礦用EBG200B 型掘進機截割部結構模態振型分析

王東東， 許向前

（晉能控股煤業集團成莊礦， 山西 晉城 048000）

引言

煤炭資源存儲的地質條件非常的惡劣，對開采設備關鍵部件的工作性能要求非常高，要求開采設備具有一定的使用壽命能夠保證煤炭開采作業的連續進行[1-3]。掘進機是開辟煤炭開采巷道的重要專業設備，在對開采工作面進行掘進的時候會遇到許多不可預見的地質障礙物，主要為堅硬的巖石體。掘進機在開辟工作面通道的時候，不可避免地會與堅硬物質發生切削作用，從而造成掘進機整體結構的振動。掘進機在開辟通道的時候會根據掘進工作進程的不同而調整不同的姿態以完成掘進作業，因此，掘進機截割部結構一直會不斷地調整位置和姿態，從而帶動截齒在四周不同的方位進行連續的調整，截割部結構的受力狀態就會隨著不同的姿態而發生改變，對于整體結構的動態特性影響也非常的大，將直接決定截割部開采煤炭的能力和效率。

1 EBG200B 型掘進機結構及功能特性

1.1 EBG200B 型掘進機結構

EBG200B 型掘進機是目前大型現代化煤礦企業常用的掘進設備，可以很好地適應現代煤礦開采發展的工作性能要求。該類型掘進機與其他類型常見的掘進機組成部件大致相同，主要分為裝載部、截割部、本體部、后穩定裝置、運輸部、行走部等六大關鍵部件[4]，為了帶動六個關鍵部件的運轉，主要通過掘進機的四大系統進行驅動，分別為液壓系統、噴水降塵系統、潤滑系統、電氣系統[5]。其中最關鍵的部件為截割部結構，該結構是直接與地層物質進行接觸并進行破碎作業的關鍵部件，由驅動箱帶動轉動軸進行高速旋轉，通過變速箱進行變速，使截割部結構能夠在一定角速度下進行旋轉，通過截齒與煤炭或巖石進行切割，開辟出新的開采通道。為提高切削力度，截割部結構的切割頭為圓錐形結構，EBG200B型掘進機的切割頭直徑為1 300 mm，通常采用88 個截齒，每一個截齒按照一定的角度進行集中布置，具有耐沖擊、耐腐蝕、使用壽命較強的特點[6]，如圖1 所示。

圖1 EBG200B 型掘進機結構示意圖

1.2 功能特性

EBG200B 型掘進機的截割部部分與其他掘進機有一定的區別，其滾筒部件與懸臂部件是呈垂直的關系，該類型掘進機的最大工作高度為5.8 m，最大的切割寬度為9.8 m，可切削的巖層硬度較大，最大硬度可達到12 級。為了提高工作效率，將該類型掘進機設計為裝煤和運煤相分離的工作系統，減小了掘進機在掘進工作面的時候發生安全生產事故的概率并且提高了裝卸煤炭的工作性能。EBG200B 型掘進機尤其適合于當代煤礦生產大斷面巷道開采，工作穩定性較好且使用壽命較長。

2 三維實體建模

2.1 截割部三維建模

由于本次研究的主要對象為掘進機的截割部結構，按照實際尺寸1∶1 的比例對截割部結構建立起三維模型，對于螺栓、螺母、連接板等零碎性部件進行簡化，可以提高劃分有限元仿真網格的質量以及求解速度。將截割頭結構與伸縮臂進行分別建模，并將兩者進行裝配組合在一起形成截割部結構，如下頁圖2 所示。

圖2 EBG200B 型掘進機截割部

2.2 掘進機三維建模

由于掘進機除了截割部結構以外，還包括其他關鍵部件，分別為裝載部、本體部、后穩定裝置、運輸部、行走部等五大關鍵部件。上述幾個部件也是組成掘進機開采工作的重要部件，為了提高整體結構的仿真準確性，應精準地建立起其他部件的三維模型。由于上述部件與截割部結構是直接相聯系，應按照對截割部結構的三維模型建模標準進行同樣的模型建立準則，并將主要的6 個部件裝備在一起，作為后期仿真分析，劃分網格單元的模型本體，以此通過各個部件之間的相互配合建立起EBG200B 型掘進機三維結構模型，如圖3 所示。

圖3 EBG200B 型掘進機三維結構模型

3 仿真結果分析

3.1 運動關系定義

按照實際工況運轉條件，對決定及各個部件之間的相互運動關系進行準確的設定，將主要的重心位置設置于掘進機轉臺的中央部位，利用Adams 動力學分析軟件對每個運動主體的慣性屬性進行設定。通過設定運動副相等條件將掘進機在360°轉動方向運動的轉臺運動形態進行參數規定，并設定每個部件的質量屬性，通過對邊界條件的約束，設定掘進機各個支撐零部件的仿真運動模型結構。

3.2 網格劃分

基于三維模型結構對掘進機截割部結構進行網格劃分，采用SOLID60 結構體單元，應用4 個截面6節點的高精度網格單元對于畸形網格進行整體合并，要求網格四面體夾角必須大于45°。通過對掘進機整體網格的劃分，網格數目為1 216 631，節點數目為3 887 296，EBG200B 型掘進機網格單元結構示意圖如圖4 所示。

圖4 EBG200B 型掘進機網格單元結構示意圖

3.3 模態分析求解

對EBG200B 型掘進機截割部結構前6 階模態進行分析，求解出每一階模態的固有頻率大小以及最大振幅發生的結構部位，以此可以判斷出截割部結構最危險的振型特性。通過分析求解得出，EBG200B 型掘進機截割部結構最大振幅為第6 階模態形態，如圖5 所示。

圖5 截割部6 階模態振型示意圖

由圖5 分析求解結果可知，第一階模態的頻率為26.12 Hz，相對于截割部法蘭固聯約束，這一振型中最大振幅0.02 mm 位于截割電機外殼端一側；第二階模態的頻率為27.27 Hz，相對于截割部法蘭固聯約束，這一振型中最大振幅0.013 mm 位于截割電機外殼端上部；第三階模態的頻率為81.29 Hz，相對于截割部法蘭固聯約束，這一振型中最大振幅0.003 mm 位于截割頭一端截齒處；第八階模態的頻率為85.03 Hz，相對于截割部法蘭固聯約束，這一振型中最大振幅0.008 mm 位于截割臂外筒前端處；第四階模態的頻率為87.71 Hz，相對于截割部法蘭固聯約束，這一振型中最大振幅0.006 mm 位于截割臂外筒前端下部；第六階模態的頻率為88.29 Hz，相對于截割部法蘭固聯約束，這一振型中最大振幅0.016 mm位于截割臂伸縮內筒前端蝶形板處。

4 結論

通過仿真結果可以得知，要求EBG200B 型掘進機截割部機構在工作過程中應避開26.12 Hz、27.27 Hz、81.29 Hz、85.03 Hz、87.71 Hz、88.29 Hz 振動頻率的載荷力作用。因此應加強對截割部結構中部的結構材料優化以及設置加強筋板。