EBZ260W 掘進機電控箱減振的優(yōu)化設計研究

葛玉生

（晉能控股煤業(yè)集團云崗礦，山西 大同 037017）

EBZ260W 懸臂式掘進機集破煤、裝煤、運煤于一體，在全巖巷道掘進作業(yè)時，因巖石硬度較高會導致設備發(fā)生劇烈的振動與沖擊，進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，導致設備因故障發(fā)生安全事故。晉能控股煤業(yè)集團云崗礦EBZ260W懸臂式掘進機電控箱帶有減振器，但在井下復雜條件及長時間高強度作業(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 懸臂式掘進機電控箱減振器進行改進優(yōu)化設計[1-5]，提高其減振效果是非常有意義的。

1 EBZ260W 型掘進機及電控箱分析

EBZ260W 懸臂式掘進機由上海煤科研制，該設備整機采用準剛性設計，具有“人”字齒傳動、8～10 MPa 高壓內噴霧、紅外檢測等技術，滿足硬度≤f9 的全巖巷道的掘進施工，并可實現(xiàn)離機遠程遙控操作。該掘進機結構如圖1，主要包括鏟運機構、截割頭、懸臂、行走機構、減振器、電控箱等部件。設備通過截割頭的旋轉和履帶推進實現(xiàn)鉆進運動對工作面進行切割，電控箱安裝在機體尾部，通過減振器減小機體振動向電控箱的傳遞。

圖1 EBZ260W 懸臂式掘進機結構示意圖

EBZ260W 懸臂式掘進機采用KXJ2-400/1140（660）E 掘進機用隔爆兼本質安全型電控箱。在掘進機電控箱與后支撐間均勻安裝有4 個隔絕振動的減振器，4 個減振器安裝在四個對稱角上，主要是使得每個位置的減振器受力均勻。電控箱與減振器的力學模型如圖2。

圖2 提升措施實施前后不同類型問題占比圖

圖2 電控箱與減振器的力學模型示意圖

從圖中可知，電控箱中心與四個減振器中心重合，該設計可有效避免因電控箱安裝不平衡導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 懸臂式掘進機采用的是以往傳統(tǒng)型橡膠隔振器。橡膠材料的優(yōu)點在于具有足夠的內阻尼，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，基于橡膠內部會具有內摩擦力，會起到斷絕出現(xiàn)隔振器的共振現(xiàn)象。橡膠材料的缺點在于：當固有頻率低于5 Hz 以下時橡膠隔振器無法使用，同時橡膠隔振器的靜態(tài)壓縮量也不能太大，另外當設備受熱過高就會導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)橡膠減振器上進行優(yōu)化改造設計，提出了一種新型的錐形減振器，其結構如圖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構示意圖

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，角度設計為5°。外部支撐座高度設計要高于橡膠體部分，可以有效增加設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，用來提高設備的工作強度。設備金屬夾層的X方向設置為不完全封閉的錐型結構，該設計可以有效地提升X 方向上的減振能力。新型錐形減振器從部件材料使用、結構設計、受力情況上進行了優(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)橡膠減振器進行動載荷下應力分布測試分析，兩者最大應力分別為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)化設計后的新型錐形減振器強度較高，緩振效果更好。

3 電控箱振動試驗及結果分析

EBZ260W 懸臂式掘進機采用新型的錐形減振器后，采用掘進機截割人工巖壁的振動試驗，來研究電控箱隔振系統(tǒng)性能。人工巖壁試驗場采用卵石、細砂、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 人工巖壁試驗場及試驗掘進機

EBZ260W 懸臂式掘進機在空載、向左截割、向下截割、鉆進4 種不同工況下進行截割運動，采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀實時記錄截割過程中電控箱的振動數(shù)據(jù)。其中x 為人工巖壁水平方向，y 為人工巖壁鉆進方向，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4種不同工況下時域內振動最大值和平均值見表1。對比以往應用傳統(tǒng)橡膠減振器時電控箱時域振動數(shù)據(jù)可知，應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，符合設計要求。

表1 振動數(shù)據(jù)時域統(tǒng)計（單位：m/s2）

對振動過程的實時合成振動數(shù)據(jù)進行的頻域分析，結果如圖5 所示。

圖5 電控箱頻域振動分析

在頻域統(tǒng)計中，電控箱的振動能量主要集中在低頻段，是造成電控箱時域內最大值較大的主要原因，高頻信號的振動能量較小，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，對比以往應用傳統(tǒng)橡膠減振器來講，在低頻段時的振動速度較低，減振效果明顯。

4 實踐應用效果

當前EBZ260W 懸臂式掘進機已完成新型錐形減振器的優(yōu)化改造設計及安裝調試，設備在晉能控股煤業(yè)集團云崗礦井下巖巷的掘進作業(yè)中進行了實踐應用，截割對象主要為砂巖。三個月時間以來，掘進機減振器裝置整體運行正常，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，沒有一起因振動問題而形成的電控箱電子控制元件失效的故障發(fā)生。