陳君宇，張宏耀

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦,山西 古交 030200)

0 引言

煤炭作為我國(guó)現(xiàn)階段主要的能源資源，存儲(chǔ)量豐富，在我國(guó)化石能源中煤炭資源占比達(dá)94%[1-2]。隨著煤炭開采技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)機(jī)械設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開采過程中的關(guān)鍵核心設(shè)備，主要用于破碎巖石，為煤炭開采做準(zhǔn)備。由于巖層的硬度較高，井下掘進(jìn)周圍環(huán)境惡劣，巖石截割過程中會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生較大的沖擊載荷，引起機(jī)身振動(dòng)，其中主要以低頻振動(dòng)為主，從而降低零部件的使用壽命，提高了機(jī)身故障率，最終影響了整機(jī)的工作效率和工業(yè)生產(chǎn)率[3-4]。

電控箱作為掘進(jìn)機(jī)上的電器控制設(shè)備，主要用于對(duì)掘進(jìn)機(jī)各部件的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，并對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其工作狀態(tài)的好壞對(duì)掘進(jìn)機(jī)的正常工作具有重要影響[5]。但是，電控箱受整機(jī)振動(dòng)的影響，會(huì)造成內(nèi)部電器元件性能下降，降低掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的控制精度，嚴(yán)重者可能出現(xiàn)系統(tǒng)故障，引起安全事故。因此，降低電控箱振動(dòng)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)具有重要意義。本文利用ANSYS軟件對(duì)建立的電控箱三維模型進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，其研究結(jié)果為電控箱的設(shè)計(jì)及減振提供指導(dǎo)。

1 電控箱減振系統(tǒng)力學(xué)與數(shù)學(xué)模型建立

電控箱與掘進(jìn)機(jī)之間設(shè)有后支撐，后支撐與電控箱之間安裝有4個(gè)隔振墊，主要用于減弱掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)過程中對(duì)電控箱體的影響。4個(gè)隔振墊對(duì)稱分布在后支撐的4個(gè)直角處，設(shè)計(jì)過程中為了保證4個(gè)隔振墊受力均勻，將電控箱的重心與4個(gè)隔振墊的中心重合。電控箱、隔振墊、后支撐中的機(jī)架底板組成的減振系統(tǒng)力學(xué)模型如圖1所示。其中，m為電控箱的質(zhì)量；x為電控箱豎直方向的位移；y為機(jī)架底板豎直方向的位移；c1～c4分別為隔振墊1～4的阻尼；k1～k4分別為隔振墊1～4的剛度。

圖1 電控箱減振系統(tǒng)力學(xué)模型

分析過程中將4個(gè)隔振墊都簡(jiǎn)化為一組彈簧阻尼系統(tǒng)，相對(duì)于電控箱的質(zhì)量隔振墊的質(zhì)量較小，分析中忽略隔振墊的質(zhì)量。將電控箱簡(jiǎn)化為一個(gè)均勻質(zhì)量的殼體，作為剛體對(duì)其進(jìn)行整體的振動(dòng)響應(yīng)分析。分析過程中著重研究電控箱體豎直響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)豎直方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。通過對(duì)圖1的力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為外激勵(lì)下的單自由度系統(tǒng)，如圖2所示。機(jī)架底板受外界簡(jiǎn)諧振動(dòng)激勵(lì)，激振頻率為ω，系統(tǒng)處于靜平衡狀態(tài)。假設(shè)隔振墊、電控箱靜平衡位置為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)，在某一時(shí)刻t，電控箱豎直方向的位移為x，機(jī)架底板豎直方向的位移為y，兩者豎直方向的相對(duì)位移為x-y。機(jī)架底板將振動(dòng)傳遞給隔振墊，通過隔振墊最終傳遞給電控箱。

根據(jù)圖2所示力學(xué)模型，建立電控箱的運(yùn)動(dòng)微分方程：

(1)

(2)

其中：c為4個(gè)隔振墊的并聯(lián)阻尼；k為4個(gè)隔振墊的并聯(lián)剛度；Y為機(jī)架底座的振動(dòng)幅值。

=Xsin(ωt-φ1).

圖2 外激勵(lì)下的單自由度系統(tǒng)

2 瞬態(tài)響應(yīng)分析邊界條件的確定

2.1 剛體的設(shè)置

由于本文分析中將電控箱假設(shè)為剛體，在分析過程中需要研究電控箱整體的振動(dòng)響應(yīng)，不需要電控箱每個(gè)部位的具體響應(yīng)，因此在瞬態(tài)仿真過程中需要將電控箱的材料設(shè)置為剛體，即將Details界面中的 Stiffness Behavior項(xiàng)改為Rigid。

2.2 仿真設(shè)置

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，需要提前設(shè)置載荷步，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真過程占用計(jì)算機(jī)較大內(nèi)存，并且仿真時(shí)間較長(zhǎng)，為此在不影響仿真精度的前提下，本文設(shè)置求解時(shí)間為20 s。分別在載荷控制欄中設(shè)置好最大、最小時(shí)間步長(zhǎng)以及初始時(shí)間步長(zhǎng)，大變形開關(guān)打開，同時(shí)求解控制中的弱彈簧設(shè)置和求解類型都保持默認(rèn)設(shè)置。

2.3 重力場(chǎng)的添加

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真一定要對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行重力場(chǎng)的設(shè)置，保證其在重力環(huán)境下進(jìn)行。找到仿真界面中Inertial選項(xiàng)，點(diǎn)擊之后在其下拉列表中添加重力加速度，通常選擇標(biāo)準(zhǔn)加速度，仿真軟件會(huì)自動(dòng)設(shè)置其加速度大小和方向。在Loads選項(xiàng)的下拉列表中對(duì)仿真過程中施加的力和扭矩進(jìn)行設(shè)置，即掘進(jìn)機(jī)截割頭在實(shí)際工況中所受的載荷。

3 仿真分析

本文主要對(duì)掘進(jìn)機(jī)水平位置工作時(shí)電控箱所受振動(dòng)進(jìn)行研究分析，通過LS-DYNA 軟件模擬獲得該水平掘進(jìn)工況下截割頭的載荷情況，并將其提取出來作為瞬態(tài)仿真的輸入載荷。應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)建立的三維模型進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真。

3.1 電控箱振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域分析

圖3、圖4分別為電控箱Z方向的速度和加速度響應(yīng)云圖，表1為電控箱在三個(gè)方向的最大速度和最大加速度響應(yīng)。

圖3 電控箱Z向速度響應(yīng)

圖4 電控箱Z向加速度響應(yīng)

表1 電控箱在三個(gè)方向的最大速度和加速度響應(yīng)

由圖3、圖4和表1可以看出，受掘進(jìn)機(jī)水平方向激振力的影響，電控箱在X、Y、Z三個(gè)方向的速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)都出現(xiàn)了明顯變化，X向最大速度響應(yīng)為0.12 m/s，最大加速度響應(yīng)為30.0 m/s2，主要發(fā)生在電控箱靠左一側(cè)；電控箱在Y向的最大速度響應(yīng)為0.05 m/s，最大加速度響應(yīng)為23.76 m/s2，最大值發(fā)生在電控箱靠近掘進(jìn)頭一側(cè)前角位置；電控箱Z向最大速度響應(yīng)為0.31 m/s，最大加速度響應(yīng)為109.2 m/s2，主要發(fā)生在電控箱后端部位。掘進(jìn)機(jī)在水平工況作業(yè)時(shí)，電控箱的Z向速度和加速度響應(yīng)最大，因此在設(shè)計(jì)過程以及采取減振措施時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮電控箱Z方向的振動(dòng)，降低Z方向的響應(yīng)。

3.2 電控箱振動(dòng)響應(yīng)頻域分析

為了進(jìn)一步了解電控箱的響應(yīng)情況，建立了如圖5所示的三維模型，模型中綜合考慮了電控箱、隔振墊以及基礎(chǔ)的影響，三者之間通過螺栓進(jìn)行連接，并且根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了隔振墊的尺寸和位置。具體分析過程中選取了模型上的8個(gè)頂點(diǎn)，分別仿真各點(diǎn)三個(gè)方向的位移、速度、加速度的變化情況，從而對(duì)電控箱的振動(dòng)特性有更加全面的了解。

仿真過程中將支撐板與掘進(jìn)機(jī)的連接位置設(shè)置為標(biāo)記面，對(duì)該標(biāo)記面進(jìn)行固定約束，在底面施加不同頻率的載荷，施加激振力的相角設(shè)置為0°，幅值設(shè)置為豎直方向1 000 N。結(jié)合實(shí)際情況重點(diǎn)分析頻率在1 Hz～120 Hz區(qū)間的響應(yīng)情況。圖6為電控箱諧響應(yīng)位移云圖，變形最大位置發(fā)生在電控箱頂部中心處，隔振系統(tǒng)中連接處的連接螺栓以及隔振墊變形不大，基礎(chǔ)與隔振墊連接處局部發(fā)生較小變形，其他部位沒有發(fā)生變形。

圖5 電控箱三維模型

圖6 電控箱諧響應(yīng)位移云圖

選取變形較為嚴(yán)重的端點(diǎn)3的三向加速度a進(jìn)行分析，如圖7所示。其他各端點(diǎn)類似。從圖7可以看出，不同頻率激振載荷作用下，電控箱各端點(diǎn)的響應(yīng)均表現(xiàn)為Z向的速度和加速度響應(yīng)最大，充分說明電控箱在豎直方向的振動(dòng)最嚴(yán)重，振動(dòng)激勵(lì)也最敏感；端點(diǎn)3、4、7、8的響應(yīng)要比端點(diǎn)1、2、5、6的響應(yīng)值大。通過分析結(jié)果可以根據(jù)電控箱各點(diǎn)對(duì)振動(dòng)的敏感程度，合

理地布置電控箱內(nèi)部各部件。另外也可以根據(jù)振動(dòng)特點(diǎn)對(duì)各點(diǎn)的減振措施區(qū)別設(shè)計(jì)，已達(dá)到更好的減振效果。從圖7還可以看出，系統(tǒng)在71 Hz附近振動(dòng)響應(yīng)達(dá)到最大值，進(jìn)一步分析可知該頻率為電控箱與輸入載荷間達(dá)到共振，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮該頻率對(duì)振動(dòng)的影響。

圖7 電控箱端點(diǎn)3的加速度曲線

4 結(jié)論

在綜合考慮隔振墊及基礎(chǔ)等因素的影響下，通過建立掘進(jìn)機(jī)電控箱的力學(xué)模型，分析了機(jī)架底板受到簡(jiǎn)諧振動(dòng)的作用時(shí)電控箱的振動(dòng)響應(yīng)情況。通過對(duì)電控箱的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析，得出了其瞬態(tài)仿真結(jié)果，并對(duì)該結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。分析結(jié)果表明：掘進(jìn)機(jī)在水平工況作業(yè)時(shí)，電控箱的豎直方向速度和加速度響應(yīng)最大，分別達(dá)到0.31 m/s和109.2 m/s2。另外，通過對(duì)電控箱、基礎(chǔ)以及隔振墊用螺栓緊固后的系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，獲得了電控箱的頻域響應(yīng)，得出不同頻率的激振載荷作用下，電控箱各端點(diǎn)的響應(yīng)均表現(xiàn)為Z向最大，X向最小，充分說明電控箱在豎直方向的振動(dòng)最嚴(yán)重，振動(dòng)激勵(lì)也最敏感。分析結(jié)果可為電控箱的設(shè)計(jì)及減振提供理論指導(dǎo)。