武鵬飛

(山西焦煤西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

隨著高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，煤礦機(jī)械化、電氣化以及自動(dòng)化水平不斷提高，對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備的要求也越來(lái)越高，要求其性能可靠穩(wěn)定。煤礦井下目前主要的機(jī)電設(shè)備有刮板輸送機(jī)、皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)和采煤機(jī)，它們構(gòu)成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的開(kāi)采和運(yùn)輸。作為以上設(shè)備的運(yùn)動(dòng)核心，電動(dòng)機(jī)是傳動(dòng)裝置中必不可少的電器設(shè)備，應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域的電動(dòng)機(jī)除要求具有其他電機(jī)的功能外還要求具有防爆功能，是一種可以應(yīng)用于易燃易爆場(chǎng)所的電機(jī)[1]。

1 刮板輸送機(jī)

應(yīng)用于西曲煤礦刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)裝置示意圖如圖1所示。刮板輸送機(jī)機(jī)頭架組件主要由機(jī)頭架與傳動(dòng)裝置通過(guò)定位止口聯(lián)接，減速器的輸入端與聯(lián)接罩和防爆電機(jī)相連，聯(lián)接罩內(nèi)有聯(lián)軸器或者液力偶合器等，可將電機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞到減速器。通過(guò)圖1可以看出，電機(jī)和聯(lián)接罩一端是與減速器輸入端的法蘭聯(lián)接，另一端呈懸空布置[2-3]。

刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程為：電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)偶合器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減速器降低轉(zhuǎn)速增大扭矩將動(dòng)力傳遞給鏈輪組件，從而驅(qū)動(dòng)刮板的平移，實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)輸。

在此過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)自身與其他結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生激勵(lì)，又因?yàn)槁?lián)接罩與電機(jī)是懸空布置，特別是電動(dòng)機(jī)本身位于懸空結(jié)構(gòu)的最外端，所以假如電機(jī)設(shè)計(jì)不合理，在外界激勵(lì)的作用下產(chǎn)生共振，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致徑向跳動(dòng)，造成聯(lián)接法蘭的受力不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)對(duì)聯(lián)軸器或液力偶合器造成影響，所以很有必要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。

2 實(shí)驗(yàn)法和有限元法對(duì)比分析

目前，廣泛采用實(shí)驗(yàn)法和有限元法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)及動(dòng)態(tài)特性分析。實(shí)驗(yàn)法需要產(chǎn)品樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以無(wú)法在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有一定的局限性，且成本較高。而有限元法可以在設(shè)計(jì)前期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測(cè)，為產(chǎn)品的后續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

本文應(yīng)用三維建模軟件SolidWorks和有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)應(yīng)用于某型號(hào)刮板輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，由于低階頻率對(duì)系統(tǒng)的影響較大，因此只對(duì)電動(dòng)機(jī)的前5階頻率進(jìn)行模態(tài)分析，然后，以模態(tài)分析得到的頻率為基礎(chǔ)，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到其位移與頻率響應(yīng)分布。特別是對(duì)電動(dòng)機(jī)聯(lián)接法蘭的徑向跳動(dòng)以及對(duì)聯(lián)軸器振動(dòng)的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，為后期的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)[4]。

3 模型與有限元分析

通過(guò)應(yīng)用某型號(hào)刮板輸送機(jī)的防爆電機(jī)實(shí)際尺寸在三維建模軟件SolidWorks中進(jìn)行三維實(shí)體建模，忽略其接線槽、螺栓等無(wú)關(guān)零件，主要對(duì)其軸、機(jī)殼和散熱蓋進(jìn)行建模，建模結(jié)果如圖2所示。

圖1刮板輸送機(jī)傳動(dòng)裝置聯(lián)接示意圖圖2防爆電機(jī)三維實(shí)體模型

通過(guò)三維建模軟件SolidWorks與有限元分析軟件ANSYS的中間接口把模型導(dǎo)入ANSYS軟件，在ANSYS中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并施加約束與載荷。電機(jī)軸施加轉(zhuǎn)矩T(Nm)為：

(1)

其中：P為電機(jī)功率，kW；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

設(shè)置求解模態(tài)階數(shù)為5進(jìn)行求解。在模態(tài)分析后處理模塊中得出電機(jī)前5階固有頻率和振型，如表1所示，前5階固有頻率所對(duì)應(yīng)的振型如圖3所示。

表1 電機(jī)前5階固有頻率和振型

圖3 防爆電機(jī)前5階振型云圖

4 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析主要分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在承受簡(jiǎn)諧力下的位移和應(yīng)力隨頻率的變化關(guān)系。由于電機(jī)為三相交流電機(jī)，頻率為50 Hz，因此通過(guò)有限元模態(tài)分析方法獲得電機(jī)頻率為0 Hz～50 Hz下系統(tǒng)的位移響應(yīng)[5]。

在所施加簡(jiǎn)諧力的激勵(lì)下，通過(guò)諧響應(yīng)分析得到電動(dòng)機(jī)的位移響應(yīng)與法蘭盤(pán)的徑向變形，分別如圖4、圖5所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)位移響應(yīng)云圖

圖5 法蘭盤(pán)的徑向位移—頻率變化曲線

從圖4可以看到，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于共振頻率50 Hz時(shí)，整體會(huì)發(fā)生共振，振動(dòng)最大幅值為0.27 mm，最大變形位于殼體頂部。從圖5中可以看出，電動(dòng)機(jī)法蘭盤(pán)的徑向變形隨著頻率的增大而增大，當(dāng)頻率為50 Hz時(shí)，最大變形為0.132 mm，所以在該頻率下電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)輕微振動(dòng)，但由于振動(dòng)非常小，不影響正常使用。

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了煤礦刮板輸送機(jī)中防爆電機(jī)的振動(dòng)與諧響應(yīng)分析的重要性，應(yīng)用有限元模態(tài)分析法得到了防爆電機(jī)的前5階固有頻率和振型。由于電機(jī)的主軸激勵(lì)源于電動(dòng)機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)，因此在此激勵(lì)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，結(jié)果表明，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于50 Hz頻率的激勵(lì)下，振動(dòng)響應(yīng)較小，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性及其徑向跳動(dòng)不影響聯(lián)接法蘭的聯(lián)接及其穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳國(guó)聯(lián),何秀偉.交流電機(jī)頻率特性及參數(shù)的測(cè)取[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1989(2):60-64.

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[3] 連繼中.中型異步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)原因簡(jiǎn)析[J].防爆電機(jī),2002(2):11-12.

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[5] 聶志恒.基于預(yù)應(yīng)力分析的振動(dòng)弧形篩動(dòng)態(tài)特性分析[J].礦山機(jī)械,2017(2):45-50.