EBZ260H掘進(jìn)機(jī)電控箱減震效果對(duì)比仿真分析

孫雁波，趙月林

(山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司，山西 太原 030030)

EBZ260H掘進(jìn)機(jī)電控箱減震效果對(duì)比仿真分析

孫雁波，趙月林

(山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司，山西 太原 030030)

云南滇東能源礦使用的EBZ260H掘進(jìn)機(jī)電控箱減震墊在截割工作過程中經(jīng)常損壞。針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)減震墊的數(shù)目和布置方式進(jìn)行了改進(jìn)，將減震墊數(shù)目由原來的4個(gè)增加到6個(gè)，布置方式更加均勻化，并利用Workbench對(duì)兩種減震方案進(jìn)行諧響應(yīng)分析，比較兩種方案的共振振幅可知，6個(gè)減震墊的減震方案可以明顯減小掘進(jìn)機(jī)在工作中對(duì)電控箱及減震墊的震動(dòng)損害。

掘進(jìn)機(jī)；電控箱；減震墊；共振振幅；仿真分析

掘進(jìn)機(jī)電控箱在截割工作過程中會(huì)受到劇烈的振動(dòng)和沖擊，過于強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)造成箱內(nèi)電氣元件出現(xiàn)失靈、脫落、焊接點(diǎn)疲勞破壞等現(xiàn)象，進(jìn)而影響掘進(jìn)機(jī)的正常工作。

云南滇東能源礦使用的EBZ260H掘進(jìn)機(jī)，其電控箱減震墊經(jīng)常損壞。針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)人員對(duì)減震墊的數(shù)目和布置方式進(jìn)行了改進(jìn)，具體措施為將減震墊數(shù)目由原來的4個(gè)增加到6個(gè)，布置方式相對(duì)于以往也更加均勻化。利用ANSYS Workbench對(duì)兩種減震方案進(jìn)行諧響應(yīng)分析，比較電控箱豎直方向第一階的共振振幅，進(jìn)而判斷哪種方案更加合理。

兩種減震方案的電控箱模型圖分別見圖1，圖2.

圖1 減震墊數(shù)目為4的電控箱模型圖

圖2 減震墊數(shù)目為6的電控箱模型圖

1 ANSYS Workbench軟件

1.1 軟件概述

ANSYS仿真協(xié)同環(huán)境的目標(biāo)是：通過對(duì)產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實(shí)施，搭建一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、集成多學(xué)科異構(gòu)CAE技術(shù)的仿真系統(tǒng)。以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM為核心，組建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品研制虛擬仿真團(tuán)隊(duì)，基于產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制的并行仿真和異地仿真。所有與仿真工作有關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個(gè)統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個(gè)環(huán)境中完成。

開發(fā)這個(gè)協(xié)同仿真環(huán)境的平臺(tái)便是ANSYS Workbench.

1.2 與傳統(tǒng)對(duì)比

基于Workbench的仿真環(huán)境有3點(diǎn)與傳統(tǒng)仿真環(huán)境有所不同：

1) 客戶化。Workbench像PDM那樣，利用與仿真相關(guān)的API，根據(jù)用戶的產(chǎn)品研發(fā)流程特點(diǎn)開發(fā)實(shí)施成仿真環(huán)境，而且用戶自主開發(fā)的API與ANSYS已有的API平等。這一特點(diǎn)也稱為“實(shí)施性”。

2) 集成性。Workbench把求解器看作一個(gè)組件，不論由哪個(gè)CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中經(jīng)過簡單開發(fā)都可直接調(diào)用。

3) 參數(shù)化。Workbench與CAD系統(tǒng)的關(guān)系不同尋常。它不僅直接使用異構(gòu)CAD系統(tǒng)的模型，而且建立與CAD系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動(dòng)關(guān)系。

結(jié)合世界制造業(yè)信息化主旋律，在數(shù)字化工程背景下審視這3個(gè)特點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)Workbench將給產(chǎn)品研發(fā)流程帶來革命性的變化。

2 分析過程

2.1 有限元模型的建立

該分析屬于單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，激振力由后支承傳遞到電控箱。由于是對(duì)比分析，所以只要保證在分析過程中，兩種方案所使用電控箱模型的質(zhì)量一致即可。具體的簡化步驟如下：

1) 簡化掉電控箱內(nèi)部的電氣元件及連接板。

2) 簡化掉螺栓墊圈等連接零件和電纜進(jìn)出口連接裝置。

3) 簡化掉減震墊，在分析中使用彈簧來模擬其減震效果。

電控箱簡化后的模型見圖3.

圖3 電控箱簡化后模型圖

將簡化后的三維模型導(dǎo)入Workbench的DS中。諧響應(yīng)分析對(duì)模型網(wǎng)格的質(zhì)量要求并不高，這里設(shè)置單元尺寸的大小為25 mm. 劃分網(wǎng)格后的有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為153 463，單元數(shù)為49 851.

劃分網(wǎng)格后的電控箱模型見圖4.

圖4 電控箱劃分網(wǎng)格后的有限元模型圖

2.2 載荷和約束的施加

通過模態(tài)分析，得出兩種減震方案豎直方向的第一階固有頻率分別為29.4 Hz和33.1 Hz. 設(shè)置諧響應(yīng)分析的頻率為0～50 Hz，頻率間隔為5 Hz.

減震墊的具體參數(shù)為：重量m=3.1 kg，剛度k=10 000 kg/cm，固有頻率ωn=25 Hz，阻尼比ζ=0.12. 通過減震墊參數(shù)，計(jì)算分析用彈簧參數(shù)如下：

1) 剛度k=10 000 kg/cm=10 000 N/mm

2) 阻尼с=2mwnζ=2×3.1×25×0.12=18.6 N·s/m=0.018 6 N·s/mm

載荷和邊界條件的施加如下：

1) 在模型樹的Connections分支處插入彈簧約束，利用彈簧模擬電控箱與連接板之間的減震墊。設(shè)置彈簧的剛度為10 000 N/mm，阻尼為0.018 2 N·s/mm.

彈簧的參數(shù)設(shè)置見圖5.

圖5 彈簧參數(shù)設(shè)置圖

2) 采用對(duì)系統(tǒng)施加豎直方向加速度的方法，來施加激振力。豎直方向的最大振動(dòng)加速度由試驗(yàn)檢測所測得，大小為1 g，即9 800 mm/s2.

3) 約束后支承與電控箱連接板的底面。

完成載荷和約束施加的模型見圖6，圖7.

圖6 方案一施加載荷和約束后的模型圖

圖7 方案二施加載荷和約束后的模型圖

2.3 結(jié)果分析

兩種方案的頻率幅值響應(yīng)曲線見圖8，圖9.

方案一：4個(gè)減震墊豎直方向的第一階固有頻率為29.4 Hz，由圖8可知，當(dāng)激振力的頻率與其第一階固有頻率接近時(shí)，系統(tǒng)由于共振而使振幅增大，最大振幅為6.68 mm.

方案二：6個(gè)減震墊豎直方向的第一階固有頻率分別為33.1 Hz，由圖9可知，當(dāng)激振力的頻率與其第一階固有頻率接近時(shí)，系統(tǒng)由于共振而使振幅增大，最大振幅為1.09 mm.

圖8 4個(gè)減震墊的頻率幅值響應(yīng)曲線圖

圖9 6個(gè)減震墊的頻率幅值響應(yīng)曲線圖

比較兩種方案的共振振幅可知，方案二6個(gè)減震墊的減震方案可以明顯減小掘進(jìn)機(jī)在工作中對(duì)電控箱及減震墊的振動(dòng)損害。

3 分析結(jié)論

從減小應(yīng)力幅值的角度考慮，6個(gè)減震墊的減震方案中，每個(gè)減震墊的應(yīng)力幅值比4個(gè)減震墊中的都相應(yīng)的小一些，所以就減小減震墊的應(yīng)力和延長減震墊的壽命這兩方面來說，方案二比方案一更好一些。但就箱體內(nèi)部電氣元件的減震效果來說，方案二比方案一要差一些。希望相關(guān)設(shè)計(jì)人員綜合考慮減震墊的壽命和電氣元件的減震效果兩個(gè)方面，確定合理的減震方案。

[1] ANSYS13.0/LS-DYNA非線性有限元分析[M].北京：機(jī)械工程出版社，2011：17-18.

[2] 張 媛，徐月慧，周 東，等.帶式輸送機(jī)用輸送帶震動(dòng)變形分析[J].煤礦機(jī)械，2015(12)：129-130.

[3] 苗繼軍.EBH160橫軸掘進(jìn)機(jī)電機(jī)箱體有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2015(4)：130-132.

[4] 張 楠，劉玉濤，溫建波.基于ANSYS Workbench的EBZ260掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2013(2)：95-97.

Comparison and Simulation Analysis on Shock Absorbing Effect for EBZ260H Tunneling Machine

SUN Yanbo, ZHAO Yuelin

The electronic control box shock-absorbing pad for EBZ260H heading machine used in a coal mine in Diandong energy Yunnan province is often damaged during operation. The number and location of cushioning pads have been adjusted for improvement purpose with the number increased from the original four to six, and a Workbench is also introduced to test the effect. Comparison of the resonance amplitude of the two schemes shows that the number of six scheme reduce the resonance amplitude obviously.

Tunneling machine; Electric control box; Shock absorber; Resonance amplitude; Simulation analysis

2017-04-18

孫雁波(1981—)，男，山西大同人，2007年畢業(yè)于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 工學(xué)碩士，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)械的設(shè)計(jì)研究工作

(E-mail)sxmjyjs@126.com

TD421.5

B

1672-0652(2017)06-0021-03