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Mar 09, 2024

Respuesta dinámica de una viga de cola de impacto de roca de carbón para soporte hidráulico

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 11535 (2022) Cite este artículo 533 Accesos 2 Citas Detalles de métricas Basado en la tecnología de acoplamiento bidireccional del Método de Elementos Discretos-Multi Flexible

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 11535 (2022) Citar este artículo

533 Accesos

2 citas

Detalles de métricas

Basado en la tecnología de acoplamiento bidireccional del Método de elementos discretos-Dinámica de cuerpos multiflexibles (EDM-FMBD), se establece una pared de carbón virtual mediante el uso del software de elementos discretos, EDEM. El modelo de acoplamiento rígido flexible de la viga de cola de los soportes de hundimiento se establece utilizando el software de dinámica multicuerpo, RecurDyn. La rigidez del cilindro de aceite se calcula utilizando la teoría del acoplamiento de resorte sólido-líquido y se reemplaza por un resorte. Al simular el proceso de colapso de una roca de carbón que impacta la viga de cola, se estudia la señal dinámica desde el colapso de la roca de carbón que impacta la viga de cola hasta el aplastamiento en la etapa de hundimiento de carbón de la cara de trabajo de hundimiento integral, y la prueba se lleva a cabo bajo tierra. La aceleración angular en el punto de articulación de la viga de cola es la mayor y muestra un patrón de variación de "grande en ambos extremos y pequeña en el medio". Se propone la definición de una "banda de baja amplitud" en la superficie del haz de cola. La señal de fuerza en el punto de articulación del eslabón delantero es la más fuerte y es el mejor punto de medición para el sensor de fuerza; La señal de aceleración angular en el punto de articulación del haz de cola es la más fuerte y es el mejor punto de medición para el sensor de aceleración angular. Los resultados tienen implicaciones prácticas para la identificación de la ganga del carbón y el control adaptativo del apoyo a la minería integrada del carbón superior.

La minería inteligente se ha convertido en la dirección del desarrollo y la tendencia de la minería del carbón segura y eficiente 1,2,3. El proceso de automatización de hundimiento de carbón en la minería de liberación integral no solo puede mejorar la tasa de extracción del carbón superior en la cara de trabajo de liberación integral y reducir la tasa de ganga, sino que también puede proteger la seguridad de los trabajadores de hundimiento de carbón4,5,6 y la respuesta dinámica. de roca de carbón colapsada como soporte hidráulico es la clave para la identificación precisa de roca de carbón hundida totalmente mecanizada. Académicos nacionales y extranjeros han realizado investigaciones exhaustivas sobre tecnología y equipos de carbón totalmente mecanizados. Jonathan et al.7 resumieron el estado de desarrollo de la tecnología de automatización subterránea y propusieron que el posicionamiento preciso de los equipos de minería y la detección de estructuras geológicas de vetas de carbón son las claves para la minería automática subterránea. Pytlik et al.8 La respuesta dinámica de la columna de soporte hidráulico y los resultados de las pruebas se pueden utilizar para determinar el límite elástico de la columna y el diseño óptimo de la válvula de seguridad. Hargrave et al.9 estudiaron el sistema de posicionamiento de una máquina minera de carbón y lo probaron bajo tierra. Xu Yajun et al.10 definieron y dividieron la zona de equilibrio mecánico y la capacidad portante del soporte según las diferentes situaciones de soporte del techo, y estudiaron los factores que influyen en la capacidad portante del soporte. Zhao Feng et al.11 propusieron un modelo de efecto de palanca para la falla de la viga de protección basado en las condiciones de trabajo del soporte hidráulico con marco alto y bajo uso, simularon y analizaron el modelo, y concluyeron que la viga de protección es extremadamente vulnerable a fracaso bajo el modelo del efecto apalancamiento. Wan Lirong et al.12 utilizaron impulso directo de roca de carbón para cargar la viga de cola para estudiar la respuesta dinámica de la viga de cola después de soportar la carga de impacto, lo que proporcionó una cantidad de referencia para el control dinámico del mecanismo de hundimiento. Li Qiang et al.13 simularon y analizaron las características del sistema hidráulico de la columna del soporte hidráulico durante el proceso de elevación de la columna, el proceso de descenso de la columna y la carga de impacto. También obtuvieron las curvas de respuesta dinámica de la presión de cada cilindro de la columna, la presión y el flujo de la válvula de seguridad bajo el proceso de elevación de la columna, el proceso de descenso de la columna y la carga de impacto. Zeng Qingliang et al.14 estudiaron la respuesta al impacto de la bisagra del soporte cuando las partículas de ganga de carbón impactaron el soporte hidráulico en el proceso de extracción de carbón superior basada en ABAQUS y exploraron la diferencia de tensiones en la bisagra del soporte. Xie Yunyue et al.15 estudiaron la ley de distribución de la presión específica de la placa inferior de un soporte hidráulico bajo una carga de impacto de pozo profundo. Hu Xiangxun et al.16 utilizaron cálculos numéricos para analizar los factores que influyen en la estabilidad estática y la estabilidad dinámica del soporte y proporcionaron un esquema para aumentar la estabilidad del soporte. Liu Wei et al.17 propusieron un método para detectar la interfaz de la ganga de carbón utilizando las características de vibración de la placa de acero de impacto de caída de la ganga de carbón. Zhang Ningbo et al.18 propusieron el método de medir e identificar la ganga mixta en la abertura del hundimiento del carbón en el proceso de hundimiento del carbón superior utilizando el rayo natural de la ganga del carbón. Jiang Lei et al.19 propusieron un método de reconocimiento de ganga de carbón utilizando la señal de vibración del haz de cola, y el rendimiento del reconocimiento fue mejor que el del modelo de red convencional. Shan Pengfei et al.20 utilizaron el método de reconocimiento de imágenes basado en el algoritmo mejorado Faster R-CNN para discriminar el estado de liberación de ganga de carbón, lo que proporcionó apoyo teórico para el reconocimiento preciso del hundimiento del carbón.

La literatura anterior no ha involucrado investigaciones sobre la respuesta dinámica del soporte hidráulico en el proceso de trituración elástica de la viga de cola por impacto de carbón y masa rocosa. Al mismo tiempo, existen pocos estudios sobre la mejor posición de instalación de los sensores de adquisición de información en una excavadora de carbón superior totalmente mecanizada para la identificación de carbón y rocas, y la confiabilidad de la adquisición de datos es baja. De acuerdo con las características de la mejor tecnología de minería de carbón, este artículo considera completamente el comportamiento elástico-plástico de la masa de roca de carbón y el comportamiento de deformación y fractura producido en el proceso de impacto de la viga de cola. Tomando el soporte superior de hundimiento de carbón ZFY21000-35.5-70D como objeto de ingeniería, este documento analiza la respuesta dinámica del soporte después de que una roca de carbón impacta la viga de cola y la mejor posición de instalación del sensor de monitoreo de hundimiento de carbón y adopta los medios para combinar análisis teórico y simulación numérica. Basado en la tecnología de acoplamiento bidireccional de EDM-FMBD, la pared de carbón virtual de derrumbe se establece utilizando el software de elementos discretos, EDEM, y el modelo de acoplamiento rígido flexible de la viga de cola del soporte superior de derrumbe de carbón se establece utilizando el Software de dinámica multicuerpo, RecurDyn. La aplicación de la teoría del acoplamiento de resorte sólido-líquido, la columna equivalente, el gato de equilibrio, la rigidez del gato de la viga de cola y el reemplazo del resorte simulan el proceso de la viga de cola por impacto del colapso de la roca de carbón. Se ha descubierto que la fuerza del punto de articulación de la viga protectora de la viga trasera y la fuerza del punto de articulación sobre el eslabón trasero cambian en la dirección de la longitud complementaria; el punto de articulación sobre el eslabón delantero es la mejor posición de instalación del sensor de fuerza para monitorear la fuerza durante hundimiento del carbón. Además, puede reducir el error de medición causado por la diferencia de la posición del impacto. La junta de bisagra de la viga de cola se selecciona como la mejor posición de instalación del sensor de aceleración angular, que se combina con el sensor de vibración abdominal de la viga de cola para monitorear la señal de vibración en el proceso de hundimiento del carbón. Los resultados de la investigación tienen importancia práctica para la identificación de la ganga de carbón y apoyan el control adaptativo en la minería de hundimiento de carbón superior totalmente mecanizada.

El modelo mecánico general del soporte de hundimiento de carbón superior se muestra en la Fig. 1. En la figura se puede ver que en el proceso de hundimiento de carbón superior, la roca de carbón rota rueda y se desliza después de impactar la viga de cola, y el acoplamiento mecánico entre ambos es muy complejo.

Modelo mecánico del soporte superior de hundimiento de carbón.

Para facilitar la investigación, el comportamiento dinámico de la roca de carbón que impacta la viga de cola es equivalente a que las partículas de roca de carbón con masa M choquen con la placa de metal elástica a una cierta velocidad de impacto V, y el modelo simplificado se muestra en la Fig. 2. La energía de las partículas de roca de carbón que se derrumban se convierte en parte en energía elástica de la colisión de partículas y la deformación por contacto y en parte en energía de deformación de la placa de metal. Cuando la velocidad de impacto de las partículas de roca de carbón es mayor que su velocidad de colisión inicial, se producirá deformación plástica. La energía de deformación de la placa metálica de la viga de cola, la velocidad de colisión de rendimiento inicial de la roca de carbón y la presión máxima de impacto se pueden obtener a partir de las Fórmulas (1) a (3):

donde F es la fuerza de contacto normal, X es la posición donde la roca de carbón impacta la viga de cola y EI es la rigidez a la flexión del metal.

donde R es el radio equivalente, E* es el módulo elástico equivalente, h es la deformación normal por compresión, hq es la fluencia normal y la deformación por presión, hmax es la deformación normal máxima por presión, M es la masa de roca de carbón y P es el límite elástico inicial.

Modelo simplificado de la viga de cola de impacto de roca de carbón.

El proceso de colapso de una roca de carbón que impacta la viga de cola implica el contacto entre partículas de roca de carbón y partículas y entre las partículas y la viga de cola. El contacto y la colisión entre partículas provoca un cambio de energía y una respuesta de impacto al haz de cola. En este artículo, se selecciona el modelo de Hertz-Mindlin con enlace como modelo de contacto entre las partículas de carbón y roca, y sus parámetros de contacto se pueden obtener a partir de las Fórmulas (4) a (7):

donde Kn es la rigidez normal, KS es la rigidez tangencial, Fn es la tensión normal, FS es la tensión tangencial, E es el módulo elástico de las partículas, μ es la relación de Poisson, R* es el radio de contacto de las partículas, Un es el desplazamiento normal de partículas y US es el desplazamiento tangencial de partículas.

La columna y el gato de la viga de cola contienen emulsiones que tienen un cierto efecto amortiguador. Para facilitar el análisis de simulación, el sistema hidráulico es equivalente a un sistema de acoplamiento de resorte sólido-líquido, la emulsión en el cilindro hidráulico y el bloque de cilindros se consideran resortes y la fórmula de cálculo de rigidez equivalente se encuentra en 21:

donde K1 K2 es la rigidez equivalente de la emulsión y la rigidez del bloque de cilindros,

donde S, L, KV, kgV, d, E y δ son el área de la sección transversal de la columna de líquido, la altura de la columna de líquido, el coeficiente de compresión del volumen, el coeficiente elástico del cilindro, el diámetro interior del cilindro, el módulo elástico del cilindro y el espesor de la pared, respectivamente. La fórmula (11) se puede obtener a partir de las fórmulas (8) a (10):

Como mecanismo de hundimiento de carbón del soporte superior de hundimiento de carbón, la viga de cola produce una colisión violenta y fricción con la roca de carbón en el proceso de hundimiento y recuperación del carbón, lo que resulta en una vibración obvia en la viga de cola y cada bisagra; las características de transmisión mecánica del soporte también cambiarán sustancialmente. Para analizar con precisión la señal de respuesta dinámica después de que la roca de carbón impacta la viga de cola, se construye un sistema de acoplamiento bidireccional DEM-MFBD de elemento discreto que une el carbón roto y el soporte de hundimiento del carbón superior, y su proceso de acoplamiento bidireccional se muestra en la Fig. 3.

Diagrama de proceso de acoplamiento bidireccional.

De acuerdo con las condiciones de ocurrencia de las vetas de carbón en la cara de trabajo del Grupo Yankuang, se miden las propiedades físicas y mecánicas del carbón y la roca para las muestras tomadas de acuerdo con el estándar de muestreo, y los parámetros de propiedades mecánicas requeridos para el experimento. se muestran en la Tabla 1.

Con base en las condiciones de trabajo reales, se utilizó el método API del software EDEM para construir el modelo de bloque de carbón de enlace multipartícula. El radio de las partículas de carbón impactadas se establece en 12 mm22. Con base en los resultados de las mediciones de los parámetros de propiedades físicas y mecánicas de la roca de carbón y la red neuronal BP, los parámetros de enlace entre partículas se obtienen mediante compresión uniaxial y la prueba de simulación de división brasileña23, como se muestra en la Tabla 2. La curva tensión-deformación del carbón La muestra de roca se muestra en la Fig. 4.

Relación estrés-deformación.

Los principales parámetros del soporte superior de hundimiento de carbón ZFY21000-35.5-70D se muestran en la Tabla 3. Para garantizar que las condiciones de prueba de la mina subterránea sean las mismas que las de la simulación del prototipo virtual, se realiza un modelado 3D 1:1 del soporte. El modelo sólido 3D se dibujó con el software Creo8.0, como se muestra en la Fig. 5.

Modelo sólido 3D de soporte.

El modelo sólido 3D del soporte hidráulico se importa al software RecurDyn y se agregan restricciones en función de las relaciones de movimiento relativo entre los componentes principales. En el proceso de hundimiento del carbón real, la viga de cola está directamente involucrada en la colisión por impacto y el descenso de la roca de carbón; entonces, es muy fácil de desgastar y deformar, cambiando así las características de respuesta dinámica del soporte para que la viga de cola sea flexible. El método de acoplamiento de resorte sólido-líquido se utiliza para un reemplazo equivalente de la columna de soporte, el gato de equilibrio y el gato de la viga trasera. Según la ecuación. (11), los coeficientes de rigidez equivalentes del gato de equilibrio, la columna y la viga de cola son 7,3 × 108 N/m, 8,79 × 107 N/m y 1,02 × 108 N/m, respectivamente. Los principales parámetros técnicos del soporte superior de hundimiento de carbón ZFY21000-35.5-70D se muestran en la Tabla 3. De la Tabla 3, la resistencia de trabajo máxima del soporte es de 21 000 kN y la presión del techo es de 16 000 kN para simular un estado de trabajo estable de el soporte21. En el modelo, la precarga del resorte de la columna equivale a reemplazar la fuerza de apoyo inicial del soporte. A partir de la fuerza de apoyo inicial del soporte, la precarga del resorte de la columna es 8272 kN. Finalmente se establece el modelo de acoplamiento rígido flexible de la viga de cola del soporte de hundimiento de carbón superior triturador de impacto de roca de carbón, como se muestra en la Fig. 6.

Modelo de acoplamiento flexible rígido de soporte.

Para verificar la precisión del modelo de acoplamiento de resorte sólido-líquido, se construyó un modelo de cosimulación mecánico-hidráulico de viga de cola de impacto de bola de carbón.

La estructura del sistema de control hidráulico de la viga de cola del soporte superior de hundimiento de carbón se muestra en la Fig. 7. El medio dinámico del cilindro hidráulico es una emulsión y el módulo de elasticidad aparente es 5 × 108 pa. Los principales parámetros del sistema hidráulico se muestran en la Tabla 4.

Esquema estructural del sistema de control hidráulico del haz de cola. 1, 2—Gato de viga trasera; 3—Válvula direccional proporcional electromagnética tipo Y; 4—bomba hidráulica; 5—filtro; 6—válvula de alivio; 7—tanque de aceite; 8—sensor de desplazamiento; 9—válvula de retención operada hidráulicamente.

De acuerdo con la estructura del sistema hidráulico de la viga de cola y el principio de funcionamiento del hundimiento de carbón del soporte de hundimiento de carbón, se establece un modelo de co-simulación en AMESim como se muestra en la Fig. 8, donde el desplazamiento del gato de la viga de cola El pistón ingresa desde AMEsim al par cinemático del cilindro hidráulico RecurDyn, y RecurDyn ingresa la fuerza del gato de la viga trasera como salida al pistón del cilindro hidráulico en AMEsim. Con RecurDyn como plataforma de control principal, después de completar la disposición de la interfaz, comienza la co-simulación. Después de la simulación, la fuerza de contacto máxima y la fuerza del cilindro se seleccionan para compararlas con la fuerza de contacto máxima y la fuerza del resorte de la simulación del acoplamiento de resorte sólido-líquido, y los errores se muestran en la Tabla 5, que muestra que la fuerza de contacto sólido-líquido El error del acoplamiento del resorte es inferior al 5%, lo que indica que tiene un nivel de confianza muy alto y cumple con los requisitos de precisión.

Modelo AMESim del sistema hidráulico.

En la prueba de prototipo virtual de la viga de cola de impacto de roca de carbón, el cuerpo de la roca de carbón se deforma elásticamente después de que la roca de carbón impacta la viga de cola, se agrieta y se rompe, y la tensión en el punto de impacto de la viga de cola disminuye en forma circular uno- uno a uno, acompañado de una vibración violenta y la fricción de rodadura de la viga de cola. Combinado con la altura de soporte y la relación de minería y derrumbe, se selecciona una esfera con un radio de 200 mm para impactar la viga de cola, con una altura de impacto de 800 mm y una velocidad de 15 m/s. El proceso de simulación y los resultados se muestran en la Fig. 9.

Proceso de simulación numérica y resultados.

Para expresar con precisión la ubicación del punto de impacto, se establece un sistema de coordenadas, XOY, en el centro de la superficie superior de la viga de cola, donde los ejes X e Y son paralelos a la dirección longitudinal y a la dirección ancha de la viga de cola, respectivamente. . Después de la simulación del acoplamiento bidireccional, el módulo de posprocesamiento EDEM se utiliza para ver la fragmentación de la roca de carbón después del impacto, medir las coordenadas en el momento del impacto y extraer la fuerza y ​​la amplitud de aceleración de cada punto de articulación en la interfaz de posprocesamiento RecurDyn.

Para estudiar la tendencia de variación de la fuerza del soporte hidráulico bajo la acción de la carga de impacto, los datos medidos por la prueba se simplifican, y el valor máximo máximo de la fuerza dinámica de la junta de bisagra y la relación entre la diferencia de fuerza antes del impacto y la La fuerza antes del impacto se define como el coeficiente de variación de la fuerza24 en la fórmula (12):

donde ζ(x,y) es el coeficiente de variación de la fuerza y ​​(x,y) representa la posición de impacto de la roca de carbón; F1 es la fuerza frontal de la carga de impacto; F2max(x,y) es la fuerza máxima después de la carga de impacto.

Cuando el impacto del derrumbe de la roca de carbón actúa sobre la viga de cola en diferentes posiciones, los coeficientes de variación de fuerza entre la viga superior de la viga de soporte y la viga de protección y entre la viga de protección y el punto de articulación de la viga de cola se muestran en la Fig. 10. Como Como se ve en la Fig. 10, el coeficiente de variación de fuerza es aproximadamente simétrico con respecto a la izquierda y la derecha del soporte y aumenta desde el extremo delantero hasta el extremo trasero de la viga de cola a lo largo de la dirección de la longitud. Esto se debe a que cada punto de articulación es el momento de fulcro, la carga de impacto en el extremo trasero de la viga de cola tiene un brazo de fuerza largo y el momento producido en el punto de pivote también es el mayor. El coeficiente de variación de fuerza de la viga superior y el punto de articulación de la viga protectora es el más pequeño, y cuando el punto de impacto está delante de la viga trasera, aparece un coeficiente de variación negativo, es decir, la fuerza está disminuyendo. Esto ocurre porque cuando el punto de impacto está cerca del punto de articulación del haz de cola, la amplitud de oscilación del haz de cola es pequeña y la distancia entre el haz superior, el punto de articulación del haz de protección y el punto de impacto es lejana y la pérdida de energía del impacto es mayor, lo que provoca un coeficiente de variación negativo. El coeficiente de variación de fuerza en el punto de articulación entre la viga protectora y la viga trasera aumenta de 0,77 a 2,18 desde el extremo delantero hasta el extremo trasero de la viga trasera; aumenta lentamente desde el punto de articulación hasta la vecindad de X = − 450 mm y luego aumenta rápidamente.

Fuerce el cambio del punto de articulación entre la viga y la viga de protección, la viga de protección y la viga de cola.

La presión del cilindro del gato de la viga trasera cambia, como se muestra en la Fig. 11. Debido a la simetría estructural, la presión del cilindro izquierdo del gato y el coeficiente de cambio de presión del cilindro derecho permanecen básicamente iguales de 0,7 a 3,1, y con una tasa de crecimiento constante hacia arriba.

Cambio de presión del gato de viga trasera.

El coeficiente de variación de la fuerza del punto de articulación del eslabón delantero y trasero se muestra en la Fig. 12. Como se ve en la Fig. 12, el coeficiente máximo de variación de la fuerza del punto de articulación superior e inferior del eslabón delantero aparece cerca del centro del línea de conexión de los puntos de articulación del vástago de pistón izquierdo y derecho del gato de viga de cola con valores máximos de 1,02 y 1,63, respectivamente, y disminuye gradualmente hacia afuera desde el centro del punto de valor máximo en forma de pico de montaña, con la fuerza más pequeña coeficiente de variación cerca del punto de articulación de la viga de cola. Esta característica de transferencia se produce porque el punto de impacto cerca del vástago del pistón puede formar dos brazos de fuerza alrededor del punto de apoyo del punto articulado delantero, que van desde la viga de cola a la viga de protección y desde el gato de la viga de cola a la viga de protección. El coeficiente de variación de fuerza en el punto de articulación del eslabón trasero es más especial, y el coeficiente de variación cerca del punto de articulación de la viga de cola es el mayor, disminuyendo gradualmente desde el extremo delantero de la viga de cola hasta el extremo trasero. , que se debe a la menor distancia entre el punto de articulación del brazo trasero, el punto de articulación de la viga trasera y a la pequeña pérdida de energía del impacto. Los valores máximo y mínimo del punto de articulación debajo del eslabón trasero son 0,66 y 0,48, respectivamente, y el coeficiente de variación aumenta a lo largo de la dirección longitudinal. Aparece un pequeño pico cerca de la línea de conexión de la junta de bisagra de los vástagos de pistón izquierdo y derecho del gato de la viga de cola, y luego el punto más alto en el extremo trasero de la viga de cola, que es causado por la interacción de la fuerza de la viga de cola. brazo de fuerza y ​​el brazo de fuerza del gato de la viga trasera. Además, la influencia del brazo de fuerza de la viga de cola es mayor que la del gato de la viga de cola. El coeficiente de variación de fuerza de los cuatro grupos de puntos de articulación a lo largo de la dirección del ancho es más obvio, principalmente porque el ancho de la viga de cola es de 1,95 m y el cambio de torque causado por el cambio de ancho es grande.

Fuerce el cambio de los puntos de articulación del eslabón delantero y trasero.

El coeficiente de variación de fuerza del cilindro del gato de la viga de cola y el punto de articulación del vástago del pistón se muestra en la Fig. 13. Como se ve en la Fig. 13, el coeficiente de variación de fuerza en el punto de articulación del gato de la viga de cola aumenta gradualmente a una velocidad constante a medida que el punto de impacto se mueve hacia el extremo trasero de la viga trasera. El coeficiente de variación de fuerza en el punto de articulación del cilindro es mayor que el coeficiente de variación de fuerza en el punto de articulación del vástago del pistón, y los valores máximo y mínimo son 3,2 y 0,7, respectivamente. Esto se debe a que el coeficiente de variación de fuerza en el punto de articulación de los cilindros izquierdo y derecho es básicamente el mismo debido a la simetría estructural.

Fuerce el cambio del punto de articulación del gato de la viga trasera.

Las juntas de bisagra del soporte hidráulico son la clave para conectar los componentes del soporte y transferir la fuerza. Para estudiar las características de cambio de la aceleración angular de cada punto de articulación después de que la viga de cola es impactada por diferentes posiciones, las amplitudes de aceleración angular medidas de la viga superior y la viga de escudo, la viga de escudo y la viga de cola, y la parte delantera y trasera. Los puntos de articulación del eslabón y del gato de la viga de cola después de que la viga de cola es impactada por la roca de carbón se procesan y analizan, como se muestra en la Fig. 14. Como se ve en la Fig. 14, los valores máximo y mínimo de amplitud en el punto de articulación de la El haz superior y el haz de escudo son 1,83 rad/s2 y 0,71 rad/s2, respectivamente, que aparecen cerca del punto de articulación del haz de cola y en el extremo trasero del haz de cola, y el cambio general muestra una tendencia a que la amplitud aumente gradualmente. aumenta a medida que el punto de impacto se mueve hacia el extremo trasero de la viga de cola, con el centro de la línea central de ancho aumentando gradualmente hacia ambos lados. Este cambio es causado por el aumento de torsión en el punto de articulación entre la viga superior y la viga protectora a medida que el punto de impacto se mueve hacia el extremo trasero de la viga trasera. La amplitud total del punto de articulación del haz de cola y del haz de escudo es demasiado grande entre 29,9 y 54,6 rad/s2. Es simétrico con la línea central del ancho y el cambio de forma de "grande en ambos extremos y pequeño en el medio" en la dirección longitudinal, lo que se debe a que el punto de impacto frontal está cerca de la junta de bisagra de la viga de cola y la vibración es fuerte. Sin embargo, a medida que el punto de impacto se mueve hacia el extremo trasero de la viga de cola, el par de la fuerza de impacto en el punto de articulación de la viga de cola aumenta y la amplitud de la aceleración angular aumenta nuevamente.

Amplitud de la unión de bisagra entre la viga superior y la viga de escudo, la viga de escudo y la viga de cola.

La amplitud del punto de articulación del haz de escudo y del haz de cola en el centro de la superficie del haz de cola de una región produce un punto de valor muy pequeño con características críticas, por lo que esta región se denomina "banda de amplitud baja". El punto de impacto en la "banda de amplitud baja" anterior, debido a que el punto de impacto está cerca del punto de articulación, la energía de impacto generada en el punto de articulación es fuerte y de gran amplitud. Cuando el punto de impacto está por debajo de la "zona de baja amplitud", tomamos el momento desde el punto de articulación como punto de apoyo y, a medida que el punto de impacto se mueve hacia el extremo trasero de la viga de cola, el brazo de fuerza aumenta y el torque en el punto de apoyo. aumenta a medida que aumenta la amplitud. Cuando el punto de impacto en la "banda de baja amplitud" en los dos factores anteriores es menor y esta área está en el punto de articulación del gato de la viga trasera arriba, el cilindro consumirá parte de la energía de la colisión.

Las amplitudes de los puntos de articulación delantero y trasero se muestran en la Fig. 15. Como se ve en la Fig. 15, la amplitud del punto de articulación en el extremo superior de la biela es mayor que la amplitud del punto de articulación en el extremo inferior. , y la amplitud del eslabón trasero es mayor que la amplitud del eslabón delantero, lo cual es causado por la distancia entre el punto de impacto y el punto de articulación. Esto se debe a la distancia entre el punto de impacto y el punto de articulación, y la energía del impacto cerca del punto de impacto es fuerte y la amplitud es grande. La amplitud de las cuatro posiciones de las bisagras es básicamente la misma; la amplitud más obvia es el punto de articulación del brazo trasero, y los valores máximo y mínimo son 2,05 rad/s2 y 0,73 rad/s2, respectivamente. La dirección longitudinal muestra un patrón de cambio "grande en ambos extremos y pequeño en el medio", y el efecto del par de impacto en el extremo trasero de la viga de cola es mayor que el efecto del impacto a corta distancia. Por ejemplo, para el punto de articulación del brazo trasero, la Fig. 16 muestra que cuando el punto de impacto está en la cara extrema derecha de la viga trasera, la amplitud tiene un punto bajo obvio. Al observar las coordenadas del punto de impacto y el modelo tridimensional, se encuentra que la ubicación del impacto es justo en la estructura interna de la viga de cola de los dos centros de placas verticales, donde la elasticidad de la placa superior de la viga de cola es mayor. Hay un cierto efecto amortiguador. Además, la posición se encuentra en la banda de amplitud inferior en el centro delantero del haz de cola y produce el punto más bajo del borde de amplitud bajo la doble acción.

Cambio de amplitud de los puntos de articulación de los brazos delanteros y traseros.

Análisis de la amplitud del punto de articulación del brazo trasero.

La amplitud del punto de articulación del gato de la viga de cola se muestra en la Fig. 17. Como se ve en la Fig. 17, la amplitud del punto de articulación en los lados izquierdo y derecho del gato de la viga de cola es básicamente la misma debido a la simetría de la estructura. Por lo tanto, el lado izquierdo se utiliza como ejemplo para el análisis. La amplitud del punto de articulación del cilindro aumenta gradualmente a medida que el punto de impacto se mueve hacia el extremo trasero de la viga de cola, y la amplitud varía de 5,5 a 33,3 rad/s2. La amplitud del punto de articulación del vástago del pistón cambia desde el punto más alto cerca del punto de articulación para disminuir gradualmente hacia afuera en forma de montaña porque el sistema de amortiguación del resorte cerca de la conexión de la región consume más energía durante el impacto y el cilindro hidráulico absorberá más. energía, lo que hace que la amplitud del punto de articulación del vástago del pistón sea mayor. El volumen de respuesta dinámica alcanza grandes valores en estas regiones, formando una región alta de anillo de amplitud con amplitudes que oscilan entre 22,8 y 92,0 rad/s2.

Cambio de amplitud del punto de articulación del gato de la viga de cola.

Para verificar la confiabilidad de la prueba del prototipo virtual, se calibraron los parámetros del carbón y la roca del frente de trabajo 11302 de la mina de carbón Zhao Lou del Grupo Yankuang y se llevaron a cabo pruebas industriales. La cara de trabajo 11302 de la mina de carbón Zhao Lou del Grupo Yankuang, usando un corte uno que cae, la embarcación minera de trabajo paralelo de minería seccional y hundimiento. La altura de la extracción de carbón del frente de trabajo es de 3 m, la relación de hundimiento es de 1:1,2 y se utilizan 96 soportes del tipo ZFY7200 en el frente de trabajo. La distancia entre centros del soporte hidráulico es de 1,5 m. Los sensores de aceleración angular y los sensores de fuerza están dispuestos en la viga trasera y en el punto de articulación de los eslabones delantero y trasero para su monitoreo, y el sitio experimental se muestra en la Fig. 18. La señal de fuerza del punto de articulación obtenida de la información recopilada por el El sensor se muestra en la Fig. 19a, la señal de aceleración angular del punto de articulación se muestra en la Fig. 19b, y los valores estadísticos de la aceleración y la fuerza del punto de articulación se muestran en la Tabla 6.

Experimento subterráneo.

Informacion recolectada.

La Fig. 19a y la Tabla 6 muestran que la amplitud de fuerza del punto de articulación del eslabón delantero es la mayor, que es un 75,5% mayor que la del punto de articulación de la viga trasera y un 150,0% mayor que la del punto de articulación de la parte trasera. enlace. Según la Tabla 6 en la Fig. 19b, la amplitud del punto de articulación de la viga de cola es la mayor, seguida por el punto de articulación del brazo trasero. La amplitud del punto de articulación de la viga de cola es un 53,2% mayor que la del punto de articulación del brazo trasero; la amplitud del punto de articulación de la viga de cola es un 413,5% mayor que la del punto de articulación del eslabón delantero. Los resultados de la prueba muestran que la señal de fuerza del punto de articulación del eslabón delantero es la más fuerte en el proceso de hundimiento del carbón. La señal de aceleración angular en el punto de articulación del haz de cola es la más fuerte, lo que es consistente con la prueba de simulación numérica del impacto en diferentes posiciones del haz de cola. Según las Fig. 11b, Fig. 12a, b, el coeficiente de cambio de fuerza máximo en la prueba de simulación de impacto es el punto de articulación de la viga de cola, seguido por el punto de articulación del eslabón delantero y, finalmente, el punto de articulación del eslabón trasero. . Hay una diferencia en el orden de la intensidad de la amplitud de la fuerza con respecto a la prueba subterránea, y la razón de esta diferencia es que algunas posiciones sensibles no se vieron afectadas en la prueba de simulación. Puede verse en las Figs. 14b, 15a,b que la amplitud máxima de aceleración en la prueba de simulación de impacto es el punto de articulación de la viga trasera, seguido por el punto de articulación del eslabón trasero y finalmente el punto de articulación del eslabón delantero, lo cual es completamente consistente con los resultados obtenidos. de la prueba subterránea. Los resultados completos de las pruebas muestran que la señal de la fuerza del punto de articulación en el eslabón delantero es más fuerte durante el hundimiento del carbón. La señal de aceleración angular en el punto de articulación del haz de cola es la más fuerte.

Para determinar el mejor punto de medición de la recopilación de información del sensor y proporcionar la mejor posición de instalación para la identificación de rocas de carbón en sensores de hundimiento totalmente mecanizados en el futuro, se llevaron a cabo pruebas de simulación numérica y pruebas subterráneas de impactos en diferentes posiciones del haz de cola, y el estudio encontró lo siguiente:

Los coeficientes de variación de fuerza en el punto de articulación de la viga superior y la viga protectora, el punto de articulación de la viga de cola y el punto de articulación del gato de la viga de cola aumentan a medida que el punto de impacto se mueve desde el extremo delantero de la viga de cola hasta el extremo posterior. Los puntos de articulación superior e inferior del eslabón delantero en la viga de cola y la conexión del gato de la viga de cola cerca de la región exhiben un punto máximo, el punto de articulación superior del eslabón trasero en el punto de articulación de la viga de cola cerca del coeficiente de cambio es el mayor, y la fuerza El coeficiente de cambio del punto de articulación inferior del brazo trasero con el punto de impacto en el extremo trasero de la viga trasera aumenta gradualmente.

Los diferentes puntos de articulación tienen diferentes amplitudes durante el impacto entre carbón y roca. La amplitud total del punto de articulación de la viga de cola es mayor, simétrica a la línea central del ancho y muestra un cambio en el patrón de "grande en ambos extremos y pequeño en el medio" en la dirección de la longitud.

Se propone la definición de una "banda de baja amplitud" en la superficie del haz de cola. Cuando el punto de impacto se sitúa en esta zona, la amplitud del punto de articulación tiene características críticas, la energía del impacto y el torque tienen poco efecto y es muy fácil generar puntos mínimos.

El punto de articulación del brazo delantero es la posición de instalación óptima para el sensor de fuerza y ​​el punto de articulación de la viga trasera es la posición de instalación óptima para el sensor de aceleración angular. El monitoreo de señales dinámicas en el proceso de hundimiento de carbón puede mejorar efectivamente la confiabilidad de la identificación de gangas para el hundimiento de carbón totalmente mecanizado y el control de soporte adaptativo.

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Los autores desean agradecer el apoyo y la contribución del State Key Lab of Mining Machinery Engineering of Coal Industry, Liaoning Technical University, China. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China [número de subvención 51674134], la Fundación Provincial de Ciencias Naturales de Liaoning de China [número de subvención 20170540420] y los proyectos clave del Departamento de Educación Provincial de Liaoning [número de subvención LJ2017ZL001].

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, 123000, China

Lijuan Zhao, Liguo Han, Haining Zhang, Xin Jin, Tiangu Wu y Shijie Yang

Laboratorio Estatal Clave de Ingeniería de Maquinaria Minera de la Industria del Carbón, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, 123000, China

Lijuan Zhao

Laboratorio clave de equipos industriales y mineros a gran escala de la provincia de Liaoning, Fuxin, 123000, China

Lijuan Zhao

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LZ proporcionó materiales, herramientas e instalaciones de laboratorio. LZ planificó y supervisó el estudio. LH ayudó con el análisis del modelo y los resultados. HZ, XJ llevó a cabo la construcción del modelo de simulación, la implementación del experimento, el análisis de datos experimentales, los gráficos de imágenes, la redacción y preparación del manuscrito. TW, SY ayudó con la encuesta de literatura. Todos los autores leyeron y comentaron el manuscrito.

Correspondencia a Liguo Han.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhao, L., Han, L., Zhang, H. et al. Respuesta dinámica de una viga de cola de impacto de roca de carbón para soporte hidráulico. Informe científico 12, 11535 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15845-9

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Recibido: 16 de marzo de 2022

Aceptado: 30 de junio de 2022

Publicado: 07 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15845-9

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