掘進(jìn)機(jī)電控箱振動(dòng)響應(yīng)分析

田小強(qiáng)

(山西西山煤電集團(tuán)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(duì)國民經(jīng)濟(jì)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(jī)械不斷向智能化、信息化發(fā)展[1-2]。因此，加強(qiáng)對(duì)煤炭開采中采掘機(jī)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(jī)作為煤礦開采中關(guān)鍵設(shè)備，主要用于對(duì)巖石的切割，從而方便對(duì)煤層的開采。由于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣，截割過程中會(huì)受到外界載荷的激勵(lì)，從而引起機(jī)身和切割部劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)體零部件受損，降低掘進(jìn)機(jī)工作效率，因此有必要對(duì)掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)情況進(jìn)行深入研究。

電控箱作為掘進(jìn)機(jī)上機(jī)載設(shè)備，內(nèi)部安裝有各種電器元件，通過電器控制實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各部件的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)機(jī)體各部件的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，因此掘進(jìn)機(jī)電控箱及內(nèi)部各電器元件的可靠性對(duì)機(jī)體的正常工作非常重要[4]。電控箱的振動(dòng)會(huì)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(jī)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(dòng)就顯得尤為重要，本文將重點(diǎn)對(duì)電控箱振動(dòng)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(jī)及電控箱簡介

掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過截割頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)工作面的切割，同時(shí)通過擺臂實(shí)現(xiàn)截割頭的上下運(yùn)動(dòng)，通過回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)截割頭左右擺動(dòng)，通過行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)截割頭的前后運(yùn)動(dòng)。其中電控箱安裝在機(jī)體尾部，通過四周減振器來減小機(jī)體振動(dòng)向電控箱的傳遞。

圖1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

本文中研究的對(duì)象為某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)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(gè)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(jī)上。減振器安裝在四個(gè)對(duì)稱角上，使得每個(gè)位置的減振器受力一致，并且電控箱中心與四個(gè)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(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)，四個(gè)減振器對(duì)稱分布在四個(gè)直角處。實(shí)際工作中掘進(jìn)機(jī)受到復(fù)雜載荷激勵(lì)作用，通常將所受載荷分解到三個(gè)方向，同樣，將電控箱所受外部激勵(lì)也分解到三個(gè)維度空間進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，電控箱在豎直方向受到的振動(dòng)最大，因此本文將重點(diǎn)分析電控箱在豎直方向的振動(dòng)響應(yīng)情況。電控箱、減振器、后支撐中的機(jī)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(duì)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(duì)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(lì)作用情況對(duì)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(yùn)動(dòng)起點(diǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間在t時(shí)刻時(shí)電控箱在豎直方向的位移為x，機(jī)架底板的位移為y，兩者的相對(duì)位移為x-y。機(jī)架底板受到外界簡諧振動(dòng)激勵(lì)，激勵(lì)頻率為w。通過對(duì)四個(gè)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(lì)下電控箱振動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)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(jì)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(dòng)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(dòng)響應(yīng)情況，本文構(gòu)建了以電控箱、減振器和機(jī)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(jī)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(gè)頂點(diǎn)，分別研究各點(diǎn)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(lì)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(diǎn)諧響應(yīng)變形圖

圖5圖6所示為電控箱頂部1～4頂點(diǎn)各處三向加速度曲線，從圖可以看出，各點(diǎn)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(dòng)；對(duì)比Y方向振動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)在71 Hz頻率附近，離機(jī)架較遠(yuǎn)的端點(diǎn)3、4的響應(yīng)要比同頻率下離機(jī)架較近端點(diǎn)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(jī)身較遠(yuǎn)處在水平方向出現(xiàn)了較大振動(dòng)。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(shí)電控箱與輸入載荷之間形成共振，在設(shè)計(jì)減振器時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該頻段的減振效果。

圖5 端點(diǎn)1和2三向加速度曲線

圖6 端點(diǎn)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(diǎn)各處三相加速度曲線，從圖可以看出，各點(diǎn)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(duì)應(yīng)4點(diǎn)的峰值變化；Y方向，即電控箱水平方向，振動(dòng)幅值及波動(dòng)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(shí)各方向的響應(yīng)值達(dá)到了附近頻率段的峰值，充分證實(shí)了此頻率段產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。

圖7 端點(diǎn)5和6三向加速度曲線

圖8 端點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)最嚴(yán)重，振動(dòng)激勵(lì)也最敏感。另外可以明顯發(fā)現(xiàn)離機(jī)架較遠(yuǎn)的端點(diǎn)3、4、7、8的響應(yīng)要比同頻率下離機(jī)架較近端點(diǎn)1、2、5、6的響應(yīng)值大。系統(tǒng)在71 Hz頻率左右時(shí)電控箱振動(dòng)達(dá)到一個(gè)峰值點(diǎn)，進(jìn)一步分析可知該頻率時(shí)電控箱與輸入載荷間達(dá)到共振，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮該頻率段對(duì)振動(dòng)的影響。針對(duì)上述電控箱振動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)電控箱內(nèi)部零件進(jìn)行合理布置，避開振動(dòng)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(jī)水平工作狀態(tài)下電控箱的振動(dòng)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(gè)端點(diǎn)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(dòng)最嚴(yán)重，振動(dòng)激勵(lì)也最敏感。另外可以明顯發(fā)現(xiàn)離機(jī)架較遠(yuǎn)端點(diǎn)的響應(yīng)要比同頻率下離機(jī)架較近端點(diǎn)的響應(yīng)值大，且系統(tǒng)在71 Hz頻率時(shí)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(jì)及減振提供理論指導(dǎo)。