掘進機電控箱隔振器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析研究

段 霄

（霍州煤電集團，山西 霍州 031400）

引言

懸臂式掘進機作為機電一體化設(shè)備，在煤炭巷道掘進過程中具有重要的作用，但因地質(zhì)條件、煤炭硬度的差異，使掘進機工作過程中存在沖擊載荷，產(chǎn)生振動[1-3]。電控箱作為掘進機的機載控制裝置，內(nèi)部設(shè)置較多的電氣控制元件，是掘進機得以正常作業(yè)的基礎(chǔ)[4]。振動的存在會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行修復(fù)，降低了掘進機的工作效率[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)定性對提高掘進機的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

1 隔振器概述及存在問題

某煤礦當(dāng)前服役的掘進機電控箱隔振器材質(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，其中約束面使用過程中與金屬接觸，自由面是在約束面承受垂直載荷時的變形面。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，使用過程中不會出現(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)進行設(shè)計，應(yīng)用范圍較為廣泛。但是，在電控箱故障修復(fù)過程中發(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，不能抵抗不斷增強的沖擊載荷，減振效果和安全性較差，有必要進行隔振器的改進設(shè)計。

2 隔振器優(yōu)化設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于當(dāng)前掘進機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，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，重點改進其內(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)計時，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度，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，彈性體中鑲嵌了一個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，保證其較強的減振緩沖能力。該新型隔振器是在原來的隔振器基礎(chǔ)上改進了內(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。掘進機工作過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)計過程充分考慮了低頻不加劇電控箱振動，中高頻能夠有效抑制振動，同時能夠避開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，并且呈非線性關(guān)系，因此設(shè)計過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)合掘進機實際使用環(huán)境及抗震要求，設(shè)計時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，使用過程中具有強度高、抗變形能力強，在機械設(shè)備的隔振器當(dāng)中極為常見。

3 隔振器強度分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

掘進機隨機電控箱的工作環(huán)境較為復(fù)雜，在隔振器設(shè)計過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度作為保障，方可滿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仿真分析軟件進行強度分析，前處理過程中橡膠材料調(diào)用軟件材料庫自帶的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)格劃分完成之后對隔振器有限元仿真模型進行約束和載荷的施加，對隔振器的4個安裝固定孔進行固定約束的施加，對金屬芯與電控箱的連接表面施加三個方向的載荷，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。最后啟動仿真計算器，打開大變形仿真分析開關(guān)，以便保證隔振器強度仿真分析計算過程的順利進行。

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)計準則可以得出新隔振器能夠滿足掘進機電控箱使用過程中的強度要求。新隔振器的彈性體內(nèi)表面在與金屬接觸時的應(yīng)力值明顯降低；金屬支撐座在滿足材料強度要求的前提下，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 新隔振器仿真計算結(jié)果

圖4 優(yōu)化前后隔振器的電控箱振動響應(yīng)對比圖

完成新隔振器加工制造之后，為了驗證新隔振器的減振效果，將其應(yīng)用于某煤礦企業(yè)正在服役的掘進機電控箱位置，完成了掘進機電控箱分別在原隔振器和新隔振器工作情況下振動加速度的測試，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，原隔振器工作時，電控箱振動加速度較大，減振效果較差；而新隔振器的振動加速度較小，減振效果明顯，低頻段未加劇電控箱的振動，在50 Hz之后的頻段減振效果突出。由此可見，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。