基于三維仿真分析EBZ150A掘進機關鍵部件對電控箱振動的影響

樊莉莉

（山西高平科興南陽煤業有限公司，山西 高平048400）

0 引言

礦用EBZ150A型掘進機是截割煤巖巷、裝載運輸等多功能的現代化設備，結構組成部分眾多，適應工作環境能力強[1]，在礦井巷道中擔負著重要的掘進任務。但是在使用過程中出現了機械和電氣方面故障，而故障大多數都是因為振動造成[2]。礦用EBZ150A型掘進機掘進巷道時，電控箱會受到掘進機的其他工作部件激振力影響而產生振動，一旦電控箱振動頻率與電控箱本身的固有頻率一致時，就會造成共振。電控箱共振就有可能引起箱內的元器件失靈、箱內連接線振斷、螺栓脫落[3]等，不僅影響了電控箱的工作穩定性，而且還會對掘進機截齒磨損加大損失[4]，嚴重阻礙掘進機的工作效率。為了減小掘進機電控箱振動影響，進一步提高EBZ150A型掘進機工作穩定性和使用壽命，分別探討截割臂、回轉臺、機架等關鍵部件對電控箱產生振動的規律，進而提出改進措施，降低因共振產生的故障發生率，確保掘進機整機工作效率。

1 EBZ150A掘進機組成部分

礦用EBZ150A型掘進機由截割部、回轉部、行走機構、轉載機構、運輸機構、機體和電控箱等組成[5]。

1）截割部。礦用EBZ150A型掘進機截割結構在三維仿真中的示意如圖1所示，掘進機的截割部件主要由截割頭、截割臂、減速器和軸等機械結構組成，截割頭上有截齒、噴嘴等，截割臂上含有軸承、密封結構、主軸等，減速器結構是太陽輪、行星輪和行星架等。EBZ150A型掘進機的截割部件擔負著掘進巷道的任務，在掘進過程中受阻力原因，會產生一定的振動。

圖1 EBZ150A型掘進機的截割部三維圖

2）回轉部。礦用EBZ150A型掘進機回轉部擔負著重要的運動任務，在掘進機工作期間完成的動作都是在回轉臺輔助下實現的。例如截割部在上下掘進煤巖巷時，回轉油缸推拉回轉臺迫使截割臂左右或者上下來回擺動，進而實現了截割煤巖的任務。另外，掘進機的大多數承受的力均是來自回轉臺，機體本身與截割部的連接也是靠回轉臺完成，通過回轉座、軸承、耳架等連為一體。回轉臺的動作會產生一定的振動，在其振動下會影響到掘進機電控箱。

3）行走機構。礦用EBZ150A型掘進機能夠在井下巷道快速移動，全靠行走機構的作用。行走機構由液壓馬達、驅動輪、履帶等構件組成。

4）裝載機構。礦用EBZ150A型掘進機的轉載結構能夠把截割部截割下來的煤巖體裝入到物料槽內，鏟板、星輪、動輪等組成了裝載機構，在液壓馬達作用下，驅使減速器運行，帶動鏟板將煤巖鏟如到裝載槽內。

5）機體。礦用EBZ150A型掘進機機體主要結構為機架，是承受整個掘進機的主體結構，將截割部、轉載、行走以及后支撐等部件連為一個整體，并輔助各個部件完成各自不同的任務，還為液壓、供水、供電等提供支撐。

6）電控箱。礦用EBZ150A型掘進機電控箱內部有各種控制掘進機運行的電器元件，為了保護電器元件，采用電控箱將其容納在箱體內，電控箱呈長方體形，如圖2所示。電控箱很容易受到掘進機其他部件振動影響，若發生共振，將會破損箱內的電器元件，給掘進機帶來嚴重故障。

圖2 EBZ150A型掘進機的電控箱

2 關鍵部件對電控箱振動影響研究

2.1 截割臂的影響

為了研究礦用EBZ150A型掘進機截割臂對電控箱振動影響，采用三維仿真軟件對截割臂剛度提高和不改變剛度兩種情況進行了模擬分析。為了對比，在仿真中分別采用了原參數不變和提高截割臂剛20%對掘進機電控箱振動加速度的變化情況[6]，得到了振動加速度變化曲線，詳見圖3所示。

圖3 截割臂剛度提高對電控箱振動影響

從三維仿真模擬圖3可以看出，EBZ150A型掘進機截割臂保持原狀和剛度提高五分之一振動加速度作對比發現，提高了剛度的截割臂振動加速度明顯比未提高剛度的大，在振動加速度最大值的時候，截割臂剛度提高的振動加速度由7.0104m/s2增大到了9.5260m/s2，振動加速度增大了約35.8%，表明提高截割臂剛度可以提高振動頻率，相應增大了第一、二階固有頻率，而電控箱固有的中低頻率范圍在105～130Hz，截割臂剛度的增加顯著錯開了電控箱本身的固有頻率，從而降低了掘進機支撐架和電控箱左右振動減弱。在不影響其他機械部件工作穩定情況下，可以適當提高截割臂剛度來減弱掘進機電控箱振動影響。

2.2 回轉臺的影響

在三維仿真時，分別模擬分析EBZ150A型掘進機回轉臺剛度保持不變和剛度提高五分之一對掘進機電控箱振動加速度的變化情況，得到了振動加速度變化曲線，詳見圖4所示。

圖4 回轉臺剛度提高對電控箱振動影響

根據仿真模擬結果圖可以得出，掘進機回轉臺剛度提高后，其振動加速度明顯增加，由原來的7.0211m/s2增大到了10.0027m/s2，與截割臂提高剛度原理一致，錯開了掘進機電控箱的固有頻率，有利于減弱電控箱受回轉臺振動影響，因此，在其他條件不變的情形下，可以采取提高回轉臺剛度來降低電控箱振動影響。

2.3 機架的影響

同理，對EBZ150A型掘進機機架剛度提高20%和保持原參數不變進行了仿真模擬研究，將二者振動加速度隨著時間變化的曲線進行了對比分析，詳見圖5所示。

圖5 機架剛度提高對電控箱振動影響

從圖中可出，在前0.6s時間內，提高機架剛度對振動加速度影響不大，而隨著時間推移，振動加速度變化明顯。從而表明掘進機在啟動的時間內，電控箱受到機架影響較大，隨著掘進機啟動平穩后，對電控箱的影響較小，因為此時提高了機架的剛度，其振動頻率已經錯開了電控箱的固有頻率，有利于電控箱工作穩定性。在掘進機啟動期間一定要保護好電控箱內的元器件和連線等，可以采用橡膠隔振器等方式盡量降低電控箱受啟動影響。

2.4 后支撐的影響

同理，對EBZ150A型掘進機后支撐剛度提高20%和保持原參數不變進行了仿真模擬研究，將二者振動加速度隨著時間變化的曲線進行了對比分析，詳見圖6所示。

圖6 后支撐剛度提高對電控箱振動影響

后支撐剛度提高與機架剛度提高相似，掘進機在啟動的時間內，電控箱受到后支撐影響，隨著掘進機啟動平穩后，對電控箱的影響較小。在掘進機啟動期間一定要保護好電控箱內的元器件和連線等，可以采用橡膠隔振器等方式盡量降低電控箱受啟動影響。

3 減振措施及效果分析

3.1 減振措施

1）橡膠隔振器。橡膠隔振器可以對機械設備起到隔振或減弱機械振動的效果，由一定硬度與相適應的阻尼橡膠材料制作而成。該隔振器因為材料本身具有阻尼效果，能夠為機械設備起到較好的隔振作用。在EBZ150A型掘進機機架和后支撐等機械結構上安裝橡膠隔振器，來阻止其振動，進而減小機架和后支撐對電控箱的影響。

2）改進隔振器結構。EBZ150A型掘進機電控箱安設的原減振器為圓柱型的減振器，減振效果不是很理想。為此，在原減振器的基礎上優化改進減振器，通過設計、分析、試驗對比，將原減振器改進為新型的錐形減振器，在制作過程中，橡膠體內增加高度稍低橡膠的輔助金屬于各層中，改進后的新錐形減振器三維如圖7所示。在結合掘進機電控箱本身的固有振動頻率，在橡膠各層的金屬中設計為水平方向不封口，來提高新型錐形減振器在水平方向的緩沖能力，從而提高金屬與橡膠的連接力，更好的為電控箱起到防振效果。

圖7 改進后的電控箱隔振器

3.2 減振效果

通過對EBZ150A型掘進機增加橡膠減振器和改進為新型錐形隔振器后，不僅降低了掘進機關鍵部件振動，而且還為電控箱起到了保駕護航的效果。在未采取措施以前，EBZ150A型掘進機平均每個月差不多有兩次的故障，現今在運用中，基本兩三個月才有故障維修，而且基本都是機械故障，電控箱振動引起的故障較少了。通過采取降振措施后，EBZ150A型掘進機的在工作中的故障率大為降低，提高了電控箱內的電器元件保護效果，延長了設備使用壽命，顯著改善了礦井掘進工作效率。

4 結論

通過對礦用EBZ150A型掘進機截割臂、回轉臺、機架、后支撐對電控箱產生影響研究，為降低電控箱振動，需要采取一定的措施來提高掘進機的穩定性和工作效率。

1）采用三維仿真的方法對比研究了截割臂、回轉臺、機架、后支撐剛度不提高和提高情況下對電控箱的影響。在一定條件下，可以適當采取提高截割臂和回轉臺剛度的措施，降低電控箱振動頻率；機架和后支撐可以采取增加橡膠隔振器來降低或者阻止電控箱振動，從而保護電控箱的元器件。

2）根據關鍵部件對掘進機電控箱的影響分析，提出了采用橡膠隔振器和改進隔振器結構兩種措施，工程實踐表明橡膠隔振器和新型錐形隔振器良好的保護了電控箱，提高了掘進機工作穩定性。