EBZ260H掘进机电控箱减震效果对比仿真分析

孙雁波，赵月林

(山西煤矿机械制造股份有限公司，山西 太原 030030)

EBZ260H掘进机电控箱减震效果对比仿真分析

孙雁波，赵月林

(山西煤矿机械制造股份有限公司，山西 太原 030030)

云南滇东能源矿使用的EBZ260H掘进机电控箱减震垫在截割工作过程中经常损坏。针对这一现象，对减震垫的数目和布置方式进行了改进，将减震垫数目由原来的4个增加到6个，布置方式更加均匀化，并利用Workbench对两种减震方案进行谐响应分析，比较两种方案的共振振幅可知，6个减震垫的减震方案可以明显减小掘进机在工作中对电控箱及减震垫的震动损害。

掘进机；电控箱；减震垫；共振振幅；仿真分析

掘进机电控箱在截割工作过程中会受到剧烈的振动和冲击，过于强烈的振动会造成箱内电气元件出现失灵、脱落、焊接点疲劳破坏等现象，进而影响掘进机的正常工作。

云南滇东能源矿使用的EBZ260H掘进机，其电控箱减震垫经常损坏。针对这一现象，设计人员对减震垫的数目和布置方式进行了改进，具体措施为将减震垫数目由原来的4个增加到6个，布置方式相对于以往也更加均匀化。利用ANSYS Workbench对两种减震方案进行谐响应分析，比较电控箱竖直方向第一阶的共振振幅，进而判断哪种方案更加合理。

两种减震方案的电控箱模型图分别见图1，图2.

图1 减震垫数目为4的电控箱模型图

图2 减震垫数目为6的电控箱模型图

1 ANSYS Workbench软件

1.1 软件概述

ANSYS仿真协同环境的目标是：通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。以产品数据管理PDM为核心，组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样机，实现产品研制的并行仿真和异地仿真。所有与仿真工作有关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。

开发这个协同仿真环境的平台便是ANSYS Workbench.

1.2 与传统对比

基于Workbench的仿真环境有3点与传统仿真环境有所不同：

1) 客户化。Workbench像PDM那样，利用与仿真相关的API，根据用户的产品研发流程特点开发实施成仿真环境，而且用户自主开发的API与ANSYS已有的API平等。这一特点也称为“实施性”。

2) 集成性。Workbench把求解器看作一个组件，不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中经过简单开发都可直接调用。

3) 参数化。Workbench与CAD系统的关系不同寻常。它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系。

结合世界制造业信息化主旋律，在数字化工程背景下审视这3个特点时，会发现Workbench将给产品研发流程带来革命性的变化。

2 分析过程

2.1 有限元模型的建立

该分析属于单自由度系统的受迫振动，激振力由后支承传递到电控箱。由于是对比分析，所以只要保证在分析过程中，两种方案所使用电控箱模型的质量一致即可。具体的简化步骤如下：

1) 简化掉电控箱内部的电气元件及连接板。

2) 简化掉螺栓垫圈等连接零件和电缆进出口连接装置。

3) 简化掉减震垫，在分析中使用弹簧来模拟其减震效果。

电控箱简化后的模型见图3.

图3 电控箱简化后模型图

将简化后的三维模型导入Workbench的DS中。谐响应分析对模型网格的质量要求并不高，这里设置单元尺寸的大小为25 mm. 划分网格后的有限元模型节点数为153 463，单元数为49 851.

划分网格后的电控箱模型见图4.

图4 电控箱划分网格后的有限元模型图

2.2 载荷和约束的施加

通过模态分析，得出两种减震方案竖直方向的第一阶固有频率分别为29.4 Hz和33.1 Hz. 设置谐响应分析的频率为0～50 Hz，频率间隔为5 Hz.

减震垫的具体参数为：重量m=3.1 kg，刚度k=10 000 kg/cm，固有频率ωn=25 Hz，阻尼比ζ=0.12. 通过减震垫参数，计算分析用弹簧参数如下：

1) 刚度k=10 000 kg/cm=10 000 N/mm

2) 阻尼с=2mwnζ=2×3.1×25×0.12=18.6 N·s/m=0.018 6 N·s/mm

载荷和边界条件的施加如下：

1) 在模型树的Connections分支处插入弹簧约束，利用弹簧模拟电控箱与连接板之间的减震垫。设置弹簧的刚度为10 000 N/mm，阻尼为0.018 2 N·s/mm.

弹簧的参数设置见图5.

图5 弹簧参数设置图

2) 采用对系统施加竖直方向加速度的方法，来施加激振力。竖直方向的最大振动加速度由试验检测所测得，大小为1 g，即9 800 mm/s2.

3) 约束后支承与电控箱连接板的底面。

完成载荷和约束施加的模型见图6，图7.

图6 方案一施加载荷和约束后的模型图

图7 方案二施加载荷和约束后的模型图

2.3 结果分析

两种方案的频率幅值响应曲线见图8，图9.

方案一：4个减震垫竖直方向的第一阶固有频率为29.4 Hz，由图8可知，当激振力的频率与其第一阶固有频率接近时，系统由于共振而使振幅增大，最大振幅为6.68 mm.

方案二：6个减震垫竖直方向的第一阶固有频率分别为33.1 Hz，由图9可知，当激振力的频率与其第一阶固有频率接近时，系统由于共振而使振幅增大，最大振幅为1.09 mm.

图8 4个减震垫的频率幅值响应曲线图

图9 6个减震垫的频率幅值响应曲线图

比较两种方案的共振振幅可知，方案二6个减震垫的减震方案可以明显减小掘进机在工作中对电控箱及减震垫的振动损害。

3 分析结论

从减小应力幅值的角度考虑，6个减震垫的减震方案中，每个减震垫的应力幅值比4个减震垫中的都相应的小一些，所以就减小减震垫的应力和延长减震垫的寿命这两方面来说，方案二比方案一更好一些。但就箱体内部电气元件的减震效果来说，方案二比方案一要差一些。希望相关设计人员综合考虑减震垫的寿命和电气元件的减震效果两个方面，确定合理的减震方案。

[1] ANSYS13.0/LS-DYNA非线性有限元分析[M].北京：机械工程出版社，2011：17-18.

[2] 张 媛，徐月慧，周 东，等.带式输送机用输送带震动变形分析[J].煤矿机械，2015(12)：129-130.

[3] 苗继军.EBH160横轴掘进机电机箱体有限元分析[J].煤矿机械，2015(4)：130-132.

[4] 张 楠，刘玉涛，温建波.基于ANSYS Workbench的EBZ260掘进机回转台有限元分析[J].煤矿机械，2013(2)：95-97.

Comparison and Simulation Analysis on Shock Absorbing Effect for EBZ260H Tunneling Machine

SUN Yanbo, ZHAO Yuelin

The electronic control box shock-absorbing pad for EBZ260H heading machine used in a coal mine in Diandong energy Yunnan province is often damaged during operation. The number and location of cushioning pads have been adjusted for improvement purpose with the number increased from the original four to six, and a Workbench is also introduced to test the effect. Comparison of the resonance amplitude of the two schemes shows that the number of six scheme reduce the resonance amplitude obviously.

Tunneling machine; Electric control box; Shock absorber; Resonance amplitude; Simulation analysis

2017-04-18

孙雁波(1981—)，男，山西大同人，2007年毕业于云南农业大学， 工学硕士，助理工程师，主要从事煤矿机械的设计研究工作

(E-mail)sxmjyjs@126.com

TD421.5

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1672-0652(2017)06-0021-03