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        掘進(jìn)機(jī)電控箱振動(dòng)響應(yīng)分析

        2021-03-15 12:16:56田小強(qiáng)
        現(xiàn)代機(jī)械 2021年1期
        關(guān)鍵詞:電控箱減振器端點(diǎn)

        田小強(qiáng)

        (山西西山煤電集團(tuán)公司屯蘭礦,山西 太原 030200)

        0 引言

        煤炭作為我國重要的能源資源對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,采煤機(jī)械不斷向智能化、信息化發(fā)展[1-2]。因此,加強(qiáng)對(duì)煤炭開采中采掘機(jī)械的研制,提高設(shè)備的可靠性和工作效率具有重要意義[3]。掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開采中關(guān)鍵設(shè)備,主要用于對(duì)巖石的切割,從而方便對(duì)煤層的開采。由于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣,截割過程中會(huì)受到外界載荷的激勵(lì),從而引起機(jī)身和切割部劇烈振動(dòng),導(dǎo)致機(jī)體零部件受損,降低掘進(jìn)機(jī)工作效率,因此有必要對(duì)掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)情況進(jìn)行深入研究。

        電控箱作為掘進(jìn)機(jī)上機(jī)載設(shè)備,內(nèi)部安裝有各種電器元件,通過電器控制實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各部件的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),并對(duì)機(jī)體各部件的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),因此掘進(jìn)機(jī)電控箱及內(nèi)部各電器元件的可靠性對(duì)機(jī)體的正常工作非常重要[4]。電控箱的振動(dòng)會(huì)降低內(nèi)部電器元件的使用性能和壽命,從而影響掘進(jìn)機(jī)的控制精度,使得系統(tǒng)可靠性變差,出現(xiàn)故障的概率增大。如何能夠有效控制電控箱的振動(dòng)就顯得尤為重要,本文將重點(diǎn)對(duì)電控箱振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究,以期更好地保護(hù)電控箱內(nèi)電器元件,提高設(shè)備的可靠性。

        1 掘進(jìn)機(jī)及電控箱簡(jiǎn)介

        掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,通過截割頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)工作面的切割,同時(shí)通過擺臂實(shí)現(xiàn)截割頭的上下運(yùn)動(dòng),通過回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)截割頭左右擺動(dòng),通過行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)截割頭的前后運(yùn)動(dòng)。其中電控箱安裝在機(jī)體尾部,通過四周減振器來減小機(jī)體振動(dòng)向電控箱的傳遞。

        圖1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

        本文中研究的對(duì)象為某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)電控箱,電控箱基本尺寸為長(zhǎng)1832 mm、寬571 mm、高800 mm,質(zhì)量1050 kg。電控箱底部四個(gè)角位置均勻布置有減振墊,通過連接螺栓將電控箱、減振器固定在掘進(jìn)機(jī)上。減振器安裝在四個(gè)對(duì)稱角上,使得每個(gè)位置的減振器受力一致,并且電控箱中心與四個(gè)減振器中心重合,從而避免電控箱安裝不平衡所產(chǎn)生力對(duì)電控箱的作用,保證減振器的減振效果。

        2 電控箱減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

        圖2 電控箱減振系統(tǒng)力學(xué)模型

        掘進(jìn)機(jī)電控箱的減振功能主要依靠后支撐與電控箱之間的減振器來實(shí)現(xiàn),四個(gè)減振器對(duì)稱分布在四個(gè)直角處。實(shí)際工作中掘進(jìn)機(jī)受到復(fù)雜載荷激勵(lì)作用,通常將所受載荷分解到三個(gè)方向,同樣,將電控箱所受外部激勵(lì)也分解到三個(gè)維度空間進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù),電控箱在豎直方向受到的振動(dòng)最大,因此本文將重點(diǎn)分析電控箱在豎直方向的振動(dòng)響應(yīng)情況。電控箱、減振器、后支撐中的機(jī)架底板組成的電控箱減振系統(tǒng)力學(xué)模型如圖2所示。

        力學(xué)模型建立的過程中,將系統(tǒng)中四處減振器都簡(jiǎn)化為彈簧阻尼系統(tǒng),相對(duì)于電控箱的質(zhì)量,由于減振器質(zhì)量較小,因此在分析過程中忽略減振器質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的影響。電控箱簡(jiǎn)化為質(zhì)量均勻分布的殼體,忽略其變形情況,當(dāng)作剛體進(jìn)行考慮。根據(jù)單自由度系統(tǒng)受基礎(chǔ)激勵(lì)作用情況對(duì)上述力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。假設(shè)系統(tǒng)的靜平衡位置為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)起點(diǎn),經(jīng)過一段時(shí)間在t時(shí)刻時(shí)電控箱在豎直方向的位移為x,機(jī)架底板的位移為y,兩者的相對(duì)位移為x-y。機(jī)架底板受到外界簡(jiǎn)諧振動(dòng)激勵(lì),激勵(lì)頻率為w。通過對(duì)四個(gè)減振器的阻尼和剛度進(jìn)行并聯(lián),將上述力學(xué)模型簡(jiǎn)化為圖3所示的數(shù)學(xué)模型。

        圖3 外激勵(lì)下電控箱振動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

        根據(jù)上述力學(xué)模型,建立電控箱的運(yùn)動(dòng)微分方程,具體如下所示[5]:

        (1)

        =cωYcosωt+kYsinωt

        =Asin(ωt-α)

        (2)

        其中:m為電控箱的質(zhì)量,kg;x為電控箱豎直方向的位移,m;y為機(jī)架底板的豎直位移量,m;c為各減振器的并聯(lián)阻尼;k為各減振器的并聯(lián)剛度,N/m。

        計(jì)算上述方程(1)-(2),可以得到電控箱的響應(yīng)為:

        =Xsin(ωt-φ)

        (3)

        3 動(dòng)態(tài)仿真模型的建立與分析

        為了更加準(zhǔn)確的了解電控箱工作過程中的振動(dòng)響應(yīng)情況,本文構(gòu)建了以電控箱、減振器和機(jī)架底板的隔振系統(tǒng)三維模型,建模過程中減振器與電控箱、機(jī)架底板之間通過螺栓連接在一起,具體如圖4所示。分析過程中分別選取電控箱8個(gè)頂點(diǎn),分別研究各點(diǎn)X、Y、Z方向的位移、速度和加速度的幅頻曲線和相頻曲線。施加相角為0°,幅值為1000 N的激勵(lì)力,方向沿Z軸正方向,求解頻率為1~120 Hz,查看電控箱的響應(yīng)情況。

        圖4 電控箱各端點(diǎn)諧響應(yīng)變形圖

        圖5圖6所示為電控箱頂部1~4頂點(diǎn)各處三向加速度曲線,從圖可以看出,各點(diǎn)加速度響應(yīng)中Z方向最大,X方向最小,且Z方向角速度變化較為平穩(wěn),沒有出現(xiàn)較大波動(dòng);對(duì)比Y方向振動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)在71 Hz頻率附近,離機(jī)架較遠(yuǎn)的端點(diǎn)3、4的響應(yīng)要比同頻率下離機(jī)架較近端點(diǎn)1、2的響應(yīng)值大,并且出現(xiàn)較大幅值震蕩,說明電控箱離機(jī)身較遠(yuǎn)處在水平方向出現(xiàn)了較大振動(dòng)。另外, X向的響應(yīng)值在71 Hz左右達(dá)到了附近頻率段的峰值,說明此頻率段時(shí)電控箱與輸入載荷之間形成共振,在設(shè)計(jì)減振器時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該頻段的減振效果。

        圖5 端點(diǎn)1和2三向加速度曲線

        圖6 端點(diǎn)3和4三向加速度曲線

        圖7圖8所示為電控箱底部5~8頂點(diǎn)各處三相加速度曲線,從圖可以看出,各點(diǎn)加速度響應(yīng)中也表現(xiàn)出Z方向響應(yīng)最大,X方向響應(yīng)最小的特征,但是不同方向加速度峰值變化要明顯小于電控箱頂部對(duì)應(yīng)4點(diǎn)的峰值變化;Y方向,即電控箱水平方向,振動(dòng)幅值及波動(dòng)情況要明顯小于頂部幅值,這是由于電控箱底部有螺栓進(jìn)行緊固的原因。在頻率為71 Hz時(shí)各方向的響應(yīng)值達(dá)到了附近頻率段的峰值,充分證實(shí)了此頻率段產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。

        圖7 端點(diǎn)5和6三向加速度曲線

        圖8 端點(diǎn)7和8三向加速度曲線

        綜合分析可知,在不同頻率載荷作用下,電控箱各頂點(diǎn)處的響應(yīng)均表現(xiàn)出Z方向最大,X向最小,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。另外可以明顯發(fā)現(xiàn)離機(jī)架較遠(yuǎn)的端點(diǎn)3、4、7、8的響應(yīng)要比同頻率下離機(jī)架較近端點(diǎn)1、2、5、6的響應(yīng)值大。系統(tǒng)在71 Hz頻率左右時(shí)電控箱振動(dòng)達(dá)到一個(gè)峰值點(diǎn),進(jìn)一步分析可知該頻率時(shí)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)考慮該頻率段對(duì)振動(dòng)的影響。針對(duì)上述電控箱振動(dòng)特點(diǎn),對(duì)電控箱內(nèi)部零件進(jìn)行合理布置,避開振動(dòng)敏感區(qū)域,從而達(dá)到更好的綜合減振效果。

        4 結(jié)語

        本文在綜合考慮電控箱、減振器以及支撐底板等因素的基礎(chǔ)上,通過建立電控箱減振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,分析了掘進(jìn)機(jī)水平工作狀態(tài)下電控箱的振動(dòng)響應(yīng)情況。結(jié)果表明,不同頻率的激振載荷作用下,電控箱選取的各個(gè)端點(diǎn)的加速度響應(yīng)中均表現(xiàn)出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。另外可以明顯發(fā)現(xiàn)離機(jī)架較遠(yuǎn)端點(diǎn)的響應(yīng)要比同頻率下離機(jī)架較近端點(diǎn)的響應(yīng)值大,且系統(tǒng)在71 Hz頻率時(shí)電控箱與輸入載荷之間達(dá)到共振。研究結(jié)果為電控箱的設(shè)計(jì)及減振提供理論指導(dǎo)。

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