全断面掘进机吊装电控箱振动响应分析.pdf

第44卷第3期2023年6 月黄达，彭军，岳亚军.全断面掘进机吊装电控箱振动响应分析 J.煤矿机电，2 0 2 3，44（3）：43-48.doi：10.16545/ki.cmet.2023.03.009煤矿机电Colliery Mechanical&Electrical Technology全断面掘进机吊装电控箱振动响应分析Vol.44 No.3Jun.2023黄达,彭军,岳亚军（中煤科工集团上海有限公司，上海2 0 0 0 30）扫码移动阅读摘要：为保证吊装电控箱在振动影响下的安全性及可靠性，综合电控箱、运动顶板、减振器的影响建立吊装电控箱振动系统力学模型，分析电控箱模态以及受简谐激振力时的振动响应情况。结果显示，电控箱前六阶模态固有频率集中在6 0 110 Hz之间，不同频率的激振载荷下各取样点位移和加速度在重力方向响应程度最大，系统在9 2 Hz附近时电控箱与输入载荷达到共振。结论推断吊装电控箱振动系统引起共振的模态阶数为第3阶，需要避开此频率。电控箱振动在重力方向最大，顶板升降运动时需要控制加速度，避免引起电控箱振动。研究结果为吊装电控箱减振设计提供理论支撑。关键词：全断面掘进机；吊装电控箱；减振分析；共振中图分类号：TD632.2Vibration Response Analysis of the Lifting ElectronicControl Box of A Full Face Tunneling Machine文献标志码：B文章编号：10 0 1-0 8 7 4(2 0 2 3)0 3-0 0 43-0 6HUANG Da,PENG Jun,YUE Yajun(CCTEG Shanghai Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China)Abstract:To ensure the safety and reliability of the hoisting electronic control box under the influence ofvibration,a mechanical model of the hoisting electronic control box vibration system was established based on theinfluence of the electronic control box,moving top plate,and shock absorber,and the vibration response of theelectronic control box mode and under simple harmonic excitation force was analyzed.The results showed that thenatural frequencies of the first six modes of the electronic control box were concentrated between 60 and 110 Hz.The displacement and acceleration of each sampling point have the greatest response in the direction of gravity underexcitation loads of different frequencies.The electronic control box resonated with the input load when the systemwas around 92 Hz.The conclusion inferred that the modal order of resonance caused by the vibration system of thelifting electronic control box was the third order,and this frequency needed to be avoided.The vibration of theelectronic control box was maximum in the direction of gravity,and the acceleration needed to be controlled duringthe lifting movement of the top plate to avoid causing vibration of the electronic control box.The research resultsprovide theoretical support for the vibration reduction design of the lifting electronic control box.Keywords:ffull face tunneling machine;hoisting the electronic control box;vibration reduction analysis;resonance为我国能源行业的主要资源来源。伴随科技进步，0引言采掘平衡的要求对现在的煤巷掘进要求日益提高，在国民经济的发展中，煤炭作为不可或缺的重采煤机械智能化、信息化的发展推动煤巷掘进设备要资源，其国内产量占据全球产量的45%50%，向高效率、高可靠性发展，煤巷全断面掘进机应运而44生。而对于恶略环境下工作的全断面掘进机，在岩石、煤层截割过程中不断受到截割载荷的激励，机身以及截割部件引起的剧烈振动，不可避免会造成机体内部零部件的损伤，从而影响掘进效率，对掘进机所受激励的振动响应的研究非常有必要 2 。电控箱内部布置有复杂的电气元器件，其控制着全断面掘进机各个运动部件的相应动作，可称作掘进机的心脏,是非常重要的机载部件,其可靠性对掘进机工作性能非常重要。机载电控箱的复杂超荷振动会引起电气元器件的失灵，影响电气件的寿命，降低使用性能,增大设备的故障发生率,降低控制精度和系统可靠性 3。本文针对如何控制电控箱振动展开研究，以保证电箱内各种电气元器件的正常工作，保证设备的高可靠性运行。1全断面掘进机及吊装电控箱本文所述全断面掘进机结构如图1所示，通过截割部截割煤层，撑靴结构提供掘进反力的同时主推油缸推进，主梁鞍架结构提供方向控制，立柱与顶板、底板所组成的后平台结构提供安全防护以及撑顶为掘进机推进提供反力 4。其中2 个电控箱吊装在顶板上，处于主梁两侧，每个电控箱四周安装有减振器以减小截割所带来的振动产生的影响。12煤矿机电与电控箱体之间的减振器实现，4组减振器对称分布。实际掘进工作中的全断面掘进机,因复杂的激励载荷方向多变，通常分解为3个方向，作为掘进机机载的电控箱，同样将所受外部激励分解，因电控箱吊装，结合3个维度空间的外部载荷在实际的检测数据中和竖直方向的振动最大情况 5,本次所述重点分析侧重于重力方向的振动分析。后平台顶板、减振器、电控箱所组成的振动系统力学模型如图2所示。顶板电控箱m图2 吊装电控箱振动系统力学模型减振器质量相较于电控箱体，因其质量非常小，在分析中可忽略其重量对系统的影响，振动系统的4组减振器可简化为弹簧阻尼系统。电控箱视为刚体，忽略变形影响，简化为均匀质量分布的壳结构，将其作为单自由度系统受到激励的情形进行分析 6 。4个减振器阻尼、刚度并联后简化力学模型如图3 所示。342023年第44卷k(x-y)c(x-5)1)八)x(t)图3吊装电控箱振动系统简化力学模型假设系统静态平衡位置作为振动系统运动起8/7651-截割部；2-主梁鞍架;3-后平台；4-刮板运输机；5电控箱;6-撑靴结构；7-主推油缸;8 锚杆机。图1全断面掘进机数字模型本文研究的对象为吊装电控箱,其尺寸为长1965mm、宽6 2 7 mm、高8 9 0 mm,质量1.2 t。电控箱顶部4个角布置安装法兰，通过螺柱、螺母分别将电控箱与减振器吊装在全断面掘进机顶板上。减振器安装在电控箱对称的4个角位置上，设计上保证每个位置的减振器受力相同，保证电控箱的重心与4组减振器的中心一致，避免因安装问题产生不均衡力，导致电控箱产生不良影响而减弱减振效果，2电控箱减振系统数学模型全断面掘进机电控箱体的减振通过后平台顶板点,在t时间内的竖直方向位移x,后平台顶板位移y,二者相对位移（-y）7)。吊装电控箱的谐响应分析用于确定正弦规律变化载荷下线性结构的稳态响应，目的是计算电控箱在一定频率范围下的响应，并得到响应值随频率变化的曲线 8 。对上述力学模型建立运动微分方程如下：mi+c(x-y)+k(x-y)+mg=f(t)式中:m为电控箱质量,kg;x为竖直位移,mm;y为后平台顶板竖直方向位移,mm;c为减振器并联阻尼;k为减振器并联刚度,N/mm;f为电控箱所受合力,N。振动系统运动起点处f(t)=0可得：mi+cx+kx=cy+ky-mg=2023年第3期coYcos wt+kYsin wt-mg=Asin(wt-)-mgA=Y/K?+(co),=arctan(计算上述方程可解得电控箱体振动响应为：Yk+(c)sin(wt-r-)=x(t)V(h-mo)+(co)2Xsin(wt-)其中 =arctan(k-mo23电控箱模态分析模态分析作为一种方法研究机械结构振动特性,能具体反映电控箱的多阶振型以及其对应变化的规律 9 。将电控箱三维模型导人ANSYS软件中，对电控箱等结构进行细节优化,对其赋予模型属性，属性参数如表1所示，不施加载荷进行分析。表1振动系统材料属性部件材料密度/(kgmm-3）引电控箱Q345减振器顺丁橡胶1.93 10-6若掘进机工作过程中振动频率与电控箱固有频率接近,则极有可能会发生共振现象,造成电控箱固定螺栓副螺母松开，电控箱掉落伤人。弹性体的低阶振型动力特性比高阶振型对动力特性的影响更大,低阶振型决定结构的振动形态 10 ,因此列出了电控箱前4阶模态图，如图4所示。由图4可知，电控箱1阶模态与2 阶模态变形振动方向接近相异、接近垂直，偏向于电控箱本体振动,3阶模态与4阶模态的振动方向侧重于重力方向整体移动，为减振器吸收变形能量。前4阶模态振动整体变形程度相对较小，变形量主要集中在较宽、较薄的底面和后面，固电控箱设计过程可在较宽模态阶数1固有频率/Hz58.33最大变形/mm2.834电控箱谐响应分析谐响应分析的目的是计算电控箱结构承受随时间正弦规律变化的稳态响应，得到曲线进行分析。为准确掌控全断面掘进机吊装电控箱在掘进机工作过程中的响应，本文在电控箱三维建模基础上,将减黄达等：全断面掘进机吊装电控箱振动响应分析处增加筋板，适当加厚底板。B:ModalTotal DeformationType:TotalDeformFrequency:58.327Unit:mm2022/5/1616:342.5106.8245Max2.19681.883056910.9414925530.627660.31383OMinB:ModalTotal DeformatiorType:Total DeforFrequeney:76.0751Init:m2022/5/1616:355.4988Max4.88784.27683.66583.05492.44391.83290.610971.2219OMinB:ModalTotal DeformType:Total DeformaUnit:mmFrequency:95.621Hz2022/5/16 16:362.1152Max1.88011.64511.41011.17510.940 070.705.060.470.040.235 02O.Min弹性模量/GPa泊松比7.85 10-62.06 10-27.8 10-3表2 各阶模态固有频率和对应最大变形量2376.0895.625.52.1245(a)1阶C(b)2 阶(c)3阶0.26B:ModalType:Total DefommatiTotalDeformation0.47Unit:mmrequency:101.06Hz2022/5/16 16:361.634 4Max1.45281.27121.08960.908020.726.420.544 810.363210.1816OMin计算电控箱的前10 阶模态,其固有振动频率和响应最大变形如表2 所示。由表2 可看出，电控箱的模态振型阶数越高,其固有振动频率越大。而掘进机刀盘转速2 0 r/min，刀盘的工作频率远小于电控箱模态固有频率，即全断面掘进机正常工作时，低冲击下的外载不会引起电控箱共振。45101.06112.431.634.24振器、顶板与其组合而成的减振系统通过螺杆固定在顶板上，具体如图5所示。在本次分析过程中，选取电控箱的上下左右8 个角点为研究对象，对其施加最大值10 0 0 N的简谐力，相角设置0 方向沿z轴负方向（重力方向），求解0 2 0 0 Hz范围频率简谐激振力下位移、加速度响应，在此基础上分析电控(d)4 阶图4电控箱的前4阶模态67115.80126.823.127.698134.8773.869134.8775.6910134.8887.0446箱的响应情况。C:Harmonic ResponseTotal DeformationType:Total DeformationSweeping Phase:90Frequency:200HzUnit:mm2023/7/1316:169.7528e-6Max8.669 1e-67.5855e-66.5018e-65.4182e-64.334 6e-63.2509e-62.167 3e-61.0836e-6OMin图6 为1点8 点各处三轴方向的加速度随频率变化曲线，图7 为1点8 点各处三轴方向的位移随频率变化曲线，从图6 和图7 可以看出，1 点10100010-1煤矿机电8点的3个轴方向加速度和位移的变化值在同频率情况下，垂直运动方向Z方向数值最大，方向最小，且3条曲线变化比较平稳，并未出现较大的波动5现象。另外可发现系统在9 2 Hz左右时,3个方向8加速度的曲线均出现波动，响应值达到了峰值，综合分析原因为系统在9 2 Hz时电控箱与输人载荷形成共振。因此在设计中应充分考虑该频率段对电控箱2的影响。针对其振动系统特点，对电控箱内各部分图5电控箱谐响应变形图101100010-12023年第44卷元器件优化配置，尽量避开敏感振动的位置从而达到更优的减振效果，保证电控箱安全。101100010一x方向10-2方向-2方向10-3L010110010-110-210-3L0一x方向10-2方向-2方向4080频率/Hz(a)1#点一方向方向-2方向10-3L4080频率/Hz(d)4#点101100一方向10-2方向-2方向12016020010-3L01010010-212016020040(b)2点1040(e)5#点1010080频率/Hz方向-2方向10-380120160200频率/Hz12016020010-3L010110010-一x方向10-2040(c)3#点14080频率/Hz(f)6#点80频率/Hz一方向方向-2方向120160200120160200一方向10-2方向-2方向10-3L0为更好地对比与观察各观测点的响应,将各观测点不同频率下的各方向振动响应分别绘制在同一一x方向10-2方向-2方向4080频率/Hz(g)7#点图6加速度响应曲线图中，如图8、图9 所示。12016020010-3L040(h)8#点80频率/Hz1201602002023年第3期10-310-410-10-610-710-8010-310-41010610-7L01010-110-210-3L0由图8 和图9 观察可看出，1#4点振动响应较5#8 大，考虑为1#4 点位为自由面上点,其他4个点所在面被螺杆以及减振器固定在顶板之上。对比y方向振动方向，2 、4 点位比1#、3 点位振动黄达等：全断面掘进机吊装电控箱振动响应分析10-310-3一x方向一x方向方向方向-2方向10-410-510-612020010-7L4080频率/Hz(a)1#点一x方向方向-2方向10-4010%10-6工J4080频率/Hz(d)4#点10-310-410s10-610-710-8L0一1#点-5#点2-6二三%10-3-4#煮-8#点4080频率/Hz(a)方向47一x方向方向-2方向10-41010-620010-7160010-310-7L1201602004080频率/Hz(g)7#点1010-112016020010-4L0图8 观测点xyz三方向加速度响应对比曲线-2方向14080频率/Hz(b)2#点方向10-4-2方向10510-610-7上10-8L040(e)5#点10-3一x方向方向-2方向10-410-510-610-7120160200图7位移响应曲线三10-1-4#点-8#点4080频率/Hz(b)y方向响应值大，说明距离截割部较近，端点振动响应更大，需优化此处电控箱，设计减振器时重点关注该部分减振效果。120160一x方向80120160200频率/Hz1040(h)8#点1010012016020010-20010-30一x方向方向-2方向80120 160200频率/Hz40(c)2方向40(c)3#点上40(f)6#点一1#点-4#点-8#点80120频率/Hz80频率/Hz方向-2方向80120160200频率/Hz160200120160200一x方向4810-410-530110-610-705结论为保证吊装电控箱的安全性以及可靠性，在建立振动系统动力学模型基础上，综合电控箱、吊装顶板、减振器的因素影响，通过建立吊装电控箱振动系统的数学模型以及对数字模型进行模态及谐响应分析,判断全断面掘进机电控箱模态以及工作时的振动响应情况。结果显示电控箱前6 阶模态固有频率集中在6 0 110 Hz之间,在不同大小的激振频率影响下重力方向掘进机电控箱振动响应最严重，在重力方向掘进机电控箱振动反应较其他2 个方向更为敏感。另外，据机架端点远处较近处端点在同频率激励下响应值更大,且系统在9 2 Hz左右时,激振力输人载荷会引起电控箱与激振的共振。此结果补充了吊装电控箱振动理论上的空白，丰富了掘进机整机设计的安全系数，在此基础之上对掘进机系统的激振频率进行设计以保证吊装电控箱的安全性及可靠性。本文以理论方式分析了吊装电控箱的振动情况，受条件限制未进行实际试验的测量与理论值对应，未来可以针对吊装电控箱的振动问题进行对应试验研究以及对高效减振器的进一步设计。煤矿机电10-4,二二点三三三三二3含二10-5-4#点-8#点10-710-8L14080 120160200频率/Hz(a)方向2023年第44卷10-3,-1#点-5#点-2#点-6#-3-室-4#点-8#点10-410-51040(b)y方向图9 观测点xyz三方向位移响应对比曲线参考文献：1 郑健，彭军，焦明交，等.煤矿全断面矩形快速掘进机过断层分析与探索 J.煤矿机械,2 0 2 1,42（11）：9 1-9 4.2吕金龙，贺安民，原长锁，等.全断面矩形快速掘进机方向控制的分析与验证 J.煤矿机械,2 0 2 1,42（10）：8 7-8 9.3赵江涛.掘进机用电控箱隔振器设计与试验研究 J.煤矿机械,2 0 14,35(6):3-4.4彭军，陈根林.煤矿全断面（矩形）掘进机的截割阻力分析研究 J.煤矿机电，2 0 18（4）：7 4-7 7.5李朋朋.掘进机动力学分析及电控箱减振研究 D.太原：太原理工大学,2 0 17.6杜道.掘进机电控箱振动分析及减振方法研究 D.太原：太原理工大学,2 0 15.7樊莉莉.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 J.煤矿现代化,2 0 2 0（6）：2 0 0-2 0 3.8郑惠强，李爱红，石来德，等.边坡成型机动臂结构的谐响应分析 C/中国工程机械学会2 0 0 3年年会论文集.上海，2003:327-330.9张智斌.矿用掘进机截割头的振动性能研究 J.矿业装备，2022(1):254-255.10刘勇，李晓豁.冲击破岩掘进机工作机构振动特性分析 J.矿山机械，2 0 2 2,50（4)：6-10.作者简介：黄达（19 9 1一），男，助理工程师。2 0 19 年毕业于燕山大学（硕士学位），现主要从事工程装备设计研究工作。（收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 9；责任编辑：任雨晴）-4#点-8#点8012016020010-6L0频率/Hz40(c)z方向80120160200频率/Hz