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 白文林

 （陽煤集團新景礦，山西  陽泉  045000）

摘要：介紹了掘進機截割主軸振動分析的必要性。根據(jù)模態(tài)分析理論，應(yīng)用UG三維建模軟件建立主軸實體模型，應(yīng)用ANSYS軟件對主軸進行模態(tài)分析，得到了主軸前6階固有頻率和振型；根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果進行諧響應(yīng)分析，得到了在不同頻率激勵下主軸的位移響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：掘進機；主軸；振動分析中圖分類號：TD4 21.5

0  引言

 掘進機是煤礦綜掘工作面主要的開采設(shè)備，在煤礦中有著非常廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代化巷道掘進的重要設(shè)備。截割部作為懸臂式掘進機的核心部件，是破煤的主要機構(gòu)，它由截割頭、截割主軸、減速器和電機組成。由于巷道煤質(zhì)、巖石硬度較硬，對掘進機截割機構(gòu)（特別是截割主軸）的要求較高，且截割頭受沖擊載荷較大，這就對主軸的加工精度、振動特性提出了較高的要求。當(dāng)主軸發(fā)生振動時勢必會影響掘進機的整機性能，加速掘進機構(gòu)軸承等部件的失效，因此對截割主軸進行振動分析是很有必要的。

1模態(tài)分析理論

 模態(tài)分析是機械振動中重要的分析方法，通過模態(tài)分析可以了解機構(gòu)的固有頻率，是機構(gòu)前期動態(tài)設(shè)計及故障診斷的重要基礎(chǔ)。常用的振動分析有實驗法和有限元法。實驗法適用于得到產(chǎn)品樣機的情況下進行分析研究，無法在設(shè)計初期進行預(yù)測，同時成本高、周期長，所以在實際應(yīng)用中有一定的局限性；有限元法可以在產(chǎn)品設(shè)計前期對產(chǎn)品進行預(yù)測，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，減少了設(shè)計開發(fā)成本。

由機械振動學(xué)理論，可得系統(tǒng)運動微分方程為：

 當(dāng)忽略阻尼與外力的情況下，得到對理想機構(gòu)進行模態(tài)分析的無阻尼振動方程：

2有限元模態(tài)分析

 對于系統(tǒng)而言，低階固有頻率對系統(tǒng)響應(yīng)影響較大，高階頻率影響甚微，所以本文只對主軸的前6階頻率進行分析。在UG中建立主軸三維模型，通過AN-SYS的中間格式ig s將模型導(dǎo)入ANSYS軟件。根據(jù)實際工況，在ANSYS中對主軸進行網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷，設(shè)置求解模態(tài)階數(shù)為6。在模態(tài)分析后處理模塊中得到主軸前6階固有頻率和振型，如圖1所示。

 為了更為直觀明了地分析系統(tǒng)的固有頻率和振型，根據(jù)圖1的模態(tài)分析結(jié)果，得到截割主軸前6階固有頻率和振型，如表1所示。

  3諧響應(yīng)分析

 諧響應(yīng)分析是用于分析系統(tǒng)在承受簡諧變化規(guī)律載荷下系統(tǒng)的響應(yīng)，主要分析目標(biāo)通常為位移隨頻率的變化關(guān)系。在諧響應(yīng)分析中，系統(tǒng)的固有頻率可通過前面的模態(tài)分析得到，本文通過有限元模態(tài)分析方法獲得截割主軸的第1階固有頻率為939.5 Hz，又考慮電機等激勵頻率，所以選擇諧響應(yīng)分析頻率范圍為0 Hz～2 000 Hz。

  在實際工作過程中，在掘進機進給的同時會受到煤巖的工作阻力，通過掘進機正常工作下的進給速度與巖石硬度，換算成進給方向及主軸軸向反力F r=16 000 N，徑向方向的反作用力F y=3 000 N，截割主軸綜合受力為16 279 N。如圖2所示。在施加以上簡諧力的激勵下，通過諧響應(yīng)分析可以求出破碎機主軸的Y向位移一頻率變化關(guān)系曲線，如圖3所示。

4結(jié)論

  介紹了掘進機在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用，應(yīng)用有限元模態(tài)分析法得出了破碎機主軸前6階固有頻率和振型�；�于換算得到截割主軸的受力及模態(tài)分析結(jié)果，通過諧響應(yīng)分析得到該主軸在不同頻率激勵下的響應(yīng)，在共振頻率939.5 Hz下位移響應(yīng)為0.015 mm，當(dāng)處于電機激勵頻率50 Hz下，振幅很小，可以忽略。

 綜上所述，通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析可以得到系統(tǒng)應(yīng)力與應(yīng)變隨頻率的變化響應(yīng)，可使設(shè)計者在設(shè)計前期了解系統(tǒng)的振動響應(yīng)，成功避開系統(tǒng)共振等有害影響。