統靈活的雙向參數互動關系。

結合世界制造業信息化主旋律，在數字化工程背景下審視這3個特點時，會發現Workbench將給產品研發流程帶來革命性的變化。

2 分析過程

2.1 有限元模型的建立

該分析屬于單自由度系統的受迫振動，激振力由后支承傳遞到電控箱。由于是對比分析，所以只要保證在分析過程中，兩種方案所使用電控箱模型的質量一致即可。具體的簡化步驟如下：

1) 簡化掉電控箱內部的電氣元件及連接板。

2) 簡化掉螺栓墊圈等連接零件和電纜進出口連接裝置。

3) 簡化掉減震墊，在分析中使用彈簧來模擬其減震效果。

電控箱簡化后的模型見圖3.

圖3 電控箱簡化后模型圖

將簡化后的三維模型導入Workbench的DS中。諧響應分析對模型網格的質量要求并不高，這里設置單元尺寸的大小為25 mm. 劃分網格后的有限元模型節點數為153 463，單元數為49 851.

劃分網格后的電控箱模型見圖4.

圖4 電控箱劃分網格后的有限元模型圖

2.2 載荷和約束的施加

通過模態分析，得出兩種減震方案豎直方向的第一階固有頻率分別為29.4 Hz和33.1 Hz. 設置諧響應分析的頻率為0～50 Hz，頻率間隔為5 Hz.

減震墊的具體參數為：重量m=3.1 kg，剛度k=10 000 kg/cm，固有頻率ωn=25 Hz，阻尼比ζ=0.12. 通過減震墊參數，計算分析用彈簧參數如下：

1) 剛度k=10 000 kg/cm=10 000 N/mm

2) 阻尼с=2mwnζ=2×3.1×25×0.12=18.6 N·s/m=0.018 6 N·s/mm

載荷和邊界條件的施加如下：

1) 在模型樹的Connections分支處插入彈簧約束，利用彈簧模擬電控箱與連接板之間的減震墊。設置彈簧的剛度為10 000 N/mm，阻尼為0.018 2 N·s/mm.

彈簧的參數設置見圖5.

圖5 彈簧參數設置圖

2) 采用對系統施加豎直方向加速度的方法，來施加激振力。豎直方向的最大振動加速度由試驗檢測所測得，大小為1 g，即9 800 mm/s2.

3) 約束后支承與電控箱連接板的底面。

完成載荷和約束施加的模型見圖6，圖7.

圖6 方案一施加載荷和約束后的模型圖

圖7 方案二施加載荷和約束后的模型圖

2.3 結果分析

兩種方案的頻率幅值響應曲線見圖8，圖9.

方案一：4個減震墊豎直方向的第一階固有頻率為29.4 Hz，由圖8可知，當激振力的頻率與其第一階固有頻率接近時，系統由于共振而使振幅增大，最大振幅為6.68 mm.

方案二：6個減震墊豎直方向的第一階固有頻率分別為33.1 Hz，由圖9可知，當激振力的頻率與其第一階固有頻率接近時，系統由于共振而使振幅增大，最大振幅為1.09 mm.

圖8 4個減震墊的頻率幅值響應曲線圖

圖9 6個減震墊的頻率幅值響應曲線圖

比較兩種方案的共振振幅可知，方案二6個減震墊的減震方案可以明顯減小掘進機在工作中對電控箱及減震墊的振動損害。

3 分析結論

從減小應力幅值的角度考慮，6個減震墊的減震方案中，每個減震墊的應力幅值比4個減震墊中的都相應的小一些，所以就減小減震墊的應力和延長減震墊的壽命這兩方面來說，方案二比方案一更好一些。但就箱體內部電氣元件的減震效果來說，方案二比方案一要差一些。希望相關設計人員綜合考慮減震墊的壽命和電氣元件的減震效果兩個方面，確定合理的減震方案。

[1] ANSYS13.0/LS-DYNA非線性有限元分析[M].北京：機械工程出版社，2011：17-18.

[2] 張 媛，徐月慧，周 東，等.帶式輸送機用輸送帶震動變形分析[J].煤礦機械，2015(12)：129-130.

[3] 苗繼軍.EBH160橫軸掘進機電機箱體有限元分析[J].煤礦機械，2015(4)：130-132.

[4] 張 楠，劉玉濤，溫建波.基于ANSYS Workbench的EBZ260掘進機回轉臺有限元分析[J].煤礦機械，2013(2)：95-97.

Comparison and Simulation Analysis on Shock Absorbing Effect for EBZ260H Tunneling Machine

SUN Yanbo, ZHAO Yuelin

The electronic control box shock-absorbing pad for EBZ260H heading machine used in a coal mine in Diandong energy Yunnan province is often damaged during operation. The number and location of cushioning pads have been adjusted for improvement purpose with the number increased from the original four to six, and a Workbench is also introduced to test the effect. Comparison of the resonance amplitude of the two schemes shows that the number of six scheme reduce the resonance amplitude obviously.

Tunneling machine; Electric control box; Shock absorber; Resonance amplitude; Simulation analysis

2017-04-18

孫雁波(1981—)，男，山西大同人，2007年畢業于云南農業大學， 工學碩士，助理工程師，主要從事煤礦機械的設計研究工作

(E-mail)sxmjyjs@126.com

TD421.5

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1672-0652(2017)06-0021-03