矿井掘进机电控箱减震器多工况模拟研究与分析

霍建钰

(潞安化工集团有限公司 常村煤矿，山西 长治 046102)

悬臂式掘进机在我国煤矿井下应用广泛，具有掘进高效、掘巷成本低、适应能力强等诸多优点。但我国生产的掘进机在减震降噪方面与国外产品有较为明显的差距。受掘进过程中外界激励及机体本身共振等多重因素影响，掘进机电控箱内部重要元器件易受损，进而影响掘进机工作的稳定性，通过在电控箱内部安装减震器可降低机体共振的影响，提高机体内部电子元器件工作的稳定性[1-5]。本文通过模拟不同工况下电控箱减震器的变形及应力特征，确定合适的掘进机电控箱减震方案。

1 数值模型建立

本文选择筒状橡胶减震器作为研究对象，利用ANSYS建立网格模型，为便于模型求解，网格模型忽略减震器中的倒角、圆角及不平整表面。确定网格数量为5 500个，如图1所示，其中橡胶和钢圈层的材料属性如表1所示。

表1 橡胶及钢圈材料参数

图1 橡胶减震器网格模型

图2 内钢圈受力示意

受底座限制，外层钢圈无自由度，因此对其施加三向约束荷载，内层钢圈直接受销轴影响，因此对其施加等效荷载。在掘进作业过程中，内层钢圈成正弦曲线规律分布，具体如图2所示，并可得式(1)。

(1)

式中：P0为压力系数，r为受力半径，b为钢圈轴距。

通过对橡胶减震器施加外部约束获得如图3所示的约束模型，通过分析图3可知，从钢圈正下部向钢圈中部，载荷逐渐减小。

2 模拟结果分析

在掘进机截割过程中，由于受外界激励及内部震动影响，机体沿3个空间维度方向发生震动，假设机体所安装的各个减震器受载相同，为反映矿井真实工作条件，模拟方案通过设置不同大小的径向和轴向载荷，进行减震器应力变化及变形特征研究分析，验证在表1所述材料特征下，减震器能否保证掘进机机体平稳工作。

图3 施加外部约束条件后的橡胶减震器模型

2.1 工况一

通过1.40 kN、2.7 kN、4.06 kN、5.35 kN、6.72 kN、8.03 kN的径向压缩载荷作用于橡胶减震器，获得的变形特征和受力特征示意见图4。

图4 不同径向载荷下橡胶减震器变形及受力特征

分析图4可知，随着径向载荷逐渐增大，橡胶减震器变形量及承载逐渐增加，且变形特征变化逐渐变缓，但最大应力变化逐渐加快。径向载荷从1.40 kN增至8.03 kN，橡胶减震器变形量从1.04 mm增至5.43 mm，最大应力由0.19 MPa增至2.84 MPa。因此结合减震器变形及受力特征，通过合理调节其刚度可实现更好的减震效果。

以径向载荷6.72 kN为例，由于橡胶上部区域受载比下部小，因此造成减震器受力不均，内部出现做功现象，引起减震器内部升温，使减震橡胶材料产生疲劳，针对上述问题可以在橡胶区域内部穿插钢丝增强该区域的抗疲劳能力，同时，该径向载荷下减震器最大应力为2.03 MPa，远低于橡胶的极限强度370 MPa，故受力情况满足强度需求。

2.2 工况二

通过1.40 kN、2.06 kN、2.70 kN、3.37 kN、4.06 kN、4.70 kN、5.35 kN的轴向拉伸载荷作用于橡胶减震器，获得的变形特征和受力特征示意见图5。

图5 不同轴向载荷下橡胶减震器变形及受力特征

基于图5分析可知，随着轴向载荷的增大，橡胶减震器变形特征和受力特征均不断增大，呈现非线性特征。轴向载荷从1.40 kN增至5.35 kN时，橡胶减震器变形量从1.44 mm增至5.83 mm，最大应力由0.26 MPa增至1.40 MPa。当载荷为4.06 kN时，应力最大值0.88 MPa，远小于其极限强度。

3 结 语

本文通过对矿井掘进机电控箱减震器进行数值模拟分析，确定不同工况条件下的橡胶减震器的变形特征和应力特征，认为轴向受力条件下，橡胶减震圈变形较小，其受力最大值均远小于材料的极限强度，但在径向载荷作用下，减震器下方易产生疲劳损耗，通过内部穿插钢丝来提高材料的强度，避免机体失稳。