掘進(jìn)機電控箱振動響應(yīng)分析

田小強

(山西西山煤電集團公司屯蘭礦，山西 太原 030200)

0 引言

煤炭作為我國重要的能源資源對國民經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，采煤機械不斷向智能化、信息化發(fā)展[1-2]。因此，加強對煤炭開采中采掘機械的研制，提高設(shè)備的可靠性和工作效率具有重要意義[3]。掘進(jìn)機作為煤礦開采中關(guān)鍵設(shè)備，主要用于對巖石的切割，從而方便對煤層的開采。由于掘進(jìn)機工作環(huán)境惡劣，截割過程中會受到外界載荷的激勵，從而引起機身和切割部劇烈振動，導(dǎo)致機體零部件受損，降低掘進(jìn)機工作效率，因此有必要對掘進(jìn)機振動響應(yīng)情況進(jìn)行深入研究。

電控箱作為掘進(jìn)機上機載設(shè)備，內(nèi)部安裝有各種電器元件，通過電器控制實現(xiàn)掘進(jìn)機各部件的協(xié)調(diào)運動，并對機體各部件的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，因此掘進(jìn)機電控箱及內(nèi)部各電器元件的可靠性對機體的正常工作非常重要[4]。電控箱的振動會降低內(nèi)部電器元件的使用性能和壽命，從而影響掘進(jìn)機的控制精度，使得系統(tǒng)可靠性變差，出現(xiàn)故障的概率增大。如何能夠有效控制電控箱的振動就顯得尤為重要，本文將重點對電控箱振動響應(yīng)進(jìn)行研究，以期更好地保護(hù)電控箱內(nèi)電器元件，提高設(shè)備的可靠性。

1 掘進(jìn)機及電控箱簡介

掘進(jìn)機結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過截割頭的旋轉(zhuǎn)運動完成對工作面的切割，同時通過擺臂實現(xiàn)截割頭的上下運動，通過回轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)截割頭左右擺動，通過行走機構(gòu)實現(xiàn)截割頭的前后運動。其中電控箱安裝在機體尾部，通過四周減振器來減小機體振動向電控箱的傳遞。

圖1 掘進(jìn)機結(jié)構(gòu)示意圖

本文中研究的對象為某型號掘進(jìn)機電控箱，電控箱基本尺寸為長1832 mm、寬571 mm、高800 mm，質(zhì)量1050 kg。電控箱底部四個角位置均勻布置有減振墊，通過連接螺栓將電控箱、減振器固定在掘進(jìn)機上。減振器安裝在四個對稱角上，使得每個位置的減振器受力一致，并且電控箱中心與四個減振器中心重合，從而避免電控箱安裝不平衡所產(chǎn)生力對電控箱的作用，保證減振器的減振效果。

2 電控箱減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

圖2 電控箱減振系統(tǒng)力學(xué)模型

掘進(jìn)機電控箱的減振功能主要依靠后支撐與電控箱之間的減振器來實現(xiàn)，四個減振器對稱分布在四個直角處。實際工作中掘進(jìn)機受到復(fù)雜載荷激勵作用，通常將所受載荷分解到三個方向，同樣，將電控箱所受外部激勵也分解到三個維度空間進(jìn)行分析。根據(jù)實際檢測數(shù)據(jù)，電控箱在豎直方向受到的振動最大，因此本文將重點分析電控箱在豎直方向的振動響應(yīng)情況。電控箱、減振器、后支撐中的機架底板組成的電控箱減振系統(tǒng)力學(xué)模型如圖2所示。

力學(xué)模型建立的過程中，將系統(tǒng)中四處減振器都簡化為彈簧阻尼系統(tǒng)，相對于電控箱的質(zhì)量，由于減振器質(zhì)量較小，因此在分析過程中忽略減振器質(zhì)量對系統(tǒng)的影響。電控箱簡化為質(zhì)量均勻分布的殼體，忽略其變形情況，當(dāng)作剛體進(jìn)行考慮。根據(jù)單自由度系統(tǒng)受基礎(chǔ)激勵作用情況對上述力學(xué)模型進(jìn)行簡化。假設(shè)系統(tǒng)的靜平衡位置為系統(tǒng)運動起點，經(jīng)過一段時間在t時刻時電控箱在豎直方向的位移為x，機架底板的位移為y，兩者的相對位移為x-y。機架底板受到外界簡諧振動激勵，激勵頻率為w。通過對四個減振器的阻尼和剛度進(jìn)行并聯(lián)，將上述力學(xué)模型簡化為圖3所示的數(shù)學(xué)模型。

圖3 外激勵下電控箱振動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述力學(xué)模型，建立電控箱的運動微分方程，具體如下所示[5]：

(1)

=cωYcosωt+kYsinωt

=Asin(ωt-α)

(2)

其中：m為電控箱的質(zhì)量，kg；x為電控箱豎直方向的位移，m；y為機架底板的豎直位移量，m；c為各減振器的并聯(lián)阻尼；k為各減振器的并聯(lián)剛度，N/m。

計算上述方程(1)-(2)，可以得到電控箱的響應(yīng)為：

=Xsin(ωt-φ)

(3)

3 動態(tài)仿真模型的建立與分析

為了更加準(zhǔn)確的了解電控箱工作過程中的振動響應(yīng)情況，本文構(gòu)建了以電控箱、減振器和機架底板的隔振系統(tǒng)三維模型，建模過程中減振器與電控箱、機架底板之間通過螺栓連接在一起，具體如圖4所示。分析過程中分別選取電控箱8個頂點，分別研究各點X、Y、Z方向的位移、速度和加速度的幅頻曲線和相頻曲線。施加相角為0°，幅值為1000 N的激勵力，方向沿Z軸正方向，求解頻率為1～120 Hz，查看電控箱的響應(yīng)情況。

圖4 電控箱各端點諧響應(yīng)變形圖

圖5圖6所示為電控箱頂部1～4頂點各處三向加速度曲線，從圖可以看出，各點加速度響應(yīng)中Z方向最大，X方向最小，且Z方向角速度變化較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大波動；對比Y方向振動情況，發(fā)現(xiàn)在71 Hz頻率附近，離機架較遠(yuǎn)的端點3、4的響應(yīng)要比同頻率下離機架較近端點1、2的響應(yīng)值大，并且出現(xiàn)較大幅值震蕩，說明電控箱離機身較遠(yuǎn)處在水平方向出現(xiàn)了較大振動。另外， X向的響應(yīng)值在71 Hz左右達(dá)到了附近頻率段的峰值，說明此頻率段時電控箱與輸入載荷之間形成共振，在設(shè)計減振器時應(yīng)重點關(guān)注該頻段的減振效果。

圖5 端點1和2三向加速度曲線

圖6 端點3和4三向加速度曲線

圖7圖8所示為電控箱底部5～8頂點各處三相加速度曲線，從圖可以看出，各點加速度響應(yīng)中也表現(xiàn)出Z方向響應(yīng)最大，X方向響應(yīng)最小的特征，但是不同方向加速度峰值變化要明顯小于電控箱頂部對應(yīng)4點的峰值變化；Y方向，即電控箱水平方向，振動幅值及波動情況要明顯小于頂部幅值，這是由于電控箱底部有螺栓進(jìn)行緊固的原因。在頻率為71 Hz時各方向的響應(yīng)值達(dá)到了附近頻率段的峰值，充分證實了此頻率段產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。

圖7 端點5和6三向加速度曲線

圖8 端點7和8三向加速度曲線

綜合分析可知，在不同頻率載荷作用下，電控箱各頂點處的響應(yīng)均表現(xiàn)出Z方向最大，X向最小，說明電控箱在豎直方向的振動最嚴(yán)重，振動激勵也最敏感。另外可以明顯發(fā)現(xiàn)離機架較遠(yuǎn)的端點3、4、7、8的響應(yīng)要比同頻率下離機架較近端點1、2、5、6的響應(yīng)值大。系統(tǒng)在71 Hz頻率左右時電控箱振動達(dá)到一個峰值點，進(jìn)一步分析可知該頻率時電控箱與輸入載荷間達(dá)到共振，因此在設(shè)計過程中應(yīng)該重點考慮該頻率段對振動的影響。針對上述電控箱振動特點，對電控箱內(nèi)部零件進(jìn)行合理布置，避開振動敏感區(qū)域，從而達(dá)到更好的綜合減振效果。

4 結(jié)語

本文在綜合考慮電控箱、減振器以及支撐底板等因素的基礎(chǔ)上，通過建立電控箱減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了掘進(jìn)機水平工作狀態(tài)下電控箱的振動響應(yīng)情況。結(jié)果表明，不同頻率的激振載荷作用下，電控箱選取的各個端點的加速度響應(yīng)中均表現(xiàn)出Z向最大，X向最小，充分說明電控箱在豎直方向的振動最嚴(yán)重，振動激勵也最敏感。另外可以明顯發(fā)現(xiàn)離機架較遠(yuǎn)端點的響應(yīng)要比同頻率下離機架較近端點的響應(yīng)值大，且系統(tǒng)在71 Hz頻率時電控箱與輸入載荷之間達(dá)到共振。研究結(jié)果為電控箱的設(shè)計及減振提供理論指導(dǎo)。