葛玉生

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037017）

EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)集破煤、裝煤、運(yùn)煤于一體，在全巖巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，因巖石硬度較高會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生劇烈的振動(dòng)與沖擊，進(jìn)而影響到電控箱的安全，使得電控箱電子控制元件發(fā)生失效，導(dǎo)致設(shè)備因故障發(fā)生安全事故。晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦EBZ260W懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控箱帶有減振器，但在井下復(fù)雜條件及長時(shí)間高強(qiáng)度作業(yè)狀態(tài)下，自帶減振器的減振表現(xiàn)一般，無法有效實(shí)現(xiàn)減振效果，無法保障電控箱電子控制元件的安全。因此，對該礦EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控箱減振器進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-5]，提高其減振效果是非常有意義的。

1 EBZ260W 型掘進(jìn)機(jī)及電控箱分析

EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)由上海煤科研制，該設(shè)備整機(jī)采用準(zhǔn)剛性設(shè)計(jì)，具有“人”字齒傳動(dòng)、8～10 MPa 高壓內(nèi)噴霧、紅外檢測等技術(shù)，滿足硬度≤f9 的全巖巷道的掘進(jìn)施工，并可實(shí)現(xiàn)離機(jī)遠(yuǎn)程遙控操作。該掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)、截割頭、懸臂、行走機(jī)構(gòu)、減振器、電控箱等部件。設(shè)備通過截割頭的旋轉(zhuǎn)和履帶推進(jìn)實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)對工作面進(jìn)行切割，電控箱安裝在機(jī)體尾部，通過減振器減小機(jī)體振動(dòng)向電控箱的傳遞。

圖1 EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用KXJ2-400/1140（660）E 掘進(jìn)機(jī)用隔爆兼本質(zhì)安全型電控箱。在掘進(jìn)機(jī)電控箱與后支撐間均勻安裝有4 個(gè)隔絕振動(dòng)的減振器，4 個(gè)減振器安裝在四個(gè)對稱角上，主要是使得每個(gè)位置的減振器受力均勻。電控箱與減振器的力學(xué)模型如圖2。

圖2 提升措施實(shí)施前后不同類型問題占比圖

圖2 電控箱與減振器的力學(xué)模型示意圖

從圖中可知，電控箱中心與四個(gè)減振器中心重合，該設(shè)計(jì)可有效避免因電控箱安裝不平衡導(dǎo)致偏力對電控箱的作用，提高減振效果。

2 減振器的優(yōu)化分析

EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用的是以往傳統(tǒng)型橡膠隔振器。橡膠材料的優(yōu)點(diǎn)在于具有足夠的內(nèi)阻尼，橡膠本身具有一定的緩振效果，另外可以根據(jù)要求制作成各種形狀，基于橡膠內(nèi)部會具有內(nèi)摩擦力，會起到斷絕出現(xiàn)隔振器的共振現(xiàn)象。橡膠材料的缺點(diǎn)在于：當(dāng)固有頻率低于5 Hz 以下時(shí)橡膠隔振器無法使用，同時(shí)橡膠隔振器的靜態(tài)壓縮量也不能太大，另外當(dāng)設(shè)備受熱過高就會導(dǎo)致橡膠隔振器損壞而失效。

針對傳統(tǒng)橡膠減振器存在的以上問題，在傳統(tǒng)橡膠減振器上進(jìn)行優(yōu)化改造設(shè)計(jì)，提出了一種新型的錐形減振器，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該減振器主要由金屬型、承壓蓋、彈性體、支撐座、安裝孔和金屬夾層等部件組成。

圖3 新型的錐形減振器結(jié)構(gòu)示意圖

新型錐形減振器的尺寸與原傳統(tǒng)橡膠減振器的尺寸保持一致，中部金屬芯與支撐座采用橡膠連接，角度設(shè)計(jì)為5°。外部支撐座高度設(shè)計(jì)要高于橡膠體部分，可以有效增加設(shè)備在豎直方向上的緩振能力。在新型錐形減振器中間橡膠體區(qū)域增加了金屬層，用來提高設(shè)備的工作強(qiáng)度。設(shè)備金屬夾層的X方向設(shè)置為不完全封閉的錐型結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)可以有效地提升X 方向上的減振能力。新型錐形減振器從部件材料使用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力情況上進(jìn)行了優(yōu)化，有效地解決了以往傳統(tǒng)橡膠減振器橡膠與金屬貼合度較差、承載能力小等問題，有效地提高了豎直和水平方向上的緩振效果。

對新型錐形減振器和傳統(tǒng)橡膠減振器進(jìn)行動(dòng)載荷下應(yīng)力分布測試分析，兩者最大應(yīng)力分別為34.8 MPa、14.9 MPa，兩者橡膠體的最大變形量分別為0.88 mm、1.33 mm。這一數(shù)據(jù)可以說明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的新型錐形減振器強(qiáng)度較高，緩振效果更好。

3 電控箱振動(dòng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用新型的錐形減振器后，采用掘進(jìn)機(jī)截割人工巖壁的振動(dòng)試驗(yàn)，來研究電控箱隔振系統(tǒng)性能。人工巖壁試驗(yàn)場采用卵石、細(xì)砂、水泥按一定比例混合，制備成普氏系數(shù)f=6的巖壁，如圖4。

圖4 人工巖壁試驗(yàn)場及試驗(yàn)掘進(jìn)機(jī)

EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)在空載、向左截割、向下截割、鉆進(jìn)4 種不同工況下進(jìn)行截割運(yùn)動(dòng)，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)記錄截割過程中電控箱的振動(dòng)數(shù)據(jù)。其中x 為人工巖壁水平方向，y 為人工巖壁鉆進(jìn)方向，z 為人工巖壁豎直方向。

電控箱在空載、向左截割、向下截割、鉆進(jìn)4種不同工況下時(shí)域內(nèi)振動(dòng)最大值和平均值見表1。對比以往應(yīng)用傳統(tǒng)橡膠減振器時(shí)電控箱時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用新型錐形減振器后，電控箱在空載、向左截割、向下截割、鉆進(jìn)4 種不同工況的隔振效果比較明顯，電控箱振幅平均值全部小于2 m/s2，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)域統(tǒng)計(jì)（單位：m/s2）

對振動(dòng)過程的實(shí)時(shí)合成振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行的頻域分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電控箱頻域振動(dòng)分析

在頻域統(tǒng)計(jì)中，電控箱的振動(dòng)能量主要集中在低頻段，是造成電控箱時(shí)域內(nèi)最大值較大的主要原因，高頻信號的振動(dòng)能量較小，因此可以說明新型錐形減振器對于隔振系統(tǒng)對高頻信號具有較好的隔振效果，對比以往應(yīng)用傳統(tǒng)橡膠減振器來講，在低頻段時(shí)的振動(dòng)速度較低，減振效果明顯。

4 實(shí)踐應(yīng)用效果

當(dāng)前EBZ260W 懸臂式掘進(jìn)機(jī)已完成新型錐形減振器的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試，設(shè)備在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦井下巖巷的掘進(jìn)作業(yè)中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，截割對象主要為砂巖。三個(gè)月時(shí)間以來，掘進(jìn)機(jī)減振器裝置整體運(yùn)行正常，對電控箱起了有效的隔振效果，電控箱電子控制元件功能可靠，沒有一起因振動(dòng)問題而形成的電控箱電子控制元件失效的故障發(fā)生。