掘进机截割主轴振动分析

 白文林

 （阳煤集团新景矿，山西  阳泉  045000）

摘要：介绍了掘进机截割主轴振动分析的必要性。根据模态分析理论，应用UG三维建模软件建立主轴实体模型，应用ANSYS软件对主轴进行模态分析，得到了主轴前6阶固有频率和振型；根据模态分析结果进行谐响应分析，得到了在不同频率激励下主轴的位移响应。

关键词：掘进机；主轴；振动分析中图分类号：TD4 21.5

0  引言

 掘进机是煤矿综掘工作面主要的开采设备，在煤矿中有着非常广泛的应用，是现代化巷道掘进的重要设备。截割部作为悬臂式掘进机的核心部件，是破煤的主要机构，它由截割头、截割主轴、减速器和电机组成。由于巷道煤质、岩石硬度较硬，对掘进机截割机构（特别是截割主轴）的要求较高，且截割头受冲击载荷较大，这就对主轴的加工精度、振动特性提出了较高的要求。当主轴发生振动时势必会影响掘进机的整机性能，加速掘进机构轴承等部件的失效，因此对截割主轴进行振动分析是很有必要的。

1模态分析理论

 模态分析是机械振动中重要的分析方法，通过模态分析可以了解机构的固有频率，是机构前期动态设计及故障诊断的重要基础。常用的振动分析有实验法和有限元法。实验法适用于得到产品样机的情况下进行分析研究，无法在设计初期进行预测，同时成本高、周期长，所以在实际应用中有一定的局限性；有限元法可以在产品设计前期对产品进行预测，大大缩短了产品设计周期，减少了设计开发成本。

由机械振动学理论，可得系统运动微分方程为：

 当忽略阻尼与外力的情况下，得到对理想机构进行模态分析的无阻尼振动方程：

2有限元模态分析

 对于系统而言，低阶固有频率对系统响应影响较大，高阶频率影响甚微，所以本文只对主轴的前6阶频率进行分析。在UG中建立主轴三维模型，通过AN-SYS的中间格式ig s将模型导入ANSYS软件。根据实际工况，在ANSYS中对主轴进行网格划分、添加约束与载荷，设置求解模态阶数为6。在模态分析后处理模块中得到主轴前6阶固有频率和振型，如图1所示。

 为了更为直观明了地分析系统的固有频率和振型，根据图1的模态分析结果，得到截割主轴前6阶固有频率和振型，如表1所示。

  3谐响应分析

 谐响应分析是用于分析系统在承受简谐变化规律载荷下系统的响应，主要分析目标通常为位移随频率的变化关系。在谐响应分析中，系统的固有频率可通过前面的模态分析得到，本文通过有限元模态分析方法获得截割主轴的第1阶固有频率为939.5 Hz，又考虑电机等激励频率，所以选择谐响应分析频率范围为0 Hz～2 000 Hz。

  在实际工作过程中，在掘进机进给的同时会受到煤岩的工作阻力，通过掘进机正常工作下的进给速度与岩石硬度，换算成进给方向及主轴轴向反力F r=16 000 N，径向方向的反作用力F y=3 000 N，截割主轴综合受力为16 279 N。如图2所示。在施加以上简谐力的激励下，通过谐响应分析可以求出破碎机主轴的Y向位移一频率变化关系曲线，如图3所示。

4结论

  介绍了掘进机在煤矿领域中的应用，应用有限元模态分析法得出了破碎机主轴前6阶固有频率和振型。基于换算得到截割主轴的受力及模态分析结果，通过谐响应分析得到该主轴在不同频率激励下的响应，在共振频率939.5 Hz下位移响应为0.015 mm，当处于电机激励频率50 Hz下，振幅很小，可以忽略。

 综上所述，通过模态分析和谐响应分析可以得到系统应力与应变随频率的变化响应，可使设计者在设计前期了解系统的振动响应，成功避开系统共振等有害影响。