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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 ） 摘要 矿用 EBZ150A 型掘进机电控箱会受到其他部件激振力影响而产生共振， 共振会引起箱内的 元器件失灵、 截齿磨损、 螺栓脱落等故障， 采用仿真模拟方法研究分析了截割臂、 回转台、 机架、 后支撑 对电控箱产生的振动影响， 并提出了提高截割臂和回转台刚度、 增加橡胶隔振器和新型锥形隔振器的 减振措施， 从运用表明， 提出的隔振措施效果明显， 提高了掘进机工作稳定性和设备使用寿命。 关键词 掘进机 ； 电控箱 ； 隔振器 ； 共振 中图分类号 TP391文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 06- 0200- 04 Based on three-dimensional simulation analysis of EBZ150A roadheader key components about the vibration of the electric control box FAN Lili （Shanxi gaopingkexingnanyangcoal industryco., LTD. , Gaoping 048400 ， China ） Abstract The vibration ofEBZ150Amine drivingelectrical control boxwill be affected bythe excitation force ofother components, which will cause the failure ofcomponents, the wear ofpick, the fall offofbolts and other faults in the box. The vibration effect ofcuttingarm, rotarytable, frame and rear support on the electrical control box is studied and analyzed by using simulation , and it is proposed to improve the rigidity of cutting arm and rotary table, and increase the rubber isolation The vibration reduction measures of the vibrator and the new cone- shaped vibration isolator showthat the vibration isolation measures are effective and improve the working stability of the roadheader and the service life ofthe equipment. Key words Roadheader ; electric control box; vibration isolator ; resonance 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。 1EBZ150A 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 1EBZ150A 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 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 200 ChaoXing 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 2EBZ150A 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。 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 105130Hz，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。 图 3截割臂刚度提高对电控箱振动影响 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 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 201 ChaoXing 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。 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。 图 5机架刚度提高对电控箱振动影响 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 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 202 ChaoXing （上接第 199 页） 2）8.84m 时回撤通道内垛式支架安全阀大部 分开启泄液，支架工作阻力增至 44.245.8MPa， 回 撤通道注浆侧回采帮中上部（距底板 1.5m 往上至 巷道顶板） ， 帮部移近量较小， 帮部完整。 回 撤 通 道 工 作 面 帮 中 下 部 （从 底 往 上 0.8m1.5m 范围内） 出现了 200mm500mm 范围的 滚帮，这主要是由于回撤通道工作面帮从距底板 1.5m 高范围内帮部没有注浆， 该段帮部松动圈范围 内的煤体在受到高应力挤压时， 就容易发生滚帮现 象， 煤体内部高应力得到了释放。 3）工作面回采至回撤通道前方 4m0m 时， 工 作面帮部煤壁向回采工作面侧逐步垮落。 4结论 1）18205 工作面回撤通道工作面帮距底板 1.5m 往上至巷道顶板采用注浆工艺， 该段帮部整体支护效 果完整稳定直至末采贯通， 注浆加固方案效果显著。 2）现场工况试验表明， 回撤通道帮部注浆技术 参数 眼深、 布置方式、 间距合理有效。 参考文献 [1] 黄大维， 周顺华， 刘重庆， 等．护壁套管钻孔灌注桩微扰 动施工分析[J].岩土力学， 2013 （4） 1103－1108． [2] 韩建， 隆威， 郑克清．煤系复杂地层钻探护壁浆液研究与 应用[J]．煤田地质与勘探， 2013 （6） 22． [3] 蔡文鹏， 刘健， 孙东生， 等．顶板走向高位钻孔瓦斯抽采 技术的研究与应用 [J]． 中国安全生产科学技术，2011 （12） 35 － 38． [4] 李泉新．煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术[J]． 煤炭科学技术， 2014 （1） 138－ 142． [5] 许延春， 杨扬．回采工作面底板注浆加固防治水技术新 进展[J]．煤炭科学技术， 2014 （1） 98－101． 作者简介 王宗贵 （1984-） ， 男， 山西翼城人， 2016 年毕业于太原理工 大学， 采矿工程专业， 采煤工程师， 现从事煤矿管理工作。 （收稿日期 2020- 3- 3） 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。 参考文献 [1] 柯贤栋,贾瑞荣,张盛.EBZ- 300 型综掘机在回坡底硬岩巷 道掘进中的应用[J].煤矿机械,2012,33 （4） 171- 173. 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