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Jun 03, 2024

Dynamische Reaktion eines Kohlegesteins-Heckbalkens zur hydraulischen Unterstützung

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 11535 (2022) Diesen Artikel zitieren 540 Zugriffe 2 Zitate Metrikdetails Basierend auf der Zwei-Wege-Kopplungstechnologie der Discrete Element Method-Multi Flexible

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11535 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Basierend auf der Zwei-Wege-Kopplungstechnologie der Discrete-Elemente-Methode-Multi-Flexible-Body-Dynamics (EDM-FMBD) wird mithilfe der Diskrete-Elemente-Software EDEM eine virtuelle einstürzende Kohlewand errichtet. Das starre flexible Kopplungsmodell des Endbalkens von Höhlensicherungen wird mithilfe der Mehrkörperdynamiksoftware RecurDyn erstellt. Die Steifigkeit des Ölzylinders wird mithilfe der Theorie der Fest-Flüssigkeit-Federkopplung berechnet und durch eine Feder ersetzt. Durch die Simulation des Prozesses des Einsturzes eines Kohlegesteins, das auf den Heckbalken auftrifft, wird das dynamische Signal vom Einsturz des Kohlegesteins, das auf den Heckbalken aufprallt, bis zur Zerkleinerung in der Kohlebruchphase der umfassenden Abbaufläche untersucht und der Test unter Tage durchgeführt. Die Winkelbeschleunigung am Gelenkpunkt des Heckträgers ist am größten und weist ein Variationsmuster von „groß an beiden Enden und klein in der Mitte“ auf. Es wird die Definition eines „Bandes mit geringer Amplitude“ auf der Oberfläche des Heckbalkens vorgeschlagen. Das Kraftsignal am Gelenkpunkt des Vorderlenkers ist am stärksten und stellt den besten Messpunkt für den Kraftsensor dar; Das Winkelbeschleunigungssignal am Gelenkpunkt des Heckträgers ist am stärksten und es ist der beste Messpunkt für den Winkelbeschleunigungssensor. Die Ergebnisse haben praktische Auswirkungen auf die Identifizierung des Kohlegangs und die adaptive Steuerung der Unterstützung für den integrierten Kohlebergbau.

Intelligenter Bergbau ist zur Entwicklungsrichtung und zum Trend des sicheren und effizienten Kohlebergbaus geworden 1,2,3. Der Automatisierungsprozess des Kohlebergbaus im Abbau mit umfassender Freisetzung kann nicht nur die Extraktionsrate der Oberkohle in der Abbaufläche mit umfassender Freisetzung verbessern und die Ganggesteinsrate reduzieren, sondern auch die Sicherheit der Arbeiter im Kohleabbau4,5,6 und die dynamische Reaktion schützen von eingestürztem Kohlegestein zur hydraulischen Unterstützung ist der Schlüssel zur genauen Identifizierung von vollständig mechanisiertem Kohlegestein. Wissenschaftler im In- und Ausland haben umfangreiche Forschungen zur vollmechanisierten Kohletechnologie und -ausrüstung durchgeführt. Jonathan et al.7 fassten den Entwicklungsstand der Untertage-Automatisierungstechnologie zusammen und schlugen vor, dass die genaue Positionierung der Bergbauausrüstung und die Erkennung geologischer Strukturen des Kohleflözes der Schlüssel zum automatischen Untertagebergbau seien. Pytlik et al.8 Die dynamische Reaktion der hydraulischen Stützsäule und die Testergebnisse können verwendet werden, um die Fließgrenze der Säule und die optimale Auslegung des Sicherheitsventils zu bestimmen. Hargrave et al.9 untersuchten das Positionierungssystem einer Kohleabbaumaschine und testeten es unter Tage. Xu Yajun et al.10 definierten und unterteilten die mechanische Gleichgewichtszone und die Tragfähigkeit der Stütze entsprechend den verschiedenen Situationen der Dachstützung und untersuchten die Faktoren, die die Tragfähigkeit der Stütze beeinflussen. Zhao Feng et al.11 schlugen ein Hebelwirkungsmodell für den Ausfall des Schildbalkens vor, basierend auf dem Betriebszustand der hydraulischen Stütze mit hohem Rahmen und geringer Nutzung, simulierten und analysierten das Modell und kamen zu dem Schluss, dass der Schildbalken extrem anfällig ist Scheitern nach dem Leverage-Effekt-Modell. Wan Lirong et al.12 nutzten den direkten Impuls von Kohlegestein zur Belastung des Heckbalkens, um die dynamische Reaktion des Heckbalkens nach dem Tragen der Aufpralllast zu untersuchen, was eine Referenzgröße für die dynamische Steuerung des Einbruchmechanismus lieferte. Li Qiang et al.13 simulierten und analysierten die Eigenschaften des Säulenhydrauliksystems der hydraulischen Stütze während des Säulenhebevorgangs, des Säulensenkvorgangs und der Stoßbelastung. Sie ermittelten außerdem die dynamischen Reaktionskurven des Drucks jedes Zylinders der Säule, des Drucks und Durchflusses des Sicherheitsventils beim Anheben der Säule, beim Absenken der Säule und bei der Stoßbelastung. Zeng Qingliang et al.14 untersuchten die Aufprallreaktion des Gelenks des Trägers, wenn die Kohleganggesteinspartikel beim Abbau von Kohlebergwerken auf der Grundlage von ABAQUS auf den hydraulischen Träger aufprallten, und untersuchten den Spannungsunterschied am Gelenk des Trägers. Xie Yunyue et al.15 untersuchten das Verteilungsgesetz des spezifischen Drucks der Bodenplatte einer hydraulischen Stütze unter einer Tiefbrunnen-Aufpralllast. Hu Xiangxun et al.16 analysierten mithilfe numerischer Berechnungen die Einflussfaktoren der statischen und dynamischen Stabilität des Trägers und lieferten ein Schema zur Erhöhung der Stabilität des Trägers. Liu Wei et al.17 schlugen eine Methode zur Erkennung der Grenzfläche zwischen Kohleganggestein und Kohleganggestein vor, indem sie die Vibrationseigenschaften der aufprallenden Stahlplatte aus Kohleganggestein nutzten. Zhang Ningbo et al.18 schlugen die Methode zur Messung und Identifizierung des gemischten Ganggesteins an der Kohlebruchöffnung im Prozess des oberen Kohlebergbaus unter Verwendung des natürlichen Strahls des Kohleganggesteins vor. Jiang Lei et al.19 schlugen eine Methode zur Erkennung von Kohlegang vor, bei der das Vibrationssignal des Heckbalkens verwendet wurde. Die Erkennungsleistung war besser als die des herkömmlichen Netzwerkmodells. Shan Pengfei et al.20 Die auf dem verbesserten Faster R-CNN-Algorithmus basierende Bilderkennungsmethode wurde zur Unterscheidung des Kohlegang-Freisetzungsstatus verwendet, was theoretische Unterstützung für die genaue Erkennung von Kohlebrüchen lieferte.

In der oben genannten Literatur wurde nicht die dynamische Reaktion der hydraulischen Unterstützung im Prozess der elastischen Kohle- und Gesteinsmassenaufprallzerkleinerung untersucht. Gleichzeitig gibt es nur wenige Studien über die beste Einbauposition von Informationserfassungssensoren in einem vollmechanisierten Kohlebergbau zur Identifizierung von Kohle und Gestein, und die Zuverlässigkeit der Datenerfassung ist gering. Entsprechend den Merkmalen der Spitzentechnologie des Kohlebergbaus werden in diesem Artikel das elastisch-plastische Verhalten der Kohlegesteinsmasse sowie das Verformungs- und Bruchverhalten, das beim Aufprall auf den Heckbalken entsteht, umfassend berücksichtigt. Ausgehend von der oberen Kohlegrubenunterstützung ZFY21000-35.5-70D als technischem Objekt analysiert dieser Artikel die dynamische Reaktion der Stütze nach dem Aufprall eines Kohlesteins auf den Heckbalken und die beste Installationsposition des Kohlenhöhlenüberwachungssensors und übernimmt die Mittel zur Kombination theoretische Analyse und numerische Simulation. Basierend auf der Zwei-Wege-Kopplungstechnologie von EDM-FMBD wird die virtuelle Höhlenwand für Kohle mithilfe der Software für diskrete Elemente EDEM erstellt, und das starre flexible Kopplungsmodell des Endbalkens der oberen Kohlehöhlenstütze wird mithilfe von erstellt Mehrkörperdynamik-Software, RecurDyn. Die Anwendung der Fest-Flüssigkeits-Federkopplungstheorie, der äquivalenten Säule, des Ausgleichszylinders, der Steifigkeit des Heckbalken-Wagenhebers und des Federaustauschs simulieren den Aufprallprozess des Kohlegesteins am Heckbalken. Es wurde festgestellt, dass sich die Kraft des Scharnierpunkts des Heckträger-Schutzträgers und die Kraft des Scharnierpunkts über dem hinteren Lenker in Richtung der komplementären Länge ändern. Der Scharnierpunkt über dem vorderen Lenker ist die beste Einbauposition des Kraftsensors zur Überwachung der Kraft während Kohlehöhlenforschung. Darüber hinaus kann es den Messfehler reduzieren, der durch die unterschiedliche Auftreffposition verursacht wird. Das Scharniergelenk des Heckbalkens wird als beste Einbauposition des Winkelbeschleunigungssensors ausgewählt, der mit dem Bauchvibrationssensor des Heckbalkens kombiniert wird, um das Vibrationssignal beim Kohleabbau zu überwachen. Die Forschungsergebnisse sind von praktischer Bedeutung für die Identifizierung von Kohleganggestein und unterstützen die adaptive Steuerung im vollmechanisierten Kohlebergbau.

Das mechanische Gesamtmodell der obersten Kohlebergungsstütze ist in Abb. 1 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass beim Prozess der oberen Kohlebergung das zerbrochene Kohlegestein nach dem Aufprall auf den Heckbalken und die mechanische Kopplung rollt und gleitet zwischen den beiden ist sehr komplex.

Mechanisches Modell der obersten Kohlebergbaustütze.

Um die Forschung zu erleichtern, entspricht das dynamische Verhalten von Kohlegestein, das auf den Heckbalken aufprallt, dem Aufprall von Kohlegesteinspartikeln mit der Masse M auf die elastische Metallplatte mit einer bestimmten Aufprallgeschwindigkeit V. Das vereinfachte Modell ist in Abb. 2 dargestellt Die Energie nachgebender Kohlegesteinspartikel wird teilweise in die elastische Energie der Partikelkollision und Kontaktverformung und teilweise in die Verformungsenergie der Metallplatte umgewandelt. Wenn die Aufprallgeschwindigkeit der Kohlegesteinspartikel größer ist als die anfängliche Kollisionsgeschwindigkeit, kommt es zu einer plastischen Verformung. Die Verformungsenergie der Metallplatte des Heckbalkens, die anfängliche Kollisionsgeschwindigkeit des Kohlegesteins und der maximale Aufpralldruck können aus den Formeln (1)–(3) ermittelt werden:

Dabei ist F die normale Kontaktkraft, X die Position, an der das Kohlegestein auf den Heckbalken auftrifft, und EI die Biegesteifigkeit des Metalls.

Dabei ist R der äquivalente Radius, E* der äquivalente Elastizitätsmodul, h die normale Druckverformung, hq die normale Streckgrenze und die Druckverformung, hmax die maximale normale Druckverformung, M die Kohlegesteinsmasse und P die anfängliche Streckgrenze.

Vereinfachtes Modell des Heckbalkens des Kohlegesteinsaufpralls.

Der Prozess des Einsturzes eines Kohlegesteins beim Aufprall auf den Heckbalken beinhaltet den Kontakt zwischen Kohlegesteinspartikeln und Partikeln sowie zwischen Partikeln und dem Heckbalken. Der Kontakt und die Kollision zwischen Partikeln führt zu einer Energieänderung und einer Aufprallreaktion auf den Heckbalken. In dieser Arbeit wird das Hertz-Mindlin-Modell mit Bindung als Kontaktmodell zwischen Kohle und Gesteinspartikeln ausgewählt, und seine Kontaktparameter können aus den Formeln (4)–(7) ermittelt werden:

Dabei ist Kn die Normalsteifigkeit, KS die Tangentialsteifigkeit, Fn die Normalspannung, FS die Tangentialspannung, E der Elastizitätsmodul der Partikel, μ die Poissonzahl, R* der Partikelkontaktradius und Un die Die Normalverschiebung des Teilchens und US ist die Tangentialverschiebung des Teilchens.

Die Säule und der Heckbalkenheber enthalten Emulsionen, die eine gewisse Pufferwirkung haben. Um die Simulationsanalyse zu erleichtern, entspricht das Hydrauliksystem einem Fest-Flüssigkeits-Federkopplungssystem, die Emulsion im Hydraulikzylinder und im Zylinderblock werden als Federn betrachtet und die äquivalente Berechnungsformel für die Steifigkeit lautet in 21:

wobei K1 K2 die äquivalente Steifigkeit der Emulsion und die Steifigkeit des Zylinderblocks ist,

Dabei sind S, L, KV, kgV, d, E und δ jeweils die Querschnittsfläche der Flüssigkeitssäule, die Höhe der Flüssigkeitssäule, der Volumenkompressionskoeffizient, der Zylinderelastizitätskoeffizient, der Zylinderinnendurchmesser, der Zylinderelastizitätsmodul und die Wandstärke. Formel (11) kann aus den Formeln (8)–(10) erhalten werden:

Als Kohleabbaumechanismus der oberen Kohleabbauunterstützung erzeugt der Heckbalken beim Prozess des Kohleabbaus und der Bergung heftige Kollisionen und Reibung mit dem Kohlegestein, was zu deutlichen Vibrationen am Heckbalken und an jedem Scharnier führt. Auch die mechanischen Übertragungseigenschaften des Trägers ändern sich erheblich. Um das dynamische Reaktionssignal nach dem Aufprall des Kohlegesteins auf den Heckbalken genau zu analysieren, wurde ein DEM-MFBD-Zweiwegekopplungssystem aus diskreten Elementen, die gebrochene Kohle und obere Kohlebruchstütze verbinden, gebaut. Der Zweiwegekopplungsprozess ist in Abb. dargestellt . 3.

Prozessdiagramm der bidirektionalen Kopplung.

Entsprechend den Vorkommensbedingungen der Kohleflöze in der Arbeitsfläche der Yankuang-Gruppe werden die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Kohle und des Gesteins für die gemäß dem Probenahmestandard entnommenen Proben sowie die für das Experiment erforderlichen Parameter der mechanischen Eigenschaften gemessen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Basierend auf den tatsächlichen Arbeitsbedingungen wurde die EDEM-Software-API-Methode verwendet, um das Kohleblockmodell der Mehrpartikelbindung zu erstellen. Der Radius der auftreffenden Kohlebindepartikel ist auf 12 mm22 eingestellt. Basierend auf den Messergebnissen der physikalischen und mechanischen Eigenschaftsparameter des Kohlegesteins und des neuronalen BP-Netzwerks werden die Bindungsparameter zwischen Partikeln durch einachsige Kompression und den brasilianischen Spaltungssimulationstest23 ermittelt, wie in Tabelle 2 dargestellt. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve von Kohle Die Gesteinsprobe ist in Abb. 4 dargestellt.

Stress-Dehnungs-Beziehung.

Die Hauptparameter des ZFY21000-35.5-70D oberen Kohlebergbaus sind in Tabelle 3 aufgeführt. Um sicherzustellen, dass die Testbedingungen im Untertagebergbau mit denen der Simulation des virtuellen Prototyps übereinstimmen, wird eine 1:1-3D-Modellierung des Supports durchgeführt. Das 3D-Volumenmodell wurde mit der Software Creo8.0 gezeichnet, wie in Abb. 5 dargestellt.

3D-Volumenmodell der Stütze.

Das 3D-Volumenmodell der hydraulischen Stütze wird in die RecurDyn-Software importiert und Einschränkungen werden basierend auf den relativen Bewegungsbeziehungen zwischen den Hauptkomponenten hinzugefügt. Beim eigentlichen Kohleabbau ist der Heckbalken direkt an der Aufprallkollision und dem Abrollen des Kohlegesteins beteiligt; Dann kann es sehr leicht verschleißen und sich verformen, wodurch sich die dynamischen Reaktionseigenschaften des Trägers verändern, so dass der Heckträger flexibel wird. Für den gleichwertigen Austausch der Stützsäule, des Ausgleichszylinders und des Heckträgerzylinders wird die Fest-Flüssigkeits-Federkopplungsmethode verwendet. Nach Gl. (11) betragen die äquivalenten Steifigkeitskoeffizienten des Ausgleichszylinders, der Säule und des Heckträgerzylinders 7,3 × 108 N/m, 8,79 × 107 N/m bzw. 1,02 × 108 N/m. Die wichtigsten technischen Parameter der ZFY21000-35.5-70D oberen Kohlebruchstütze sind in Tabelle 3 aufgeführt. Aus Tabelle 3 geht hervor, dass der maximale Arbeitswiderstand der Stütze 21.000 kN und der Dachdruck 16.000 kN beträgt, um einen stabilen Arbeitszustand zu simulieren die Unterstützung21. Im Modell entspricht die Vorspannung der Säulenfeder dem Ersatz der anfänglichen Stützkraft der Stütze. Ab der anfänglichen Stützkraft der Stütze beträgt die Vorspannung der Säulenfeder 8272 kN. Das Modell der starren flexiblen Kopplung des Heckbalkens der Kohlengesteins-Prallbrecher-Oberseite für den Kohleabbau ist schließlich erstellt, wie in Abb. 6 dargestellt.

Modell mit starrer, flexibler Kupplung zur Unterstützung.

Um die Genauigkeit des Fest-Flüssigkeits-Federkopplungsmodells zu überprüfen, wurde ein mechanisch-hydraulisches Co-Simulationsmodell mit einem einzelnen Kohlekugelaufprall-Heckbalken erstellt.

Die Struktur des hydraulischen Steuersystems des Heckbalkens der oberen Kohlebergbaustütze ist in Abb. 7 dargestellt. Das dynamische Medium des Hydraulikzylinders ist eine Emulsion, und der Elastizitätsmodul der Masse beträgt 5 × 108 Pa. Die Hauptparameter des Hydrauliksystems sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Strukturdiagramm des hydraulischen Steuersystems des Heckträgers. 1, 2 – Heckträger-Wagenheber; 3 – Elektromagnetisches Proportional-Wegeventil vom Y-Typ; 4 – Hydraulikpumpe; 5 – Filter; 6 – Überdruckventil; 7 – Öltank; 8 – Wegsensor; 9 – hydraulisch betätigtes Rückschlagventil.

Entsprechend der Struktur des Hydrauliksystems des Heckbalkens und dem Funktionsprinzip des Kohlebergbaus der Kohlebergbauunterstützung wird in AMESim ein Co-Simulationsmodell erstellt, wie in Abb. 8 dargestellt, in dem die Verschiebung des Heckbalkenhebers ermittelt wird Der Kolben wird von AMEsim in das kinematische Paar des RecurDyn-Hydraulikzylinders eingegeben, und RecurDyn gibt die Hebekraft des Heckträgers als Ausgabe in den Hydraulikzylinderkolben in AMEsim ein. Mit RecurDyn als Hauptsteuerungsplattform beginnt nach Abschluss der Schnittstellenanordnung die Co-Simulation. Nach der Simulation werden die maximale Kontaktkraft und die Zylinderkraft zum Vergleich mit der maximalen Kontaktkraft und der Federkraft der Simulation der Fest-Flüssigkeit-Federkopplung ausgewählt und die Fehler werden in Tabelle 5 angezeigt, die zeigt, dass die Fest-Flüssigkeit Der Federkopplungsfehler beträgt weniger als 5 %, was darauf hinweist, dass das Vertrauensniveau sehr hoch ist und die Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden.

AMESim-Modell des Hydrauliksystems.

Beim virtuellen Prototypentest des Kohlegesteins-Aufprall-Heckbalkens verformt sich der Kohlegesteinskörper elastisch, nachdem das Kohlegestein auf den Schwanzbalken auftrifft, es kommt zu Rissen und Brüchen, und die Spannung am Aufprallpunkt des Schwanzbalkens nimmt kreisförmig um eins ab. nacheinander, begleitet von einer heftigen Vibration und der Rollreibung des Heckbalkens. In Kombination mit der Stützhöhe und dem Abbau- und Einbruchverhältnis wird eine Kugel mit einem Radius von 200 mm ausgewählt, die auf den Heckträger trifft, mit einer Aufprallhöhe von 800 mm und einer Geschwindigkeit von 15 m/s. Der Simulationsprozess und die Ergebnisse sind in Abb. 9 dargestellt.

Numerischer Simulationsprozess und Ergebnisse.

Um die Position des Aufprallpunkts genau auszudrücken, wird ein Koordinatensystem, XOY, in der Mitte der oberen Oberfläche des Heckträgers eingerichtet, wobei die X- und Y-Achsen parallel zur Längsrichtung bzw. Breitenrichtung des Heckträgers verlaufen . Nach der bidirektionalen Kopplungssimulation wird das EDEM-Nachbearbeitungsmodul verwendet, um die Fragmentierung des Kohlegesteins nach dem Aufprall anzuzeigen, die Koordinaten zum Zeitpunkt des Aufpralls zu messen und die Kraft- und Beschleunigungsamplitude jedes Artikulationspunkts in der RecurDyn-Nachbearbeitungsschnittstelle zu extrahieren.

Um den Trend der Kraftschwankung der hydraulischen Stütze unter der Einwirkung einer Stoßbelastung zu untersuchen, werden die durch den Test gemessenen Daten vereinfacht und der maximale Spitzenwert der dynamischen Kraft des Scharniergelenks und das Verhältnis der Kraftdifferenz vor dem Aufprall zur Kraft vor dem Aufprall werden als Kraftvariationskoeffizient24 in Formel (12) definiert:

wobei ζ(x,y) der Kraftvariationskoeffizient ist und (x,y) die Aufprallposition des Kohlegesteins darstellt; F1 ist die Frontkraft der Aufpralllast; F2max(x,y) ist die maximale Kraft nach der Stoßbelastung.

Wenn der Aufprall des Kohlegesteins an verschiedenen Stellen auf den Heckbalken einwirkt, sind die Kraftvariationskoeffizienten zwischen dem oberen Balken des Stützbalkens und dem Schildbalken sowie zwischen dem Schildbalken und dem Scharnierpunkt des Heckbalkens in Abb. 10 dargestellt. As Wie in Abb. 10 zu sehen ist, ist der Kraftvariationskoeffizient ungefähr symmetrisch zur linken und rechten Seite der Stütze und nimmt vom vorderen Ende zum hinteren Ende des Heckträgers in Längsrichtung zu. Dies liegt daran, dass jeder Gelenkpunkt das Drehpunktmoment darstellt, die Aufpralllast am hinteren Ende des Heckträgers einen langen Kraftarm hat und das am Drehpunkt erzeugte Moment auch am größten ist. Der Kraftvariationskoeffizient des oberen Balkens und des Schildbalkenscharnierpunkts ist am kleinsten, und wenn der Aufprallpunkt vor dem Heckbalken liegt, tritt ein negativer Variationskoeffizient auf, d. h. die Kraft nimmt ab. Dies liegt daran, dass, wenn sich der Aufprallpunkt in der Nähe des Scharnierpunkts des Heckträgers befindet, die Schwungamplitude des Heckträgers klein ist und der Abstand zwischen dem oberen Träger, dem Scharnierpunkt des Schildträgers und dem Aufprallpunkt weit ist und der Aufprallenergieverlust größer ist, was bedeutet verursacht einen negativen Variationskoeffizienten. Der Kraftvariationskoeffizient am Gelenkpunkt zwischen dem Schildbalken und dem Heckbalken steigt vom vorderen Ende zum hinteren Ende des Heckbalkens von 0,77 auf 2,18; Sie steigt vom Gelenkpunkt bis in die Nähe von X = − 450 mm langsam an und steigt dann schnell an.

Kraftänderung des Gelenkpunkts zwischen Balken und Schildbalken, Schildbalken und Heckbalken.

Der Druck des Heckbalken-Wagenheberzylinders ändert sich, wie in Abb. 11 dargestellt. Aufgrund der strukturellen Symmetrie bleiben der Änderungskoeffizient des linken Zylinderdrucks und des rechten Zylinderdrucks grundsätzlich gleich von 0,7 bis 3,1, und zwar mit einer konstanten Wachstumsrate nach oben.

Druckänderung am Heckträger-Wagenheber.

Der Variationskoeffizient der Gelenkpunktkraft des vorderen und hinteren Lenkers ist in Abb. 12 dargestellt. Wie in Abb. 12 zu sehen ist, erscheint der maximale Variationskoeffizient der oberen und unteren Gelenkpunktkraft des vorderen Lenkers in der Nähe der Mitte des Verbindungslinie der linken und rechten Kolbenstangengelenkpunkte des Heckträgerhebers mit Maximalwerten von 1,02 bzw. 1,63 und nimmt von der Mitte des Maximalwertpunkts in Form eines Berggipfels mit der geringsten Kraft allmählich nach außen ab Variationskoeffizient in der Nähe des Heckträgerscharnierpunkts. Diese Übertragungscharakteristik entsteht, weil der Aufprallpunkt in der Nähe der Kolbenstange zwei Kraftarme um den Drehpunkt des vorderen Gelenkpunkts bilden kann, die vom Heckträger zum Schildträger und vom Heckträgerheber zum Schildträger verlaufen. Der Koeffizient der Kraftschwankung am Gelenkpunkt des hinteren Lenkers ist spezieller, und der Koeffizient der Kraftschwankung in der Nähe des Gelenkpunkts des Heckträgers ist am größten und nimmt vom vorderen Ende des Heckträgers zum hinteren Ende allmählich ab , was auf den geringeren Abstand zwischen dem Gelenkpunkt am hinteren Lenker und dem Gelenkpunkt des Heckträgers und den geringen Verlust an Aufprallenergie zurückzuführen ist. Die maximalen und minimalen Werte des Gelenkpunkts unter dem hinteren Lenker betragen 0,66 bzw. 0,48, und der Variationskoeffizient nimmt entlang der Längsrichtung zu. In der Nähe der Verbindungslinie des Scharniergelenks der linken und rechten Kolbenstange des Heckträgerhebers und dann am höchsten Punkt am hinteren Ende des Heckträgers erscheint eine kleine Spitze, die durch die Wechselwirkung der Heckträgerkraft verursacht wird Arm und den Kraftarm des Heckträger-Wagenhebers. Darüber hinaus ist der Einfluss des Heckbalken-Kraftarms größer als der des Heckbalken-Wagenhebers. Der Koeffizient der Kraftschwankung der vier Gruppen von Gelenkpunkten entlang der Breitenrichtung ist offensichtlicher, was hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass die Breite des Heckträgers 1,95 m beträgt und die durch die Breitenänderung verursachte Drehmomentänderung groß ist.

Erzwingen Sie die Änderung der Scharnierpunkte des vorderen und hinteren Lenkers.

Der Kraftschwankungskoeffizient des Heckbalken-Wagenheberzylinders und des Kolbenstangengelenkpunkts ist in Abb. 13 dargestellt. Wie in Abb. 13 zu sehen ist, nimmt der Kraftschwankungskoeffizient am Gelenkpunkt des Heckbalken-Wagenheberzylinders allmählich mit einer konstanten Rate zu Der Aufprallpunkt bewegt sich in Richtung des hinteren Endes des Heckträgers. Der Kraftvariationskoeffizient am Gelenkpunkt des Zylinders ist größer als der Kraftvariationskoeffizient am Gelenkpunkt der Kolbenstange, und die Maximal- und Minimalwerte betragen 3,2 bzw. 0,7. Dies liegt daran, dass der Kraftvariationskoeffizient am Gelenkpunkt des linken und des rechten Zylinders aufgrund der strukturellen Symmetrie grundsätzlich gleich ist.

Erzwingen Sie eine Änderung des Scharnierpunkts des Heckträger-Wagenhebers.

Die Scharniergelenke der hydraulischen Stütze sind der Schlüssel zur Verbindung der Stützenkomponenten und zur Kraftübertragung. Um die Änderungseigenschaften der Winkelbeschleunigung jedes Gelenkpunkts zu untersuchen, nachdem der Heckbalken an verschiedenen Positionen getroffen wurde, wurden die Winkelbeschleunigungsamplituden des oberen Balkens und des Schildbalkens, des Schildbalkens und des Heckbalkens sowie vorne und hinten gemessen Die Verbindungspunkte und die Gelenkpunkte des Heckbalkenhebers nach dem Aufprall des Heckbalkens auf das Kohlegestein werden verarbeitet und analysiert, wie in Abb. 14 dargestellt. Wie aus Abb. 14 hervorgeht, sind die maximalen und minimalen Werte der Amplitude am Gelenkpunkt des Der obere Balken und der Schildbalken betragen 1,83 rad/s2 bzw. 0,71 rad/s2 und treten in der Nähe des Gelenkpunkts des Heckbalkens und am hinteren Ende des Heckbalkens auf. Die allgemeine Änderung zeigt einen Trend, dass die Amplitude allmählich ansteigt nimmt zu, wenn sich der Aufprallpunkt zum hinteren Ende des Heckträgers bewegt, wobei die Mitte der Breitenmittellinie zu beiden Seiten hin allmählich zunimmt. Diese Änderung wird durch das erhöhte Drehmoment am Gelenkpunkt zwischen Oberbalken und Schildbalken verursacht, wenn sich der Aufprallpunkt zum hinteren Ende des Heckbalkens bewegt. Die Gesamtamplitude des Gelenkpunkts des Heckbalkens und des Schildbalkens ist zwischen 29,9 und 54,6 rad/s2 zu groß. Es ist symmetrisch zur Mittellinie der Breite und der Formänderung „groß an beiden Enden und klein in der Mitte“ in Längsrichtung, was darauf zurückzuführen ist, dass der vordere Aufprallpunkt nahe am Scharniergelenk des Heckträgers liegt Die Vibration ist stark. Wenn sich der Aufprallpunkt jedoch in Richtung des hinteren Endes des Heckträgers bewegt, erhöht sich das Drehmoment der Aufprallkraft am Gelenkpunkt des Heckträgers und die Winkelbeschleunigungsamplitude erhöht sich wieder.

Amplitude der Scharnierverbindung zwischen Oberbalken und Schildbalken, Schildbalken und Heckbalken.

Die Amplitude des Schildstrahls und des Heckstrahlgelenkpunkts in der Mitte der Heckstrahloberfläche einer Region erzeugt einen sehr kleinen Wertpunkt mit kritischen Eigenschaften, daher wird dieser Bereich als „Amplituden-Niedrigband“ bezeichnet. Der Aufprallpunkt im „Amplituden-Niedrigband“ oben: Da der Aufprallpunkt nahe am Gelenkpunkt liegt, ist die am Gelenkpunkt erzeugte Aufprallenergie stark und hat eine große Amplitude. Wenn der Aufprallpunkt unterhalb der „Zone mit niedriger Amplitude“ liegt, nehmen wir das Moment vom Gelenkpunkt als Drehpunkt, und wenn sich der Aufprallpunkt zum hinteren Ende des Heckträgers bewegt, erhöht sich der Kraftarm und das Drehmoment am Drehpunkt nimmt mit steigender Amplitude zu. Wenn der Aufprallpunkt im „Band mit niedriger Amplitude“ aufgrund der beiden oben genannten Faktoren geringer ist und dieser Bereich im oberen Scharnierpunkt des Heckträgers liegt, verbraucht der Zylinder einen Teil der Kollisionsenergie.

Die Amplituden der vorderen und hinteren Gelenkpunkte sind in Abb. 15 dargestellt. Wie in Abb. 15 zu sehen ist, ist die Amplitude des Gelenkpunkts am oberen Ende der Pleuelstange größer als die Amplitude des Gelenkpunkts am unteren Ende , und die Amplitude des hinteren Lenkers ist größer als die Amplitude des vorderen Lenkers, was durch den Abstand zwischen dem Aufprallpunkt und dem Gelenkpunkt verursacht wird. Dies wird durch den Abstand zwischen dem Aufprallpunkt und dem Gelenkpunkt verursacht, und die Aufprallenergie in der Nähe des Aufprallpunkts ist stark und die Amplitude ist groß. Die Amplitude der vier Scharnierpositionen ist grundsätzlich gleich; Die offensichtlichste Amplitude ist der Scharnierpunkt des Hinterlenkers, und die maximalen und minimalen Werte betragen 2,05 rad/s2 bzw. 0,73 rad/s2. Die Längsrichtung zeigt ein Änderungsmuster „groß an beiden Enden und klein in der Mitte“, und der Aufpralldrehmomenteffekt am hinteren Ende des Heckträgers ist größer als der Aufpralleffekt im Nahbereich. Beispielsweise zeigt Abb. 16 für den Gelenkpunkt am hinteren Lenker, dass die Amplitude einen offensichtlichen Tiefpunkt aufweist, wenn sich der Aufprallpunkt an der rechten Endfläche des Heckträgers befindet. Durch Betrachtung der Aufprallpunktkoordinaten und des dreidimensionalen Modells wird festgestellt, dass der Aufprallort genau in der inneren Struktur des Heckträgers der beiden vertikalen Plattenmitten liegt, wo die Elastizität der oberen Platte des Heckträgers am größten ist. Es besteht ein gewisser Puffereffekt. Darüber hinaus liegt die Position auf dem unteren Amplitudenband in der vorderen Mitte des Heckbalkens und erzeugt den tiefsten Punkt der Amplitudenkante unter der Doppelwirkung.

Amplitudenänderung der vorderen und hinteren Verbindungspunkte.

Analyse der Amplitude des Gelenkpunkts am Hinterlenker.

Die Amplitude des Gelenkpunkts des Heckträger-Wagenhebers ist in Abb. 17 dargestellt. Wie in Abb. 17 zu sehen ist, ist die Amplitude des Gelenkpunkts auf der linken und rechten Seite des Heckträger-Wagenhebers im Grunde gleich Symmetrie der Struktur. Daher wird die linke Seite als Beispiel für die Analyse verwendet. Die Amplitude des Zylinderscharnierpunkts nimmt allmählich zu, wenn sich der Aufprallpunkt zum hinteren Ende des Heckträgers bewegt, und die Amplitude reicht von 5,5 bis 33,3 rad/s2. Die Amplitude des Kolbenstangengelenkpunkts ändert sich vom höchsten Punkt in der Nähe des Gelenkpunkts und nimmt nach außen allmählich in Form eines Berges ab, da das Federdämpfungssystem in der Nähe der Verbindung des Bereichs während des Aufpralls mehr Energie verbraucht und der Hydraulikzylinder mehr Energie absorbiert Energie, was dazu führt, dass die Amplitude des Kolbenstangengelenkpunkts größer wird. Das dynamische Reaktionsvolumen erreicht in diesen Bereichen große Werte und bildet einen Amplitudenring-Hochbereich mit Amplituden im Bereich von 22,8 bis 92,0 rad/s2.

Amplitudenänderung des Scharnierpunkts des Heckträger-Wagenhebers.

Um die Zuverlässigkeit des virtuellen Prototypentests zu überprüfen, wurden die Parameter von Kohle und Gestein der Ortsbrust 11302 des Kohlebergwerks Zhao Lou der Yankuang Group kalibriert und Industrietests durchgeführt. Die Arbeitsfläche 11302 des Kohlebergwerks Zhao Lou der Yankuang Group, mit einem Schnitt und einem Fall, dem Bergbaufahrzeug mit parallelem Abbau und Höhlenabbau. Die Abbauhöhe der Ortsbrust beträgt 3 m, das Bruchverhältnis beträgt 1:1,2, in der Ortsbrust werden 96 Stützen vom Typ ZFY7200 verwendet. Der Achsabstand der hydraulischen Stütze beträgt 1,5 m. Die Winkelbeschleunigungssensoren und die Kraftsensoren sind zur Überwachung am Heckträger und am Gelenkpunkt des vorderen und hinteren Lenkers angeordnet. Der Versuchsort ist in Abb. 18 dargestellt. Das Gelenkpunkt-Kraftsignal wird aus den von der gesammelten Informationen gewonnen Der Sensor ist in Abb. 19a dargestellt, das Winkelbeschleunigungssignal des Scharnierpunkts ist in Abb. 19b dargestellt und die statistischen Werte der Beschleunigung und Kraft des Scharnierpunkts sind in Tabelle 6 dargestellt.

Unterirdisches Experiment.

Gesammelte Daten.

Abb. 19a und Tabelle 6 zeigen, dass die Kraftamplitude am Gelenkpunkt des vorderen Lenkers am größten ist, nämlich 75,5 % größer als die des Heckträger-Gelenkpunkts und 150,0 % größer als die des hinteren Gelenkpunkts Verknüpfung. Gemäß Tabelle 6 in Abb. 19b ist die Amplitude des Scharnierpunkts des Heckträgers am größten, gefolgt vom Scharnierpunkt am hinteren Lenker. Die Amplitude des Scharnierpunkts des Heckträgers ist 53,2 % größer als die des Scharnierpunkts am hinteren Lenker; Die Amplitude des Scharnierpunkts des Heckträgers ist 413,5 % größer als die des Scharnierpunkts am vorderen Lenker. Die Testergebnisse zeigen, dass das Kraftsignal des Gelenkpunkts am Vorderlenker beim Kohleabbauprozess am stärksten ist. Das Winkelbeschleunigungssignal am Gelenkpunkt des Heckträgers ist am stärksten, was mit dem numerischen Simulationstest des Aufpralls an verschiedenen Positionen des Heckträgers übereinstimmt. Gemäß Abb. 11b, Abb. 12a,b ist der maximale Kraftänderungskoeffizient im Aufprallsimulationstest der Gelenkpunkt des Heckträgers, gefolgt vom Gelenkpunkt am vorderen Lenker und schließlich der Gelenkpunkt am hinteren Lenker . Es gibt einen Unterschied in der Reihenfolge der Kraftamplitudenintensität gegenüber dem Untergrundtest. Der Grund für diesen Unterschied liegt darin, dass einige sensible Positionen im Simulationstest nicht beeinträchtigt wurden. Es ist aus den Abbildungen ersichtlich. 14b, 15a,b, dass die maximale Beschleunigungsamplitude im Aufprallsimulationstest der Gelenkpunkt des Heckträgers ist, gefolgt vom Gelenkpunkt des hinteren Lenkers und schließlich dem Gelenkpunkt des vorderen Lenkers, was vollständig mit den erhaltenen Ergebnissen übereinstimmt aus dem Untergrundtest. Die umfassenden Testergebnisse zeigen, dass das Signal der Gelenkpunktkraft am Vorderlenker beim Kohleabbau am stärksten ist. Das Winkelbeschleunigungssignal ist am Gelenkpunkt des Heckträgers am stärksten.

Um den besten Messpunkt der Sensorinformationserfassung zu ermitteln und die beste Installationsposition für die Identifizierung von Kohlegesteinen in vollmechanischen Höhlensensoren in der Zukunft bereitzustellen, wurden numerische Simulationstests und unterirdische Tests von Einschlägen an verschiedenen Positionen des Heckbalkens durchgeführt Die Studie ergab Folgendes:

Die Kraftvariationskoeffizienten am Gelenkpunkt des Oberträgers und des Schildträgers, am Gelenkpunkt des Heckträgers und am Gelenkpunkt des Heckträgerhebers nehmen zu, wenn sich der Aufprallpunkt vom vorderen Ende des Heckträgers zum vorderen Ende des Heckträgers bewegt hinteres Ende. Die oberen und unteren Scharnierpunkte des Vorderlenkers im Heckträger und die Heckträger-Wagenverbindung in der Nähe des Bereichs weisen einen Maximalpunkt auf, der obere Scharnierpunkt des Hinterlenkers im Heckträger-Scharnierpunkt in der Nähe des Änderungskoeffizienten ist am größten und die Kraft Der Änderungskoeffizient des unteren Gelenkpunkts des Hinterlenkers mit dem Aufprallpunkt am hinteren Ende des Heckträgers nimmt allmählich zu.

Unterschiedliche Artikulationspunkte haben beim Aufprall von Kohle und Gestein unterschiedliche Amplituden. Die Gesamtamplitude des Gelenkpunkts des Heckträgers ist größer, symmetrisch zur Mittellinie der Breite und zeigt in Längsrichtung eine Musteränderung von „groß an beiden Enden und klein in der Mitte“.

Es wird die Definition eines „Bandes mit geringer Amplitude“ auf der Oberfläche des Heckbalkens vorgeschlagen. Wenn sich der Aufprallpunkt in diesem Bereich befindet, hat die Amplitude des Gelenkpunkts kritische Eigenschaften, die Aufprallenergie und das Drehmoment haben kaum Einfluss und es ist sehr einfach, Minimalpunkte zu erzeugen.

Der Gelenkpunkt am Vorderlenker ist die optimale Einbauposition für den Kraftsensor und der Gelenkpunkt am Heckträger ist die optimale Einbauposition für den Winkelbeschleunigungssensor. Die Überwachung dynamischer Signale im Prozess des Kohleabbaus kann die Zuverlässigkeit der Ganggesteinserkennung für den vollmechanischen Kohleabbau und die adaptive Unterstützungssteuerung effektiv verbessern.

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Die Autoren möchten sich für die Unterstützung und den Beitrag des State Key Lab of Mining Machinery Engineering of Coal Industry der Liaoning Technical University, China, bedanken. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China [Grant-Nummer 51674134], der Liaoning Provincial Natural Science Foundation of China [Grant-Nummer 20170540420] und den Schlüsselprojekten des Liaoning Provincial Department of Education [Grant-Nummer LJ2017ZL001] unterstützt.

Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Liaoning, Fuxin, 123000, China

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

Das State Key Lab of Mining Machinery Engineering of Coal Industry, Technische Universität Liaoning, Fuxin, 123000, China

Lijuan Zhao

Schlüssellabor für große Industrie- und Bergbauausrüstung der Provinz Liaoning, Fuxin, 123000, China

Lijuan Zhao

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LZ stellte Materialien, Laborgeräte und Einrichtungen zur Verfügung. LZ plante und betreute die Studie. LH unterstützte bei der Modellanalyse und den Ergebnissen. HZ, XJ führten den Aufbau des Simulationsmodells, die Durchführung des Experiments, die Analyse der experimentellen Daten, Bildgrafiken, das Schreiben und die Vorbereitung von Manuskripten durch. TW, SY halfen bei der Literaturrecherche. Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und kommentiert.

Korrespondenz mit Liguo Han.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhao, L., Han, L., Zhang, H. et al. Dynamische Reaktion eines Kohlegesteins-Heckbalkens zur hydraulischen Unterstützung. Sci Rep 12, 11535 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15845-9

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Eingegangen: 16. März 2022

Angenommen: 30. Juni 2022

Veröffentlicht: 07. Juli 2022

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

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