矿用EBG200B 型掘进机截割部结构模态振型分析

王东东， 许向前

（晋能控股煤业集团成庄矿， 山西 晋城 048000）

引言

煤炭资源存储的地质条件非常的恶劣，对开采设备关键部件的工作性能要求非常高，要求开采设备具有一定的使用寿命能够保证煤炭开采作业的连续进行[1-3]。掘进机是开辟煤炭开采巷道的重要专业设备，在对开采工作面进行掘进的时候会遇到许多不可预见的地质障碍物，主要为坚硬的岩石体。掘进机在开辟工作面通道的时候，不可避免地会与坚硬物质发生切削作用，从而造成掘进机整体结构的振动。掘进机在开辟通道的时候会根据掘进工作进程的不同而调整不同的姿态以完成掘进作业，因此，掘进机截割部结构一直会不断地调整位置和姿态，从而带动截齿在四周不同的方位进行连续的调整，截割部结构的受力状态就会随着不同的姿态而发生改变，对于整体结构的动态特性影响也非常的大，将直接决定截割部开采煤炭的能力和效率。

1 EBG200B 型掘进机结构及功能特性

1.1 EBG200B 型掘进机结构

EBG200B 型掘进机是目前大型现代化煤矿企业常用的掘进设备，可以很好地适应现代煤矿开采发展的工作性能要求。该类型掘进机与其他类型常见的掘进机组成部件大致相同，主要分为装载部、截割部、本体部、后稳定装置、运输部、行走部等六大关键部件[4]，为了带动六个关键部件的运转，主要通过掘进机的四大系统进行驱动，分别为液压系统、喷水降尘系统、润滑系统、电气系统[5]。其中最关键的部件为截割部结构，该结构是直接与地层物质进行接触并进行破碎作业的关键部件，由驱动箱带动转动轴进行高速旋转，通过变速箱进行变速，使截割部结构能够在一定角速度下进行旋转，通过截齿与煤炭或岩石进行切割，开辟出新的开采通道。为提高切削力度，截割部结构的切割头为圆锥形结构，EBG200B型掘进机的切割头直径为1 300 mm，通常采用88 个截齿，每一个截齿按照一定的角度进行集中布置，具有耐冲击、耐腐蚀、使用寿命较强的特点[6]，如图1 所示。

图1 EBG200B 型掘进机结构示意图

1.2 功能特性

EBG200B 型掘进机的截割部部分与其他掘进机有一定的区别，其滚筒部件与悬臂部件是呈垂直的关系，该类型掘进机的最大工作高度为5.8 m，最大的切割宽度为9.8 m，可切削的岩层硬度较大，最大硬度可达到12 级。为了提高工作效率，将该类型掘进机设计为装煤和运煤相分离的工作系统，减小了掘进机在掘进工作面的时候发生安全生产事故的概率并且提高了装卸煤炭的工作性能。EBG200B 型掘进机尤其适合于当代煤矿生产大断面巷道开采，工作稳定性较好且使用寿命较长。

2 三维实体建模

2.1 截割部三维建模

由于本次研究的主要对象为掘进机的截割部结构，按照实际尺寸1∶1 的比例对截割部结构建立起三维模型，对于螺栓、螺母、连接板等零碎性部件进行简化，可以提高划分有限元仿真网格的质量以及求解速度。将截割头结构与伸缩臂进行分别建模，并将两者进行装配组合在一起形成截割部结构，如下页图2 所示。

图2 EBG200B 型掘进机截割部

2.2 掘进机三维建模

由于掘进机除了截割部结构以外，还包括其他关键部件，分别为装载部、本体部、后稳定装置、运输部、行走部等五大关键部件。上述几个部件也是组成掘进机开采工作的重要部件，为了提高整体结构的仿真准确性，应精准地建立起其他部件的三维模型。由于上述部件与截割部结构是直接相联系，应按照对截割部结构的三维模型建模标准进行同样的模型建立准则，并将主要的6 个部件装备在一起，作为后期仿真分析，划分网格单元的模型本体，以此通过各个部件之间的相互配合建立起EBG200B 型掘进机三维结构模型，如图3 所示。

图3 EBG200B 型掘进机三维结构模型

3 仿真结果分析

3.1 运动关系定义

按照实际工况运转条件，对决定及各个部件之间的相互运动关系进行准确的设定，将主要的重心位置设置于掘进机转台的中央部位，利用Adams 动力学分析软件对每个运动主体的惯性属性进行设定。通过设定运动副相等条件将掘进机在360°转动方向运动的转台运动形态进行参数规定，并设定每个部件的质量属性，通过对边界条件的约束，设定掘进机各个支撑零部件的仿真运动模型结构。

3.2 网格划分

基于三维模型结构对掘进机截割部结构进行网格划分，采用SOLID60 结构体单元，应用4 个截面6节点的高精度网格单元对于畸形网格进行整体合并，要求网格四面体夹角必须大于45°。通过对掘进机整体网格的划分，网格数目为1 216 631，节点数目为3 887 296，EBG200B 型掘进机网格单元结构示意图如图4 所示。

图4 EBG200B 型掘进机网格单元结构示意图

3.3 模态分析求解

对EBG200B 型掘进机截割部结构前6 阶模态进行分析，求解出每一阶模态的固有频率大小以及最大振幅发生的结构部位，以此可以判断出截割部结构最危险的振型特性。通过分析求解得出，EBG200B 型掘进机截割部结构最大振幅为第6 阶模态形态，如图5 所示。

图5 截割部6 阶模态振型示意图

由图5 分析求解结果可知，第一阶模态的频率为26.12 Hz，相对于截割部法兰固联约束，这一振型中最大振幅0.02 mm 位于截割电机外壳端一侧；第二阶模态的频率为27.27 Hz，相对于截割部法兰固联约束，这一振型中最大振幅0.013 mm 位于截割电机外壳端上部；第三阶模态的频率为81.29 Hz，相对于截割部法兰固联约束，这一振型中最大振幅0.003 mm 位于截割头一端截齿处；第八阶模态的频率为85.03 Hz，相对于截割部法兰固联约束，这一振型中最大振幅0.008 mm 位于截割臂外筒前端处；第四阶模态的频率为87.71 Hz，相对于截割部法兰固联约束，这一振型中最大振幅0.006 mm 位于截割臂外筒前端下部；第六阶模态的频率为88.29 Hz，相对于截割部法兰固联约束，这一振型中最大振幅0.016 mm位于截割臂伸缩内筒前端蝶形板处。

4 结论

通过仿真结果可以得知，要求EBG200B 型掘进机截割部机构在工作过程中应避开26.12 Hz、27.27 Hz、81.29 Hz、85.03 Hz、87.71 Hz、88.29 Hz 振动频率的载荷力作用。因此应加强对截割部结构中部的结构材料优化以及设置加强筋板。