掘进机电控箱减振系统振动响应分析

陈君宇，张宏耀

(山西西山煤电股份有限公司 西曲矿,山西 古交 030200)

0 引言

煤炭作为我国现阶段主要的能源资源，存储量丰富，在我国化石能源中煤炭资源占比达94%[1-2]。随着煤炭开采技术的高速发展，对机械设备的可靠性提出了更高的要求。掘进机作为煤矿开采过程中的关键核心设备，主要用于破碎岩石，为煤炭开采做准备。由于岩层的硬度较高，井下掘进周围环境恶劣，岩石截割过程中会对掘进机产生较大的冲击载荷，引起机身振动，其中主要以低频振动为主，从而降低零部件的使用寿命，提高了机身故障率，最终影响了整机的工作效率和工业生产率[3-4]。

电控箱作为掘进机上的电器控制设备，主要用于对掘进机各部件的运动进行控制，并对工作状态进行实时监测，其工作状态的好坏对掘进机的正常工作具有重要影响[5]。但是，电控箱受整机振动的影响，会造成内部电器元件性能下降，降低掘进机整机的控制精度，严重者可能出现系统故障，引起安全事故。因此，降低电控箱振动，对实际生产作业具有重要意义。本文利用ANSYS软件对建立的电控箱三维模型进行瞬态动力学仿真分析，其研究结果为电控箱的设计及减振提供指导。

1 电控箱减振系统力学与数学模型建立

电控箱与掘进机之间设有后支撑，后支撑与电控箱之间安装有4个隔振垫，主要用于减弱掘进机振动过程中对电控箱体的影响。4个隔振垫对称分布在后支撑的4个直角处，设计过程中为了保证4个隔振垫受力均匀，将电控箱的重心与4个隔振垫的中心重合。电控箱、隔振垫、后支撑中的机架底板组成的减振系统力学模型如图1所示。其中，m为电控箱的质量；x为电控箱竖直方向的位移；y为机架底板竖直方向的位移；c1～c4分别为隔振垫1～4的阻尼；k1～k4分别为隔振垫1～4的刚度。

图1 电控箱减振系统力学模型

分析过程中将4个隔振垫都简化为一组弹簧阻尼系统，相对于电控箱的质量隔振垫的质量较小，分析中忽略隔振垫的质量。将电控箱简化为一个均匀质量的壳体，作为刚体对其进行整体的振动响应分析。分析过程中着重研究电控箱体竖直响应对系统的影响，对竖直方向的运动进行分析。通过对图1的力学模型进行简化，系统可以简化为外激励下的单自由度系统，如图2所示。机架底板受外界简谐振动激励，激振频率为ω，系统处于静平衡状态。假设隔振垫、电控箱静平衡位置为系统运动原点，在某一时刻t，电控箱竖直方向的位移为x，机架底板竖直方向的位移为y，两者竖直方向的相对位移为x-y。机架底板将振动传递给隔振垫，通过隔振垫最终传递给电控箱。

根据图2所示力学模型，建立电控箱的运动微分方程：

(1)

(2)

其中：c为4个隔振垫的并联阻尼；k为4个隔振垫的并联刚度；Y为机架底座的振动幅值。

=Xsin(ωt-φ1).

图2 外激励下的单自由度系统

2 瞬态响应分析边界条件的确定

2.1 刚体的设置

由于本文分析中将电控箱假设为刚体，在分析过程中需要研究电控箱整体的振动响应，不需要电控箱每个部位的具体响应，因此在瞬态仿真过程中需要将电控箱的材料设置为刚体，即将Details界面中的 Stiffness Behavior项改为Rigid。

2.2 仿真设置

在对系统进行瞬态动力学仿真时，需要提前设置载荷步，瞬态动力学仿真过程占用计算机较大内存，并且仿真时间较长，为此在不影响仿真精度的前提下，本文设置求解时间为20 s。分别在载荷控制栏中设置好最大、最小时间步长以及初始时间步长，大变形开关打开，同时求解控制中的弱弹簧设置和求解类型都保持默认设置。

2.3 重力场的添加

瞬态动力学仿真一定要对仿真系统进行重力场的设置，保证其在重力环境下进行。找到仿真界面中Inertial选项，点击之后在其下拉列表中添加重力加速度，通常选择标准加速度，仿真软件会自动设置其加速度大小和方向。在Loads选项的下拉列表中对仿真过程中施加的力和扭矩进行设置，即掘进机截割头在实际工况中所受的载荷。

3 仿真分析

本文主要对掘进机水平位置工作时电控箱所受振动进行研究分析，通过LS-DYNA 软件模拟获得该水平掘进工况下截割头的载荷情况，并将其提取出来作为瞬态仿真的输入载荷。应用ANSYS软件对建立的三维模型进行瞬态动力学仿真。

3.1 电控箱振动响应时域分析

图3、图4分别为电控箱Z方向的速度和加速度响应云图，表1为电控箱在三个方向的最大速度和最大加速度响应。

图3 电控箱Z向速度响应

图4 电控箱Z向加速度响应

表1 电控箱在三个方向的最大速度和加速度响应

由图3、图4和表1可以看出，受掘进机水平方向激振力的影响，电控箱在X、Y、Z三个方向的速度响应和加速度响应都出现了明显变化，X向最大速度响应为0.12 m/s，最大加速度响应为30.0 m/s2，主要发生在电控箱靠左一侧；电控箱在Y向的最大速度响应为0.05 m/s，最大加速度响应为23.76 m/s2，最大值发生在电控箱靠近掘进头一侧前角位置；电控箱Z向最大速度响应为0.31 m/s，最大加速度响应为109.2 m/s2，主要发生在电控箱后端部位。掘进机在水平工况作业时，电控箱的Z向速度和加速度响应最大，因此在设计过程以及采取减振措施时应该重点考虑电控箱Z方向的振动，降低Z方向的响应。

3.2 电控箱振动响应频域分析

为了进一步了解电控箱的响应情况，建立了如图5所示的三维模型，模型中综合考虑了电控箱、隔振垫以及基础的影响，三者之间通过螺栓进行连接，并且根据实际情况设置了隔振垫的尺寸和位置。具体分析过程中选取了模型上的8个顶点，分别仿真各点三个方向的位移、速度、加速度的变化情况，从而对电控箱的振动特性有更加全面的了解。

仿真过程中将支撑板与掘进机的连接位置设置为标记面，对该标记面进行固定约束，在底面施加不同频率的载荷，施加激振力的相角设置为0°，幅值设置为竖直方向1 000 N。结合实际情况重点分析频率在1 Hz～120 Hz区间的响应情况。图6为电控箱谐响应位移云图，变形最大位置发生在电控箱顶部中心处，隔振系统中连接处的连接螺栓以及隔振垫变形不大，基础与隔振垫连接处局部发生较小变形，其他部位没有发生变形。

图5 电控箱三维模型

图6 电控箱谐响应位移云图

选取变形较为严重的端点3的三向加速度a进行分析，如图7所示。其他各端点类似。从图7可以看出，不同频率激振载荷作用下，电控箱各端点的响应均表现为Z向的速度和加速度响应最大，充分说明电控箱在竖直方向的振动最严重，振动激励也最敏感；端点3、4、7、8的响应要比端点1、2、5、6的响应值大。通过分析结果可以根据电控箱各点对振动的敏感程度，合

理地布置电控箱内部各部件。另外也可以根据振动特点对各点的减振措施区别设计，已达到更好的减振效果。从图7还可以看出，系统在71 Hz附近振动响应达到最大值，进一步分析可知该频率为电控箱与输入载荷间达到共振，因此在设计过程中应该重点考虑该频率对振动的影响。

图7 电控箱端点3的加速度曲线

4 结论

在综合考虑隔振垫及基础等因素的影响下，通过建立掘进机电控箱的力学模型，分析了机架底板受到简谐振动的作用时电控箱的振动响应情况。通过对电控箱的系统模型进行仿真分析，得出了其瞬态仿真结果，并对该结果进行了详细分析。分析结果表明：掘进机在水平工况作业时，电控箱的竖直方向速度和加速度响应最大，分别达到0.31 m/s和109.2 m/s2。另外，通过对电控箱、基础以及隔振垫用螺栓紧固后的系统进行谐响应分析，获得了电控箱的频域响应，得出不同频率的激振载荷作用下，电控箱各端点的响应均表现为Z向最大，X向最小，充分说明电控箱在竖直方向的振动最严重，振动激励也最敏感。分析结果可为电控箱的设计及减振提供理论指导。