EBZ260W 掘進機電控箱減振的優化設計研究

葛玉生

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037017）

EBZ260W 懸臂式掘進機集破煤、裝煤、運煤于一體，在全巖巷道掘進作業時，因巖石硬度較高會導致設備發生劇烈的振動與沖擊，進而影響到電控箱的安全，使得電控箱電子控制元件發生失效，導致設備因故障發生安全事故。晉能控股煤業集團云崗礦EBZ260W懸臂式掘進機電控箱帶有減振器，但在井下復雜條件及長時間高強度作業狀態下，自帶減振器的減振表現一般，無法有效實現減振效果，無法保障電控箱電子控制元件的安全。因此，對該礦EBZ260W 懸臂式掘進機電控箱減振器進行改進優化設計[1-5]，提高其減振效果是非常有意義的。

1 EBZ260W 型掘進機及電控箱分析

EBZ260W 懸臂式掘進機由上海煤科研制，該設備整機采用準剛性設計，具有“人”字齒傳動、8～10 MPa 高壓內噴霧、紅外檢測等技術，滿足硬度≤f9 的全巖巷道的掘進施工，并可實現離機遠程遙控操作。該掘進機結構如圖1，主要包括鏟運機構、截割頭、懸臂、行走機構、減振器、電控箱等部件。設備通過截割頭的旋轉和履帶推進實現鉆進運動對工作面進行切割，電控箱安裝在機體尾部，通過減振器減小機體振動向電控箱的傳遞。

圖1 EBZ260W 懸臂式掘進機結構示意圖

EBZ260W 懸臂式掘進機采用KXJ2-400/1140（660）E 掘進機用隔爆兼本質安全型電控箱。在掘進機電控箱與后支撐間均勻安裝有4 個隔絕振動的減振器，4 個減振器安裝在四個對稱角上，主要是使得每個位置的減振器受力均勻。電控箱與減振器的力學模型如圖2。

圖2 提升措施實施前后不同類型問題占比圖

圖2 電控箱與減振器的力學模型示意圖

從圖中可知，電控箱中心與四個減振器中心重合，該設計可有效避免因電控箱安裝不平衡導致偏力對電控箱的作用，提高減振效果。

2 減振器的優化分析

EBZ260W 懸臂式掘進機采用的是以往傳統型橡膠隔振器。橡膠材料的優點在于具有足夠的內阻尼，橡膠本身具有一定的緩振效果，另外可以根據要求制作成各種形狀，基于橡膠內部會具有內摩擦力，會起到斷絕出現隔振器的共振現象。橡膠材料的缺點在于：當固有頻率低于5 Hz 以下時橡膠隔振器無法使用，同時橡膠隔振器的靜態壓縮量也不能太大，另外當設備受熱過高就會導致橡膠隔振器損壞而失效。

針對傳統橡膠減振器存在的以上問題，在傳統橡膠減振器上進行優化改造設計，提出了一種新型的錐形減振器，其結構如圖3 所示。該減振器主要由金屬型、承壓蓋、彈性體、支撐座、安裝孔和金屬夾層等部件組成。

圖3 新型的錐形減振器結構示意圖

新型錐形減振器的尺寸與原傳統橡膠減振器的尺寸保持一致，中部金屬芯與支撐座采用橡膠連接，角度設計為5°。外部支撐座高度設計要高于橡膠體部分，可以有效增加設備在豎直方向上的緩振能力。在新型錐形減振器中間橡膠體區域增加了金屬層，用來提高設備的工作強度。設備金屬夾層的X方向設置為不完全封閉的錐型結構，該設計可以有效地提升X 方向上的減振能力。新型錐形減振器從部件材料使用、結構設計、受力情況上進行了優化，有效地解決了以往傳統橡膠減振器橡膠與金屬貼合度較差、承載能力小等問題，有效地提高了豎直和水平方向上的緩振效果。

對新型錐形減振器和傳統橡膠減振器進行動載荷下應力分布測試分析，兩者最大應力分別為34.8 MPa、14.9 MPa，兩者橡膠體的最大變形量分別為0.88 mm、1.33 mm。這一數據可以說明，優化設計后的新型錐形減振器強度較高，緩振效果更好。

3 電控箱振動試驗及結果分析

EBZ260W 懸臂式掘進機采用新型的錐形減振器后，采用掘進機截割人工巖壁的振動試驗，來研究電控箱隔振系統性能。人工巖壁試驗場采用卵石、細砂、水泥按一定比例混合，制備成普氏系數f=6的巖壁，如圖4。

圖4 人工巖壁試驗場及試驗掘進機

EBZ260W 懸臂式掘進機在空載、向左截割、向下截割、鉆進4 種不同工況下進行截割運動，采用動態數據采集儀實時記錄截割過程中電控箱的振動數據。其中x 為人工巖壁水平方向，y 為人工巖壁鉆進方向，z 為人工巖壁豎直方向。

電控箱在空載、向左截割、向下截割、鉆進4種不同工況下時域內振動最大值和平均值見表1。對比以往應用傳統橡膠減振器時電控箱時域振動數據可知，應用新型錐形減振器后，電控箱在空載、向左截割、向下截割、鉆進4 種不同工況的隔振效果比較明顯，電控箱振幅平均值全部小于2 m/s2，符合設計要求。

表1 振動數據時域統計（單位：m/s2）

對振動過程的實時合成振動數據進行的頻域分析，結果如圖5 所示。

圖5 電控箱頻域振動分析

在頻域統計中，電控箱的振動能量主要集中在低頻段，是造成電控箱時域內最大值較大的主要原因，高頻信號的振動能量較小，因此可以說明新型錐形減振器對于隔振系統對高頻信號具有較好的隔振效果，對比以往應用傳統橡膠減振器來講，在低頻段時的振動速度較低，減振效果明顯。

4 實踐應用效果

當前EBZ260W 懸臂式掘進機已完成新型錐形減振器的優化改造設計及安裝調試，設備在晉能控股煤業集團云崗礦井下巖巷的掘進作業中進行了實踐應用，截割對象主要為砂巖。三個月時間以來，掘進機減振器裝置整體運行正常，對電控箱起了有效的隔振效果，電控箱電子控制元件功能可靠，沒有一起因振動問題而形成的電控箱電子控制元件失效的故障發生。