EBZ260W 掘进机电控箱减振的优化设计研究

葛玉生

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037017）

EBZ260W 悬臂式掘进机集破煤、装煤、运煤于一体，在全岩巷道掘进作业时，因岩石硬度较高会导致设备发生剧烈的振动与冲击，进而影响到电控箱的安全，使得电控箱电子控制元件发生失效，导致设备因故障发生安全事故。晋能控股煤业集团云岗矿EBZ260W悬臂式掘进机电控箱带有减振器，但在井下复杂条件及长时间高强度作业状态下，自带减振器的减振表现一般，无法有效实现减振效果，无法保障电控箱电子控制元件的安全。因此，对该矿EBZ260W 悬臂式掘进机电控箱减振器进行改进优化设计[1-5]，提高其减振效果是非常有意义的。

1 EBZ260W 型掘进机及电控箱分析

EBZ260W 悬臂式掘进机由上海煤科研制，该设备整机采用准刚性设计，具有“人”字齿传动、8～10 MPa 高压内喷雾、红外检测等技术，满足硬度≤f9 的全岩巷道的掘进施工，并可实现离机远程遥控操作。该掘进机结构如图1，主要包括铲运机构、截割头、悬臂、行走机构、减振器、电控箱等部件。设备通过截割头的旋转和履带推进实现钻进运动对工作面进行切割，电控箱安装在机体尾部，通过减振器减小机体振动向电控箱的传递。

图1 EBZ260W 悬臂式掘进机结构示意图

EBZ260W 悬臂式掘进机采用KXJ2-400/1140（660）E 掘进机用隔爆兼本质安全型电控箱。在掘进机电控箱与后支撑间均匀安装有4 个隔绝振动的减振器，4 个减振器安装在四个对称角上，主要是使得每个位置的减振器受力均匀。电控箱与减振器的力学模型如图2。

图2 提升措施实施前后不同类型问题占比图

图2 电控箱与减振器的力学模型示意图

从图中可知，电控箱中心与四个减振器中心重合，该设计可有效避免因电控箱安装不平衡导致偏力对电控箱的作用，提高减振效果。

2 减振器的优化分析

EBZ260W 悬臂式掘进机采用的是以往传统型橡胶隔振器。橡胶材料的优点在于具有足够的内阻尼，橡胶本身具有一定的缓振效果，另外可以根据要求制作成各种形状，基于橡胶内部会具有内摩擦力，会起到断绝出现隔振器的共振现象。橡胶材料的缺点在于：当固有频率低于5 Hz 以下时橡胶隔振器无法使用，同时橡胶隔振器的静态压缩量也不能太大，另外当设备受热过高就会导致橡胶隔振器损坏而失效。

针对传统橡胶减振器存在的以上问题，在传统橡胶减振器上进行优化改造设计，提出了一种新型的锥形减振器，其结构如图3 所示。该减振器主要由金属型、承压盖、弹性体、支撑座、安装孔和金属夹层等部件组成。

图3 新型的锥形减振器结构示意图

新型锥形减振器的尺寸与原传统橡胶减振器的尺寸保持一致，中部金属芯与支撑座采用橡胶连接，角度设计为5°。外部支撑座高度设计要高于橡胶体部分，可以有效增加设备在竖直方向上的缓振能力。在新型锥形减振器中间橡胶体区域增加了金属层，用来提高设备的工作强度。设备金属夹层的X方向设置为不完全封闭的锥型结构，该设计可以有效地提升X 方向上的减振能力。新型锥形减振器从部件材料使用、结构设计、受力情况上进行了优化，有效地解决了以往传统橡胶减振器橡胶与金属贴合度较差、承载能力小等问题，有效地提高了竖直和水平方向上的缓振效果。

对新型锥形减振器和传统橡胶减振器进行动载荷下应力分布测试分析，两者最大应力分别为34.8 MPa、14.9 MPa，两者橡胶体的最大变形量分别为0.88 mm、1.33 mm。这一数据可以说明，优化设计后的新型锥形减振器强度较高，缓振效果更好。

3 电控箱振动试验及结果分析

EBZ260W 悬臂式掘进机采用新型的锥形减振器后，采用掘进机截割人工岩壁的振动试验，来研究电控箱隔振系统性能。人工岩壁试验场采用卵石、细砂、水泥按一定比例混合，制备成普氏系数f=6的岩壁，如图4。

图4 人工岩壁试验场及试验掘进机

EBZ260W 悬臂式掘进机在空载、向左截割、向下截割、钻进4 种不同工况下进行截割运动，采用动态数据采集仪实时记录截割过程中电控箱的振动数据。其中x 为人工岩壁水平方向，y 为人工岩壁钻进方向，z 为人工岩壁竖直方向。

电控箱在空载、向左截割、向下截割、钻进4种不同工况下时域内振动最大值和平均值见表1。对比以往应用传统橡胶减振器时电控箱时域振动数据可知，应用新型锥形减振器后，电控箱在空载、向左截割、向下截割、钻进4 种不同工况的隔振效果比较明显，电控箱振幅平均值全部小于2 m/s2，符合设计要求。

表1 振动数据时域统计（单位：m/s2）

对振动过程的实时合成振动数据进行的频域分析，结果如图5 所示。

图5 电控箱频域振动分析

在频域统计中，电控箱的振动能量主要集中在低频段，是造成电控箱时域内最大值较大的主要原因，高频信号的振动能量较小，因此可以说明新型锥形减振器对于隔振系统对高频信号具有较好的隔振效果，对比以往应用传统橡胶减振器来讲，在低频段时的振动速度较低，减振效果明显。

4 实践应用效果

当前EBZ260W 悬臂式掘进机已完成新型锥形减振器的优化改造设计及安装调试，设备在晋能控股煤业集团云岗矿井下岩巷的掘进作业中进行了实践应用，截割对象主要为砂岩。三个月时间以来，掘进机减振器装置整体运行正常，对电控箱起了有效的隔振效果，电控箱电子控制元件功能可靠，没有一起因振动问题而形成的电控箱电子控制元件失效的故障发生。