基于三维仿真分析EBZ150A掘进机关键部件对电控箱振动的影响

樊莉莉

（山西高平科兴南阳煤业有限公司，山西 高平048400）

0 引言

矿用EBZ150A型掘进机是截割煤岩巷、装载运输等多功能的现代化设备，结构组成部分众多，适应工作环境能力强[1]，在矿井巷道中担负着重要的掘进任务。但是在使用过程中出现了机械和电气方面故障，而故障大多数都是因为振动造成[2]。矿用EBZ150A型掘进机掘进巷道时，电控箱会受到掘进机的其他工作部件激振力影响而产生振动，一旦电控箱振动频率与电控箱本身的固有频率一致时，就会造成共振。电控箱共振就有可能引起箱内的元器件失灵、箱内连接线振断、螺栓脱落[3]等，不仅影响了电控箱的工作稳定性，而且还会对掘进机截齿磨损加大损失[4]，严重阻碍掘进机的工作效率。为了减小掘进机电控箱振动影响，进一步提高EBZ150A型掘进机工作稳定性和使用寿命，分别探讨截割臂、回转台、机架等关键部件对电控箱产生振动的规律，进而提出改进措施，降低因共振产生的故障发生率，确保掘进机整机工作效率。

1 EBZ150A掘进机组成部分

矿用EBZ150A型掘进机由截割部、回转部、行走机构、转载机构、运输机构、机体和电控箱等组成[5]。

1）截割部。矿用EBZ150A型掘进机截割结构在三维仿真中的示意如图1所示，掘进机的截割部件主要由截割头、截割臂、减速器和轴等机械结构组成，截割头上有截齿、喷嘴等，截割臂上含有轴承、密封结构、主轴等，减速器结构是太阳轮、行星轮和行星架等。EBZ150A型掘进机的截割部件担负着掘进巷道的任务，在掘进过程中受阻力原因，会产生一定的振动。

图1 EBZ150A型掘进机的截割部三维图

2）回转部。矿用EBZ150A型掘进机回转部担负着重要的运动任务，在掘进机工作期间完成的动作都是在回转台辅助下实现的。例如截割部在上下掘进煤岩巷时，回转油缸推拉回转台迫使截割臂左右或者上下来回摆动，进而实现了截割煤岩的任务。另外，掘进机的大多数承受的力均是来自回转台，机体本身与截割部的连接也是靠回转台完成，通过回转座、轴承、耳架等连为一体。回转台的动作会产生一定的振动，在其振动下会影响到掘进机电控箱。

3）行走机构。矿用EBZ150A型掘进机能够在井下巷道快速移动，全靠行走机构的作用。行走机构由液压马达、驱动轮、履带等构件组成。

4）装载机构。矿用EBZ150A型掘进机的转载结构能够把截割部截割下来的煤岩体装入到物料槽内，铲板、星轮、动轮等组成了装载机构，在液压马达作用下，驱使减速器运行，带动铲板将煤岩铲如到装载槽内。

5）机体。矿用EBZ150A型掘进机机体主要结构为机架，是承受整个掘进机的主体结构，将截割部、转载、行走以及后支撑等部件连为一个整体，并辅助各个部件完成各自不同的任务，还为液压、供水、供电等提供支撑。

6）电控箱。矿用EBZ150A型掘进机电控箱内部有各种控制掘进机运行的电器元件，为了保护电器元件，采用电控箱将其容纳在箱体内，电控箱呈长方体形，如图2所示。电控箱很容易受到掘进机其他部件振动影响，若发生共振，将会破损箱内的电器元件，给掘进机带来严重故障。

图2 EBZ150A型掘进机的电控箱

2 关键部件对电控箱振动影响研究

2.1 截割臂的影响

为了研究矿用EBZ150A型掘进机截割臂对电控箱振动影响，采用三维仿真软件对截割臂刚度提高和不改变刚度两种情况进行了模拟分析。为了对比，在仿真中分别采用了原参数不变和提高截割臂刚20%对掘进机电控箱振动加速度的变化情况[6]，得到了振动加速度变化曲线，详见图3所示。

图3 截割臂刚度提高对电控箱振动影响

从三维仿真模拟图3可以看出，EBZ150A型掘进机截割臂保持原状和刚度提高五分之一振动加速度作对比发现，提高了刚度的截割臂振动加速度明显比未提高刚度的大，在振动加速度最大值的时候，截割臂刚度提高的振动加速度由7.0104m/s2增大到了9.5260m/s2，振动加速度增大了约35.8%，表明提高截割臂刚度可以提高振动频率，相应增大了第一、二阶固有频率，而电控箱固有的中低频率范围在105～130Hz，截割臂刚度的增加显著错开了电控箱本身的固有频率，从而降低了掘进机支撑架和电控箱左右振动减弱。在不影响其他机械部件工作稳定情况下，可以适当提高截割臂刚度来减弱掘进机电控箱振动影响。

2.2 回转台的影响

在三维仿真时，分别模拟分析EBZ150A型掘进机回转台刚度保持不变和刚度提高五分之一对掘进机电控箱振动加速度的变化情况，得到了振动加速度变化曲线，详见图4所示。

图4 回转台刚度提高对电控箱振动影响

根据仿真模拟结果图可以得出，掘进机回转台刚度提高后，其振动加速度明显增加，由原来的7.0211m/s2增大到了10.0027m/s2，与截割臂提高刚度原理一致，错开了掘进机电控箱的固有频率，有利于减弱电控箱受回转台振动影响，因此，在其他条件不变的情形下，可以采取提高回转台刚度来降低电控箱振动影响。

2.3 机架的影响

同理，对EBZ150A型掘进机机架刚度提高20%和保持原参数不变进行了仿真模拟研究，将二者振动加速度随着时间变化的曲线进行了对比分析，详见图5所示。

图5 机架刚度提高对电控箱振动影响

从图中可出，在前0.6s时间内，提高机架刚度对振动加速度影响不大，而随着时间推移，振动加速度变化明显。从而表明掘进机在启动的时间内，电控箱受到机架影响较大，随着掘进机启动平稳后，对电控箱的影响较小，因为此时提高了机架的刚度，其振动频率已经错开了电控箱的固有频率，有利于电控箱工作稳定性。在掘进机启动期间一定要保护好电控箱内的元器件和连线等，可以采用橡胶隔振器等方式尽量降低电控箱受启动影响。

2.4 后支撑的影响

同理，对EBZ150A型掘进机后支撑刚度提高20%和保持原参数不变进行了仿真模拟研究，将二者振动加速度随着时间变化的曲线进行了对比分析，详见图6所示。

图6 后支撑刚度提高对电控箱振动影响

后支撑刚度提高与机架刚度提高相似，掘进机在启动的时间内，电控箱受到后支撑影响，随着掘进机启动平稳后，对电控箱的影响较小。在掘进机启动期间一定要保护好电控箱内的元器件和连线等，可以采用橡胶隔振器等方式尽量降低电控箱受启动影响。

3 减振措施及效果分析

3.1 减振措施

1）橡胶隔振器。橡胶隔振器可以对机械设备起到隔振或减弱机械振动的效果，由一定硬度与相适应的阻尼橡胶材料制作而成。该隔振器因为材料本身具有阻尼效果，能够为机械设备起到较好的隔振作用。在EBZ150A型掘进机机架和后支撑等机械结构上安装橡胶隔振器，来阻止其振动，进而减小机架和后支撑对电控箱的影响。

2）改进隔振器结构。EBZ150A型掘进机电控箱安设的原减振器为圆柱型的减振器，减振效果不是很理想。为此，在原减振器的基础上优化改进减振器，通过设计、分析、试验对比，将原减振器改进为新型的锥形减振器，在制作过程中，橡胶体内增加高度稍低橡胶的辅助金属于各层中，改进后的新锥形减振器三维如图7所示。在结合掘进机电控箱本身的固有振动频率，在橡胶各层的金属中设计为水平方向不封口，来提高新型锥形减振器在水平方向的缓冲能力，从而提高金属与橡胶的连接力，更好的为电控箱起到防振效果。

图7 改进后的电控箱隔振器

3.2 减振效果

通过对EBZ150A型掘进机增加橡胶减振器和改进为新型锥形隔振器后，不仅降低了掘进机关键部件振动，而且还为电控箱起到了保驾护航的效果。在未采取措施以前，EBZ150A型掘进机平均每个月差不多有两次的故障，现今在运用中，基本两三个月才有故障维修，而且基本都是机械故障，电控箱振动引起的故障较少了。通过采取降振措施后，EBZ150A型掘进机的在工作中的故障率大为降低，提高了电控箱内的电器元件保护效果，延长了设备使用寿命，显著改善了矿井掘进工作效率。

4 结论

通过对矿用EBZ150A型掘进机截割臂、回转台、机架、后支撑对电控箱产生影响研究，为降低电控箱振动，需要采取一定的措施来提高掘进机的稳定性和工作效率。

1）采用三维仿真的方法对比研究了截割臂、回转台、机架、后支撑刚度不提高和提高情况下对电控箱的影响。在一定条件下，可以适当采取提高截割臂和回转台刚度的措施，降低电控箱振动频率；机架和后支撑可以采取增加橡胶隔振器来降低或者阻止电控箱振动，从而保护电控箱的元器件。

2）根据关键部件对掘进机电控箱的影响分析，提出了采用橡胶隔振器和改进隔振器结构两种措施，工程实践表明橡胶隔振器和新型锥形隔振器良好的保护了电控箱，提高了掘进机工作稳定性。