應用于刮板輸送機的電動機動態特性分析

武鵬飛

(山西焦煤西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

隨著高產高效礦井的建設，煤礦機械化、電氣化以及自動化水平不斷提高，對煤礦機電設備的要求也越來越高，要求其性能可靠穩定。煤礦井下目前主要的機電設備有刮板輸送機、皮帶機、轉載輸送機和采煤機，它們構成一個整體，實現對煤炭的開采和運輸。作為以上設備的運動核心，電動機是傳動裝置中必不可少的電器設備，應用于煤礦領域的電動機除要求具有其他電機的功能外還要求具有防爆功能，是一種可以應用于易燃易爆場所的電機[1]。

1 刮板輸送機

應用于西曲煤礦刮板輸送機的傳動裝置示意圖如圖1所示。刮板輸送機機頭架組件主要由機頭架與傳動裝置通過定位止口聯接，減速器的輸入端與聯接罩和防爆電機相連，聯接罩內有聯軸器或者液力偶合器等，可將電機的轉矩傳遞到減速器。通過圖1可以看出，電機和聯接罩一端是與減速器輸入端的法蘭聯接，另一端呈懸空布置[2-3]。

刮板輸送機啟動過程為：電機高速旋轉帶動偶合器轉動，通過減速器降低轉速增大扭矩將動力傳遞給鏈輪組件，從而驅動刮板的平移，實現物料的運輸。

在此過程中，電動機的高速旋轉會對自身與其他結構件產生激勵，又因為聯接罩與電機是懸空布置，特別是電動機本身位于懸空結構的最外端，所以假如電機設計不合理，在外界激勵的作用下產生共振，勢必會導致徑向跳動，造成聯接法蘭的受力不穩定，同時會對聯軸器或液力偶合器造成影響，所以很有必要對電動機進行動態特性分析。

2 實驗法和有限元法對比分析

目前，廣泛采用實驗法和有限元法對系統進行振動及動態特性分析。實驗法需要產品樣機和實驗設備，所以無法在設計初期進行預測，具有一定的局限性，且成本較高。而有限元法可以在設計前期對產品進行振動預測，為產品的后續改進和優化提供依據。

本文應用三維建模軟件SolidWorks和有限元分析軟件ANSYS Workbench對應用于某型號刮板輸送機的電動機進行動態特性分析，由于低階頻率對系統的影響較大，因此只對電動機的前5階頻率進行模態分析，然后，以模態分析得到的頻率為基礎，對電動機進行諧響應分析，得到其位移與頻率響應分布。特別是對電動機聯接法蘭的徑向跳動以及對聯軸器振動的影響進行預測，為后期的優化和結構改進提供理論基礎[4]。

3 模型與有限元分析

通過應用某型號刮板輸送機的防爆電機實際尺寸在三維建模軟件SolidWorks中進行三維實體建模，忽略其接線槽、螺栓等無關零件，主要對其軸、機殼和散熱蓋進行建模，建模結果如圖2所示。

圖1刮板輸送機傳動裝置聯接示意圖圖2防爆電機三維實體模型

通過三維建模軟件SolidWorks與有限元分析軟件ANSYS的中間接口把模型導入ANSYS軟件，在ANSYS中對其進行網格劃分，并施加約束與載荷。電機軸施加轉矩T(Nm)為：

(1)

其中：P為電機功率，kW；n為電機額定轉速，r/min。

設置求解模態階數為5進行求解。在模態分析后處理模塊中得出電機前5階固有頻率和振型，如表1所示，前5階固有頻率所對應的振型如圖3所示。

表1 電機前5階固有頻率和振型

圖3 防爆電機前5階振型云圖

4 諧響應分析

諧響應分析主要分析結構系統在承受簡諧力下的位移和應力隨頻率的變化關系。由于電機為三相交流電機，頻率為50 Hz，因此通過有限元模態分析方法獲得電機頻率為0 Hz～50 Hz下系統的位移響應[5]。

在所施加簡諧力的激勵下，通過諧響應分析得到電動機的位移響應與法蘭盤的徑向變形，分別如圖4、圖5所示。

圖4 電動機位移響應云圖

圖5 法蘭盤的徑向位移—頻率變化曲線

從圖4可以看到，當電動機處于共振頻率50 Hz時，整體會發生共振，振動最大幅值為0.27 mm，最大變形位于殼體頂部。從圖5中可以看出，電動機法蘭盤的徑向變形隨著頻率的增大而增大，當頻率為50 Hz時，最大變形為0.132 mm，所以在該頻率下電動機會出現輕微振動，但由于振動非常小，不影響正常使用。

5 結語

介紹了煤礦刮板輸送機中防爆電機的振動與諧響應分析的重要性，應用有限元模態分析法得到了防爆電機的前5階固有頻率和振型。由于電機的主軸激勵源于電動機主軸的旋轉，因此在此激勵下進行動態特性分析，結果表明，當電動機處于50 Hz頻率的激勵下，振動響應較小，電動機的動態特性及其徑向跳動不影響聯接法蘭的聯接及其穩定性。

參考文獻：

[1] 陳國聯,何秀偉.交流電機頻率特性及參數的測取[J].電工技術學報,1989(2):60-64.

[2] 顧德軍,欒華.2極中型異步電動機振動產生的原因及處理[J].防爆電機,2005,40(3):30-32.

[3] 連繼中.中型異步電動機振動原因簡析[J].防爆電機,2002(2):11-12.

[4] 楊俊華,吳捷,潘觀海.同步電機頻率特性與暫態時間常數關系的探討[J].陜西科技大學學報,2006,24(2):76-80.

[5] 聶志恒.基于預應力分析的振動弧形篩動態特性分析[J].礦山機械,2017(2):45-50.