掘進(jìn)機(jī)電控箱隔振器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析研究

段 霄

（霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為機(jī)電一體化設(shè)備，在煤炭巷道掘進(jìn)過(guò)程中具有重要的作用，但因地質(zhì)條件、煤炭硬度的差異，使掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中存在沖擊載荷，產(chǎn)生振動(dòng)[1-3]。電控箱作為掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載控制裝置，內(nèi)部設(shè)置較多的電氣控制元件，是掘進(jìn)機(jī)得以正常作業(yè)的基礎(chǔ)[4]。振動(dòng)的存在會(huì)降低電氣元件的控制精度和可靠性，導(dǎo)致控制系統(tǒng)故障甚至事故，需要投入大量人力物力進(jìn)行修復(fù)，降低了掘進(jìn)機(jī)的工作效率[5-6]，而電控箱隔振器具有減振效果，因此隔振器結(jié)構(gòu)及其性能的穩(wěn)定性對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

1 隔振器概述及存在問(wèn)題

某煤礦當(dāng)前服役的掘進(jìn)機(jī)電控箱隔振器材質(zhì)為橡膠，因其具有一定的阻尼，即使出現(xiàn)共振也具有很好的減振效果。橡膠隔振器通常由約束面和自由面組成，其中約束面使用過(guò)程中與金屬接觸，自由面是在約束面承受垂直載荷時(shí)的變形面。橡膠隔振器的減振效果取決于橡膠材質(zhì)的組分與比例、結(jié)構(gòu)形式等，使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)共振激增情況，彈性系數(shù)可以根據(jù)需要改變橡膠組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用范圍較為廣泛。但是，在電控箱故障修復(fù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隔振器內(nèi)部橡膠與金屬件的粘接存在不牢的情況，降低了承載能力，不能抵抗不斷增強(qiáng)的沖擊載荷，減振效果和安全性較差，有必要進(jìn)行隔振器的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 隔振器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)電控箱在用隔振器的安裝位置關(guān)系，借鑒其他技術(shù)較為先進(jìn)的隔振器結(jié)構(gòu)，在原有的隔振器基礎(chǔ)上完成了新型隔振器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖1所示，主要由金屬芯、承壓蓋、支撐座、彈性體、金屬夾層和安裝孔等組成。新型隔振器的安裝方式和結(jié)構(gòu)尺寸與原隔振器基本一致，重點(diǎn)改進(jìn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，中間金屬芯與金屬支撐座之間呈傾斜5°的錐形角，金屬芯與支撐座之間經(jīng)橡膠體連接，承壓蓋設(shè)置在支撐座外表面，一起將橡膠體包裝在其內(nèi)部，承壓蓋與金屬芯之間采用了螺紋連接形式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，外部支撐座的高度尺寸稍微低于橡膠彈性體，外部支撐座與承壓蓋之間采用的是摩擦連接，以此保證隔振器在豎直方向上具有適度的緩沖減振效果。為了延長(zhǎng)隔振器橡膠彈性體的使用壽命，保證隔振器具有足夠的抗壓強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，彈性體中鑲嵌了一個(gè)高度稍微低于彈性體的金屬夾層，金屬夾層的結(jié)構(gòu)不封閉，保證其較強(qiáng)的減振緩沖能力。該新型隔振器是在原來(lái)的隔振器基礎(chǔ)上改進(jìn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以此提高隔振器的緩沖和減振效果。

圖1 新型隔振器結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.2.1 固有頻率

隔振器的固有頻率對(duì)于其減振效果至關(guān)重要，盡可能降低隔振器自身的固有頻率才能獲得很好的減振效果。掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中的外載荷截割頻率基本處于3 Hz以下，電控箱自身中、低頻劇烈振動(dòng)的頻率區(qū)段分別為小于24 Hz、35～80 Hz、115 Hz，其后支撐的一階固有頻率為28 Hz，電控箱的一階固有頻率為250 Hz。綜合以上頻率，隔振器設(shè)計(jì)過(guò)程充分考慮了低頻不加劇電控箱振動(dòng)，中高頻能夠有效抑制振動(dòng)，同時(shí)能夠避開(kāi)電控箱和后支撐本身的固有頻率，最終確定電控箱隔振器的固有頻率區(qū)間為8～10 Hz。由于新設(shè)計(jì)的隔振器主要由金屬和橡膠組成，其彈性模量差異極大，其中橡膠的阻尼和泊松比較大，彈性模量較低，并且呈非線(xiàn)性關(guān)系，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中僅給出了電控箱隔振器的固有頻率區(qū)間，以供后續(xù)分析參考。

2.2.2 隔振器材料

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)實(shí)際使用環(huán)境及抗震要求，設(shè)計(jì)時(shí)隔振器中的彈性橡膠材料選擇的是丁腈橡膠NBR。丁腈橡膠NBR作為常用橡膠材料的一種，具有較好的耐油和耐熱性能，具有較高的阻尼系數(shù)，能夠與金屬材料完美粘接，使用過(guò)程中具有強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)，在機(jī)械設(shè)備的隔振器當(dāng)中極為常見(jiàn)。

3 隔振器強(qiáng)度分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)電控箱的工作環(huán)境較為復(fù)雜，在隔振器設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅需要其具有很好的減振效果，還必須具有足夠的強(qiáng)度作為保障，方可滿(mǎn)足電控箱隔振器可靠工作的要求。將建立完成的新隔振器和原隔振器的三維模型另存為.IGS文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench仿真分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析，前處理過(guò)程中橡膠材料調(diào)用軟件材料庫(kù)自帶的mooney-rivlin材料，其中減振器材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。按照表1所給性能參數(shù)數(shù)據(jù)，完成隔振器材料屬性的設(shè)置。運(yùn)用自由化分網(wǎng)格的方式完成相關(guān)組成部件的網(wǎng)格劃分工作，網(wǎng)格劃分完成之后對(duì)隔振器有限元仿真模型進(jìn)行約束和載荷的施加，對(duì)隔振器的4個(gè)安裝固定孔進(jìn)行固定約束的施加，對(duì)金屬芯與電控箱的連接表面施加三個(gè)方向的載荷，其中Z軸方向施加約2 500 N的載荷、X軸方向施加約100 N的載荷、Y軸方向施加約100 N的載荷。最后啟動(dòng)仿真計(jì)算器，打開(kāi)大變形仿真分析開(kāi)關(guān)，以便保證隔振器強(qiáng)度仿真分析計(jì)算過(guò)程的順利進(jìn)行。

3.2 仿真結(jié)果分析

原隔振器仿真分析結(jié)果如圖2所示，其中包括金屬支撐應(yīng)力分布云圖和彈性體應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。由圖2可以看出：金屬支撐座的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在四個(gè)安裝固定孔靠近隔振器彈性體一側(cè)的邊緣，數(shù)值為13.81 MPa；彈性體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈性體內(nèi)圈表面，數(shù)值為1.109 MPa；彈性體的最大變形值出現(xiàn)在彈性體內(nèi)圈表面，數(shù)值為1.444 mm。

表1 隔振器材料性能參數(shù)

圖2 原隔振器仿真計(jì)算結(jié)果

新隔振器仿真分析結(jié)果如圖3所示，其中包括金屬支撐應(yīng)力分布云圖、金屬夾層應(yīng)力分布云圖和彈性體應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。由圖3可以看出，金屬支撐座的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在四個(gè)安裝固定孔靠近隔振器彈性體一側(cè)的邊緣，數(shù)值為33.876 MPa；金屬夾層的最大應(yīng)力出現(xiàn)最大半徑位置的端部，數(shù)值為55.042 MPa；彈性體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈性體上表面，數(shù)值為0.890 MPa；彈性體的最大變形值出現(xiàn)在彈性體上表面，數(shù)值為0.993 mm。

由彈性體和金屬材料的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以得出新隔振器能夠滿(mǎn)足掘進(jìn)機(jī)電控箱使用過(guò)程中的強(qiáng)度要求。新隔振器的彈性體內(nèi)表面在與金屬接觸時(shí)的應(yīng)力值明顯降低；金屬支撐座在滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求的前提下，其性能得到了充分的發(fā)揮；金屬夾層的應(yīng)力集中較小，能夠滿(mǎn)足新隔振器的使用要求。

4 減振效果分析

圖3 新隔振器仿真計(jì)算結(jié)果

圖4 優(yōu)化前后隔振器的電控箱振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比圖

完成新隔振器加工制造之后，為了驗(yàn)證新隔振器的減振效果，將其應(yīng)用于某煤礦企業(yè)正在服役的掘進(jìn)機(jī)電控箱位置，完成了掘進(jìn)機(jī)電控箱分別在原隔振器和新隔振器工作情況下振動(dòng)加速度的測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，原隔振器工作時(shí)，電控箱振動(dòng)加速度較大，減振效果較差；而新隔振器的振動(dòng)加速度較小，減振效果明顯，低頻段未加劇電控箱的振動(dòng)，在50 Hz之后的頻段減振效果突出。由此可見(jiàn)，新隔振器的減振效果明顯優(yōu)于原隔振器，取得了很好的應(yīng)用效果。