礦井掘進(jìn)機(jī)電控箱減震器多工況模擬研究與分析

霍建鈺

(潞安化工集團(tuán)有限公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)煤礦井下應(yīng)用廣泛，具有掘進(jìn)高效、掘巷成本低、適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但我國(guó)生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)在減震降噪方面與國(guó)外產(chǎn)品有較為明顯的差距。受掘進(jìn)過(guò)程中外界激勵(lì)及機(jī)體本身共振等多重因素影響，掘進(jìn)機(jī)電控箱內(nèi)部重要元器件易受損，進(jìn)而影響掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性，通過(guò)在電控箱內(nèi)部安裝減震器可降低機(jī)體共振的影響，提高機(jī)體內(nèi)部電子元器件工作的穩(wěn)定性[1-5]。本文通過(guò)模擬不同工況下電控箱減震器的變形及應(yīng)力特征，確定合適的掘進(jìn)機(jī)電控箱減震方案。

1 數(shù)值模型建立

本文選擇筒狀橡膠減震器作為研究對(duì)象，利用ANSYS建立網(wǎng)格模型，為便于模型求解，網(wǎng)格模型忽略減震器中的倒角、圓角及不平整表面。確定網(wǎng)格數(shù)量為5 500個(gè)，如圖1所示，其中橡膠和鋼圈層的材料屬性如表1所示。

表1 橡膠及鋼圈材料參數(shù)

圖1 橡膠減震器網(wǎng)格模型

圖2 內(nèi)鋼圈受力示意

受底座限制，外層鋼圈無(wú)自由度，因此對(duì)其施加三向約束荷載，內(nèi)層鋼圈直接受銷(xiāo)軸影響，因此對(duì)其施加等效荷載。在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，內(nèi)層鋼圈成正弦曲線規(guī)律分布，具體如圖2所示，并可得式(1)。

(1)

式中：P0為壓力系數(shù)，r為受力半徑，b為鋼圈軸距。

通過(guò)對(duì)橡膠減震器施加外部約束獲得如圖3所示的約束模型，通過(guò)分析圖3可知，從鋼圈正下部向鋼圈中部，載荷逐漸減小。

2 模擬結(jié)果分析

在掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程中，由于受外界激勵(lì)及內(nèi)部震動(dòng)影響，機(jī)體沿3個(gè)空間維度方向發(fā)生震動(dòng)，假設(shè)機(jī)體所安裝的各個(gè)減震器受載相同，為反映礦井真實(shí)工作條件，模擬方案通過(guò)設(shè)置不同大小的徑向和軸向載荷，進(jìn)行減震器應(yīng)力變化及變形特征研究分析，驗(yàn)證在表1所述材料特征下，減震器能否保證掘進(jìn)機(jī)機(jī)體平穩(wěn)工作。

圖3 施加外部約束條件后的橡膠減震器模型

2.1 工況一

通過(guò)1.40 kN、2.7 kN、4.06 kN、5.35 kN、6.72 kN、8.03 kN的徑向壓縮載荷作用于橡膠減震器，獲得的變形特征和受力特征示意見(jiàn)圖4。

圖4 不同徑向載荷下橡膠減震器變形及受力特征

分析圖4可知，隨著徑向載荷逐漸增大，橡膠減震器變形量及承載逐漸增加，且變形特征變化逐漸變緩，但最大應(yīng)力變化逐漸加快。徑向載荷從1.40 kN增至8.03 kN，橡膠減震器變形量從1.04 mm增至5.43 mm，最大應(yīng)力由0.19 MPa增至2.84 MPa。因此結(jié)合減震器變形及受力特征，通過(guò)合理調(diào)節(jié)其剛度可實(shí)現(xiàn)更好的減震效果。

以徑向載荷6.72 kN為例，由于橡膠上部區(qū)域受載比下部小，因此造成減震器受力不均，內(nèi)部出現(xiàn)做功現(xiàn)象，引起減震器內(nèi)部升溫，使減震橡膠材料產(chǎn)生疲勞，針對(duì)上述問(wèn)題可以在橡膠區(qū)域內(nèi)部穿插鋼絲增強(qiáng)該區(qū)域的抗疲勞能力，同時(shí)，該徑向載荷下減震器最大應(yīng)力為2.03 MPa，遠(yuǎn)低于橡膠的極限強(qiáng)度370 MPa，故受力情況滿足強(qiáng)度需求。

2.2 工況二

通過(guò)1.40 kN、2.06 kN、2.70 kN、3.37 kN、4.06 kN、4.70 kN、5.35 kN的軸向拉伸載荷作用于橡膠減震器，獲得的變形特征和受力特征示意見(jiàn)圖5。

圖5 不同軸向載荷下橡膠減震器變形及受力特征

基于圖5分析可知，隨著軸向載荷的增大，橡膠減震器變形特征和受力特征均不斷增大，呈現(xiàn)非線性特征。軸向載荷從1.40 kN增至5.35 kN時(shí)，橡膠減震器變形量從1.44 mm增至5.83 mm，最大應(yīng)力由0.26 MPa增至1.40 MPa。當(dāng)載荷為4.06 kN時(shí)，應(yīng)力最大值0.88 MPa，遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)礦井掘進(jìn)機(jī)電控箱減震器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定不同工況條件下的橡膠減震器的變形特征和應(yīng)力特征，認(rèn)為軸向受力條件下，橡膠減震圈變形較小，其受力最大值均遠(yuǎn)小于材料的極限強(qiáng)度，但在徑向載荷作用下，減震器下方易產(chǎn)生疲勞損耗，通過(guò)內(nèi)部穿插鋼絲來(lái)提高材料的強(qiáng)度，避免機(jī)體失穩(wěn)。