采煤机电控装置的抗振性能研究.pdf

I Y I I I 3 I I7 I I l l I l 2 1 1 6 I I 1 5 I9I I I 煤炭科学硼夯总院 Y 3 7 12 6 5 9 骊孱船惹燃螺 硕士学位论文 作者姓名 学科专业 导师姓名 完成时间 全保朝 机械设计及理论 周常飞研究员 二。二。年五月二十二日 万方数据 C h i n aC o a IR e s e a r c hIn s t i t u t e Adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ’Sd e gr e e R e s e a r c hf o rA n t i - v ib r a t i o n P e r f o r m a n c eo fC o a lM in in g E l e c t r o m e c h a ni c a lC o n t r o ID e v i c e A u t h o r ’SN a m e S p e c i a l i t y 一 一 S u p e r v i s o r F i n i s h e dt i m e “ B a o c h a oQ u a n M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y P r o f ．C h a n g f e iZ h o u M a y2 2 m ，2 0 2 0 万方数据 中图分类号T D 4 21 U D C6 2l 学校代码8 3 3 盟 密 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 采煤机电控装置的抗振性能研究 R e s e a r c hf o rA n t i ．．v i b r a t i o nP e r f o r m a n c eo f C o a lM i n i n gE l e c t r o m e c h a n i c a l C o n t r 0 1D e v i c e 申请学位王堂亟 学科专业扭遮遮让星理论 答辩委员会主席王五因 』 培养单位上渔班究陵 研究方向兰兰竺燃兰 论文答辩日期至Q 至Q 生墨旦至Q 目 二。二。年五月 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文采煤机电控装置的抗振性能研究， 是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进行研究工作 所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名煳日期仞仞年 歹月 2 - 0E t 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 采煤机电控装置的抗振性能研究系本人在煤炭科学研究总院攻读学位期 间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究总院所有， 本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学研究总院 关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕学位 论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权煤炭科学研究总院， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“4 ” 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密团 作者签名姗期劬年厂月劲日 导师签急黟日期协年广 月～奄日 万方数据 摘要 摘要 采煤机工况较为恶劣，截割夹矸会成为常态，加上牵引速度快，必然会引起 较大的振动冲击。过于剧烈的振动会导致电控箱内电气元件失灵、脱落和线路断 裂等，造成电控装置损坏甚至大面积烧毁，引起更大的电气系统故障。因此，控 制并减少电控装置因振动冲击引起的故障对提高整机的稳定性和可靠性具有重 要的意义。 本文以采煤机电控装置主控制器、牵引变频器和电源组件为研究对象，根据 各电气元件的结构特性选择合理的抗振措施，通过仿真分析和振动试验，验证了 各电控装置的抗振性能。首先，利用S o l i dE d g e 软件建立各部件三维模型，并基 于A n s y sW o r k b e n c h 软件对电控箱体及各组件模态分析，得到各电控装置的固有 振动特性；其次，针对电控装置的结构特点和固有振动特性，基于隔振、减振等 振动控制理论，提出合理的抗振措施，并通过谐响应分析方法对抗振措施的理论 效果仿真分析；最后，通过振动试验检验采取抗振措施后电控装置的抗振效果， 验证电控装置的抗振性能。 根据采煤机不同电控装置的抗振要求，本文选取了不同的抗振措施，有效提 高了电控装置的抗振性能 1 主控制器元件抗高频能力差，对稳定性要求高， 通过钢丝绳减振器、加强基板的支撑刚度、利用乳胶对焊点封合等措施，可降低 9 0 ％的振动冲击，大大提高主控制器的抗振性能。 2 牵引变频器结构复杂，难 以对其整体隔振，通过对控制板下层细长电子元器件加入乳胶支撑，可降低l O ％ 左右的弯曲变形；对线排组件选取合适的宽高比、在连接位采取防松动装置、加 入法向支撑等措施可提高结构的刚度，使其在共振区域范围内振动峰值明显下降。 3 加装橡胶减振器后的电源组件可降低8 0 ％左右的振动冲击，加强支撑后的 上层安装基础扭转弯曲形变减小，整体稳定性提高。 关键词采煤机；电控装置；抗振。t O - 能；模态分析；谐响应分析 万方数据 A B S T R A C T T h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h es h e a r e ri sr e l a t i v e l yb a d ，a n dt h ec u t t i n gg a n g u ew i l l b e c o m et h en o r m a ls t a t e ．I na d d i t i o n ，t h ef a s tt r a c t i o ns p e e dw i l li n e v i t a b l yc a u s eal a r g e v i b r a t i o ns h o c k ．E x c e s s i v ev i o l e n tv i b r a t i o nw i l lc a u s et h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t s i nt h e e l e c t r i c a lc o n t r o lb o xt of a i l ，f a l lo f f , a n db r e a kt h el i n e ，e t c ．，c a u s i n gd a m a g et ot h e e l e c t r i c a lc o n t r o ld e v i c eo re v e nl a r g e - s c a l eb u r n o u t ，c a u s i n gg r e a t e re l e c t r i c a ls y s t e m f a i l u r e ．T h e r e f o r e ，c o n t r o l l i n ga n dr e d u c i n gt h ef a i l u r eo f t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c e d u et ov i b r a t i o ns h o c ki so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n g t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o ft h ew h o l em a c h i n e ． T h i sp a p e rt a k e st h em a i nc o n t r o l l e r , t r a c t i o n i n v e r t e ra n dp o w e rs u p p l y c o m p o n e n t so ft h e c o r ee l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c ei n s i d et h ec o a lm i n i n ge l e c t r i c a l c o n t r o lb o xa st h er e s e a r c ho b j e c t ，s e l e c t sr e a s o n a b l ea n t i - v i b r a t i o nm e a s u r e sa c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fe a c he l e c t r i c a lc o m p o n e n t ，a n dv e r i f i e s i tt h r o u g h s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dv i b r a t i o nt e s tA n t i - v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo fe a c he l e c t r o n i c c o n t r o ld e v i c e ．F i r s t ，u s eS o l i dE d g es o f t w a r et ob u i l dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l so f e a c h c o m p o n e n t ．a n db a s e do nA n s y sW o r k b e n c h s o f t w a r et om o d a la n a l y s i so f t h ee l e c t r o n i c c o n t r o lb o xa n de a c hc o m p o n e n tt oo b t a i nt h en a t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f e a c h e l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c e ；s e c o n d ，f o rt h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n di n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e e t r o n i cc o n t r o ld e v i c eV i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，b a s e d o n v i b r a t i o nc o n t r o lt h e o r ys u c ha sv i b r a t i o ni s o l a t i o na n dv i b r a t i o nr e d u c t i o n ，p u tf o r w a r d r e a s o n a b l ea n t i ．v i b r a t i o nm e a s u r e s ，a n ds i m u l a t et h et h e o r e t i c a le f f e c to f a n t i 。v i b r a t i o n m e a s u r e st h r o u g hh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i sm e t h o d ；F i n a l l y ，t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l d e v i c ea f t e rt h ea n t i ．v i b r a t i o nm e a s u r e sa r ev e r i f i e db yv i b r a t i o nt e s tT ov e r i f y t h ea n t i v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c e ． A c c o r d i n gt ot h ea n t i ．v i b r a t i o nr e q u i r e m e n t so f d i f f e r e n t e l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c e s o f t h es h e a r e r , t h i sp a p e rs e l e c t sd i f f e r e n ta n t i - v i b r a t i o nm e a s u r e st oe f f e c t i v e l yi m p r o v e t h ea n t i ．v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ld e v i c e 1 T h em a i nc o n t r o l l e r c o m ．p o n e n t sh a v ep o o ra n t i ．h i g hf r e q u e n c yc a p a b i l i t i e sa n dr e q u i r e s t a b i l i t y H i g h ， t h r o u g hm e a s u r e ss u c ha sw i r er o p es h o c ka b s o r b e r s ，s t r e n g t h e n i n gt h es u p p o r tr i g i d i t y o ft h es u b s t r a t e ．a n dt h eu s eo fl a t e xt os e a lt h es o l d e rj o i n t s ，i tc a nr e d u c et h ev i b r a t i o n s h o c kb y9 0 ％a n dg r e a t l yi m p r o v et h ea n t i v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo f t h em a i nc o n t r o l l e r ． f 2 1T h es t r u c t u r eo f t h et r a c t i o ni n v e r t e ri sc o m p l e x ，a n di t i sd i f f i c u l tt oi s o l a t ei t se n t i r e 万方数据 A b s t r a c t v i b r a t i o n ．B ya d d i n gl a t e xs u p p o r tt ot h es l e n d e re l e c t r o n i cc o m p o n e n t su n d e rt h e c o n t r o lb o a r d ．t h eb e n d i n gd e f o r m a t i o nc a nb er e d u c e db ya b o u t1O ％；t h ea p p r o p r i a t e a s p e c tr a t i o ，T a k i n gm e a s u r e ss u c ha sa n t i - l o o s e n i n gd e v i c ea n da d d i n gn o r m a ls u p p o r t a tt h ec o n n e c t i o np o s i t i o nc a ni m p r o v et h er i g i d i t yo ft h es t r u c t u r ea n dm a k et h e v i b r a t i o np e a kv a l u ed r o ps i g n i f i c a n t l yi nt h er e s o n a n c ea r e a ． 3 T h ep o w e ra s s e m b l y a f t e ri n s t a l l i n gt h er u b b e rs h o c ka b s o r b e rc a nr e d u c et h ev i b r a t i o ni m p a c tb ya b o u t8 0 ％， a n dt h et o r s i o n a lb e n d i n gd e f o r m a t i o no ft h eu p p e ri n s t a l l a t i o nf o u n d a t i o na f t e rt h e r e i n f o r c e m e n ts u p p o r ti sr e d u c e d ，a n dt h eo v e r a l ls t a b i l i t yi si m p r o v e d ． K e y W o r d s S h e a r e r ；E l e c t r i c a lc o n t r o ld e v i c e ；V i b r a t i o nr e s i s t a n c e ；M o d a la n a l y s i s ； H a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s 万方数据 目录 目录 第l 章绪论⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及意义．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2 国内外研究现状．⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 论文研究内容．．．．．．⋯．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 论文总体框架．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．⋯⋯7 1 ．5 本章小结．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 第2 章采煤机电控装置抗振原理及应用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 抑制振源．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．9 2 ．2 隔振原理及应用．．．⋯．．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．1 积极隔振．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 2 2 ．2 ．2 消极隔振．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 2 ．2 ．3 隔振特性．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．13 2 ．2 ．4 隔振材料．．．⋯．⋯．．⋯⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．1 4 2 ．3 减振原理及应用．⋯⋯．⋯．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．1 7 2 ．3 ．1 动力减振技术．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 2 ．3 ．2 摩擦减振技术．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 2 ．3 3 冲击减振技术．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 9 2 ．3 ．4 阻尼减振技术．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．19 2 ．4 振动主动控制⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．5 电控装置抗振方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．6 本章小结⋯．．．．．⋯．．⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯2 4 第3 章采煤机电控箱振动机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 电控箱振动源分析⋯．．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 采煤机动力学模型⋯．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．3 电控箱模态分析⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．3 ．i 模态分析基本理论及求解方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 8 3 ．3 ．2 电控箱有限元建模及模态求解．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 9 1 V 万方数据 目录 3 ．4 本章小结⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯3 4 第4 章采煤机电控装置模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 主控制器模态分析．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．3 6 4 ．1 ．1 振动模型建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．3 6 4 ．1 ．2 模型仿真分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．⋯．．．．⋯．．．．3 7 4 ．2 变频装置模态分析⋯．⋯．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．．．4 1 4 ．2 ．1 振动模型建立．．．⋯．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯．4 l 4 ．2 ．2 模型仿真分析⋯．⋯．．．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．4 2 4 ．3 电源组件模态分析．⋯．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 1 4 ．4 本章小结⋯．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．5 4 第5 章采煤机电控装置抗振性能仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1 谐响应分析理论．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．5 5 5 ．2 主控制器抗振性能仿真分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．⋯．．5 6 5 ．2 ．1 抗振设计方法⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．⋯5 6 5 ．2 ．2 抗振系统仿真分析．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯5 8 5 ．3 变频装置抗振性能仿真分析．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．6 0 5 ．3 ．1 抗振设计分析．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．6 0 5 ．3 ．2 抗振系统仿真分析⋯．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．⋯⋯⋯．6 2 5 ．4 电源组件抗振性能仿真分析⋯．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．6 3 5 ．5 本章，J 、结．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．6 5 第6 章采煤机电控装置抗振性能试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 6 ．1 主控制器抗振试验分析⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．6 7 6 ．2 变频装置抗振试验分析⋯．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 9 6 ．3 电源组件抗振试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．7 1 6 ．4 本章小结．．⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．⋯7 4 第7 章总结与展望．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．7 6 7 ．1 本文研究结论⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．7 6 7 ．2 下一步工作展望．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 V 万方数据 目录 V I ～ ～ 集 一 一 据 一 一 数 ～ 历 文 凯 黼 塞| 致 作 学 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 研究背景及意义 第1 章绪论 煤炭资源作为核心能源之一，对我国的经济社会发展起着至关重要的作用。 近年来，在我国社会经济快速发展的背景下，煤炭高效利用在能源方面占有更加 重要的地位，这也对我国煤矿机械装备的研制和改进提出了更加严格的要求。随 着煤炭开采技术的发展，我国的煤炭开采装备在机械化、自动化方面取得了巨大 的进步，同时在装备发展无人化、智能化方面对机械装备的可靠性有着更加严格 的要求。 采煤机是井下工作面煤炭开采的核心装备。如图1 ．1 所示采为采煤机工作 实况，其作用是截割煤岩，并将破落的煤岩装至运输机。由于采煤机截齿在截割 煤岩过程中会与煤岩发生非线性力学作用，产生剧烈随机振动和冲击载荷，导致 滚筒部件、采煤机机身等部件产生受迫振动，造成部件出现故障或损坏失效，降 低采煤机整机的工作稳定性和生产效率。 图1 ．1 采煤机工作实况图 F i g ．1 ．1S h e a r e rE d g ef a c tm a p 所有的机械运转装备都难以完全避开振动，采煤机在运转过程中也不例外。 随着煤炭开采效率的提高，采煤机工作强度不断加大，导致采煤机振动强度增大 的问题越发突出。由于煤矿井下工作面环境恶劣，在截割煤岩过程中难免会因为 煤岩强度不均匀造成冲击载荷，以及截齿截割过程中煤岩挤压爆裂产生振动。采 煤机截割煤岩过程中产生的振动冲击激励，通过摇臂内部传动系统和结构壳体构 件传递至电控箱内部电控装置，引起电控箱壳体及其内部电控装置的振动。本课 万方数据 第1 章绪论 题基于M G X 2 5 0 ／I2 0 0 ．W Dl 型交流电牵引采煤机，对其电控装置进行研究，其结 构示意图如图1 ．2 所示，自身强度较低，振动冲击引发电控装置元器件的损坏， 将对采煤机工作可靠性产生严重的影响。因此，为保证采煤机在复杂工况下的可 靠性及稳定性，就必须对采煤机在截割煤岩时的动力学特性和电控装置的振动性 能深入研究，进而指导采煤机电控装置的抗振设计。 图1 ．2 采煤机电控箱安装示意图 F i g ．1 ．2L o c a t i o nm a po f c o a lm i n i n ge l e c t r o m e c h a n i c a lc o n t r o lb o x 1 ，2 一滚筒；3 ，4 一摇臂；5 ，6 一调高油缸；7 ，8 一行走部； 9 ，1 0 一牵引部l l 一电控箱；1 2 ，1 3 一截割电机 1 ，2 一r o l l e r ；3 ，4 一r o c k e r ；5 ，6 一h e i g h t - a d j u s t i n gc y l i n d e r ；7 ，8 一w a l k i n gp a r t 9 ，1 0 一t r a c t i o nu n i t ；1l e l e c t r i cc o n t r o lb o x ；1 2 ，1 3 一c u t t i n gm o t o r 采煤机工作中机载电气控制装置所承受的主要振动源由三部分组成滚筒及 摇臂内传动齿轮的啮合激励、牵引动力装置内部销排的啮合冲击、截齿在截割过 程与岩石发生的非线性力学耦合作用。其他振动来源方面，如关键部位零部件之 间联接松动、传动系统润滑不良、轴承磨损及疲劳损坏等，都会引起机身内部出 现冲击载荷或振动，加剧装备的振动。 通过实际工作调查可发现，采煤机最常见的故障就是机械和电气故障，而5 0 ％ 以上的故障原因是由振动冲击引发的。采煤机电控箱内电控装置是采煤机的神经 中枢，电控装置安装如图1 ．3 所示，其主要功能是对采煤机进行电气控制、监测 并记录采煤机各部件的工作状态，是采煤机的核心部件。煤炭行业对采煤机电控 装置振动设计要求严格，要求其设计抗振加速度不低于5 9 。 采煤机运转过程中产生的振动冲击载荷，一部分通过传动系统传递，一部分 通过结构件传递。当电控装置整体或部分电气元件所受激振频率跟自身固有频率 2 万方数据 第1 章绪论 相等时就会发生共振，造成电控装置性能下降，甚至导致系统出现故障而造成采 煤机停止运行。 图1 ．3 电控装置安装图 F i g ．1 ．3I n s t a l l a t i o nd r a w i n go fe l e c t r i cc o n t r o ld e v i c e 采煤机在截割割煤岩过程中产生较大的振动冲击，会对电控箱内的电气部件 产生破坏作用，降低其可靠性和使用寿命。煤层越薄，采煤机体积越小，重量也 越轻，而薄煤层工作面条件一般较为恶劣，截割夹矸会成为常态，加上牵引速度 高，必然为引起较大的振动。 、a ，主褫动损坏图蚍k 仃芝 c 慧器勰础m a g e 副M a i n b o a r dv i b r a t i o nd a m a g ed i a g r a m ．． 。 o m g r a m 采煤机电控箱过于剧烈的振动可能会导致电控装置内电气元件失灵、脱落和 线路断接等，造成系统故障，甚至引起电控装置的大面积烧毁。如图1 ．4 所示， 万方数据 第1 章绪论 在采煤机工作过程中，电控装置部分电气元件因所受振动激励过强而导致元件烧 毁失效，降低了电控装置的稳定性和可靠性。除此之外，振动经常引起防爆外壳 盖板松动，导致电控箱内部进水或受潮，造成防爆面失效并引起更大的电气系统 故障。因此从设计阶段就必须考虑电控装置的抗振性能，避免发生共振，控制并 减弱电控装置因振动冲击引发的失常情况。 提高结构刚度，采用隔振减振措施，是提高电控装置抗振性能的重要手段。 在产品设计初期对产品建立模型和仿真分析，可及时发现产品设计中抗振性能不 足上的缺陷，以此改进设计，可有效缩短电控装置的设计周期，削减从前期设计、 实验测试到返厂修改过程中的成本。 本课题依托中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目“较 薄煤层高效自动化开采采煤机开发 2 0 18 Z D 0 0 3 ”，通过理论分析与实验验证相 结合，对采煤机核心电控装置进行振动特性研究，为提高电控装置的抗振性设计 提供理论依据，从而提高采煤机电控装备的稳定性和可靠性。 因此，本课题针采煤机电控箱内部主控制器、牵引变频器和电源组件等核心 部件进行抗振性能研究，基于采煤机工况频率及电控装置的结构特点和力学特性， 并根据电气系统的抗振原理，确定各电控装置的抗振优化方法，为优化电控装置 的抗振设计提供理论依据。 1 ．2 国内外研究现状 关于采煤机振动特性方面的研究，国内外学者基于采煤机的力学特性，选取 结构薄弱的部件进行理论分析或基于三维模型仿真分析，国内主要集中于摇臂的 振动分析，对采煤机电控装置的抗振性能研究较少。 李萍等人对采煤机整机及各零部件质量、刚度等结构特性与滚筒转速和牵引 速度之间的关系深入研究，利用M A T L A B 软件仿真分析了在牵引方向上采煤机 的振动特性，提出了在牵引方向上降低采煤机振动冲击的方法与措施【1 1 。 李晓豁等人根据采煤机机身在截割煤岩过程中的力学特性，建立采煤机多自 由度简化模型，并根据模型建立采煤机整机动力学微分方程，最后通过模拟分析 与实测验证对比，得出影响采煤机机身振动的因素，为采煤机的振动机理研究提 供理论依据[ 2 1 。 姚继权等人对采煤机在实际工况条件下的振动噪声深入研究，分析发现较高 的噪声主要是由各种振动冲击造成的，其中截齿在截割煤岩过程中受到的非线性 瞬时振动冲击载荷是导致采煤机产生较高噪声的主要来源【3 1 。 刘晓辉等人利用S o l i dE d g e 软件对采煤机摇臂壳体建立简化模型，并通过 4 万方数据 第1 章绪论 A n s y sW o r k b e n c h 软件对其模态分析，得出滚筒转动频率和传动系统中齿轮啮合 频率对采煤机摇臂壳体振动的影响，根据分析结果对摇臂壳体的局部结构进行优 化改善【4 1 。 孙影等人通过多种软件相结合的方法，对采煤机截割部建立刚柔耦合动力学 模型，并利用A n s y sW o r k b e n c h 软件对其振动分析，得出截割部各阶模态振型， 并根据截割部截齿在截割煤岩过程中的截割机理对滚筒截齿的排列阵形深入分 析，分析出对采煤机截割部振动影响较大的截齿位置【5 1 。 王乘云等人对采煤机截割部截齿截割煤岩时受到的瞬时冲击进行计算，并将 计算的冲击信号作为激励施加于截割部简化模型中，并在核心位置建立测量点， 算出不同测量点的动态响应，为采煤机截割部的优化设计提供了参考【6 1 。 在电气控制箱的研究中，为了保证电气装备在复杂工作环境下可以正常工作， 欧美发达国家早在上世纪后叶就对电气装备的抗振性能深入研究。基于电控装备 的力学特性，发达国家借助计算机技术的发展，利用理论分析和实验分析的方法， 在舰载电控装置的振动特性研究方面取得了较大的成果【7 】- 1 9 ] 。L u n n e y 和C r e d e 等人利用振动实验测试对电气装备的振动特性做出了振动分析【1 0 ] 。E s h l e m a n 针 对N A S A 在航空航天领域处理电气装备振动和冲击问题深入研究，找出了一些 电控装置的抗振方法，为其他领域的电控装置抗振设计提供了参考【⋯。 S t e i n b e r g 的P C B 动力学特性理论对国外研究人员提供了抗振设计依据，极 大地促进了电控装置的抗振设计发展1 1 2 ] [ 13 】。R o m e 实验室针对P C B 板材在不同 振动冲击载荷作用下的振动特性，给出了电路板固接点的不同失效形式。P i t a r r e s i 和S t e v e n s 等人【1 4 ] 针对P C B 板材的建模方法深入研究，总结了P C B 板材电控装 置不同模块的建模方法，提出了五种有效的改进方案[ 1 5 】。 P t a r r e s i 等人针对计算机主板建立有限元简化模型，并对其进行了随机振动 分析和冲击分析，为计算机主板抗振设计提供了理论依据【1 6 ] 。 T e e 等人通过有限元仿真分析和实验验证相结合的方法对电控装置封装模 块中的焊点寿命建立了模型【1 7 ] 。O n g 等人于本世纪初期对手机主板组件的焊点做 了试验测试，研究了电路板组件的抗振性能，为手机产品的优化设计提供了依据 [ 1 8 】。L u a n 等人对印制电路板的电子元件焊点进行了研究，提出了焊点保护的方 法措施[ 1 9 】。 国内对电气控制柜和印制电路板的抗振性能研究较多，对电控装置及电控装 置的振动研究比国外较少，目前，对该方面的研究主要集中