应用于刮板输送机的电动机动态特性分析

武鹏飞

(山西焦煤西山煤电股份有限公司 西曲矿，山西 古交 030200)

0 引言

随着高产高效矿井的建设，煤矿机械化、电气化以及自动化水平不断提高，对煤矿机电设备的要求也越来越高，要求其性能可靠稳定。煤矿井下目前主要的机电设备有刮板输送机、皮带机、转载输送机和采煤机，它们构成一个整体，实现对煤炭的开采和运输。作为以上设备的运动核心，电动机是传动装置中必不可少的电器设备，应用于煤矿领域的电动机除要求具有其他电机的功能外还要求具有防爆功能，是一种可以应用于易燃易爆场所的电机[1]。

1 刮板输送机

应用于西曲煤矿刮板输送机的传动装置示意图如图1所示。刮板输送机机头架组件主要由机头架与传动装置通过定位止口联接，减速器的输入端与联接罩和防爆电机相连，联接罩内有联轴器或者液力偶合器等，可将电机的转矩传递到减速器。通过图1可以看出，电机和联接罩一端是与减速器输入端的法兰联接，另一端呈悬空布置[2-3]。

刮板输送机启动过程为：电机高速旋转带动偶合器转动，通过减速器降低转速增大扭矩将动力传递给链轮组件，从而驱动刮板的平移，实现物料的运输。

在此过程中，电动机的高速旋转会对自身与其他结构件产生激励，又因为联接罩与电机是悬空布置，特别是电动机本身位于悬空结构的最外端，所以假如电机设计不合理，在外界激励的作用下产生共振，势必会导致径向跳动，造成联接法兰的受力不稳定，同时会对联轴器或液力偶合器造成影响，所以很有必要对电动机进行动态特性分析。

2 实验法和有限元法对比分析

目前，广泛采用实验法和有限元法对系统进行振动及动态特性分析。实验法需要产品样机和实验设备，所以无法在设计初期进行预测，具有一定的局限性，且成本较高。而有限元法可以在设计前期对产品进行振动预测，为产品的后续改进和优化提供依据。

本文应用三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件ANSYS Workbench对应用于某型号刮板输送机的电动机进行动态特性分析，由于低阶频率对系统的影响较大，因此只对电动机的前5阶频率进行模态分析，然后，以模态分析得到的频率为基础，对电动机进行谐响应分析，得到其位移与频率响应分布。特别是对电动机联接法兰的径向跳动以及对联轴器振动的影响进行预测，为后期的优化和结构改进提供理论基础[4]。

3 模型与有限元分析

通过应用某型号刮板输送机的防爆电机实际尺寸在三维建模软件SolidWorks中进行三维实体建模，忽略其接线槽、螺栓等无关零件，主要对其轴、机壳和散热盖进行建模，建模结果如图2所示。

图1刮板输送机传动装置联接示意图图2防爆电机三维实体模型

通过三维建模软件SolidWorks与有限元分析软件ANSYS的中间接口把模型导入ANSYS软件，在ANSYS中对其进行网格划分，并施加约束与载荷。电机轴施加转矩T(Nm)为：

(1)

其中：P为电机功率，kW；n为电机额定转速，r/min。

设置求解模态阶数为5进行求解。在模态分析后处理模块中得出电机前5阶固有频率和振型，如表1所示，前5阶固有频率所对应的振型如图3所示。

表1 电机前5阶固有频率和振型

图3 防爆电机前5阶振型云图

4 谐响应分析

谐响应分析主要分析结构系统在承受简谐力下的位移和应力随频率的变化关系。由于电机为三相交流电机，频率为50 Hz，因此通过有限元模态分析方法获得电机频率为0 Hz～50 Hz下系统的位移响应[5]。

在所施加简谐力的激励下，通过谐响应分析得到电动机的位移响应与法兰盘的径向变形，分别如图4、图5所示。

图4 电动机位移响应云图

图5 法兰盘的径向位移—频率变化曲线

从图4可以看到，当电动机处于共振频率50 Hz时，整体会发生共振，振动最大幅值为0.27 mm，最大变形位于壳体顶部。从图5中可以看出，电动机法兰盘的径向变形随着频率的增大而增大，当频率为50 Hz时，最大变形为0.132 mm，所以在该频率下电动机会出现轻微振动，但由于振动非常小，不影响正常使用。

5 结语

介绍了煤矿刮板输送机中防爆电机的振动与谐响应分析的重要性，应用有限元模态分析法得到了防爆电机的前5阶固有频率和振型。由于电机的主轴激励源于电动机主轴的旋转，因此在此激励下进行动态特性分析，结果表明，当电动机处于50 Hz频率的激励下，振动响应较小，电动机的动态特性及其径向跳动不影响联接法兰的联接及其稳定性。

参考文献：

[1] 陈国联,何秀伟.交流电机频率特性及参数的测取[J].电工技术学报,1989(2):60-64.

[2] 顾德军,栾华.2极中型异步电动机振动产生的原因及处理[J].防爆电机,2005,40(3):30-32.

[3] 连继中.中型异步电动机振动原因简析[J].防爆电机,2002(2):11-12.

[4] 杨俊华,吴捷,潘观海.同步电机频率特性与暂态时间常数关系的探讨[J].陕西科技大学学报,2006,24(2):76-80.

[5] 聂志恒.基于预应力分析的振动弧形筛动态特性分析[J].矿山机械,2017(2):45-50.