钻式采煤机钻具力磁耦合模型研究.pdf

第 4 2卷 第 l 期 2 0 1 6 年 1月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i n e Aut oma t i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 1 J a n．2 01 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 4 4 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 3 王君 ， 李倩钰 ， 童敏明， 等． 钻式采煤机钻具力磁耦合模型研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 4 4 4 7 ． 钻式采煤jI 『【 钻具 磁耦合模型研究 王君 ， 李倩钰 ， 童敏明 ， 张丹。 ， 杜长龙 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 安 大 略理工 大学 ， 加拿 大 安大 略省 奥沙 瓦 L 1 H 7 K4 摘 要 根 据 采煤机钻 具 的受 力特 点 ， 研 究 了钻具 力磁 之 间的 特征 关 系， 建立 了钻 具 力磁 耦 合模 型 。通过 分析 该模型 可 获取 应 力和 漏磁 场之 间的 特定耦 合 关 系， 从 而可根 据磁 场分 布 间接 获得 钻具的 应 力信 息 ， 达到 实时监 测 、 安 全 生产的 目的 。仿真 与测试 结果验 证 了该 模 型的 正确性 。 关键 词 采煤机 钻 具 ； 磁 测应 力 ；力磁耦 合模 型 ；漏磁 场 中图分类号 TD 4 2 1 ． 6 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 5 ～ 1 2 3 1 1 5 5 7 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 1 2 3 1 ． 1 5 5 7 ． 0 1 3 ． h t ml Re s e a r c h o f ma g n e t o me c ha n i c a l c o u p l i n g mo d e l o f dr i l l i ng t o o l f o r a u ge r t y p e s h e a r e r W ANG J u n ， LI Qi a n y u ，TONG M i n mi n g ， Z HANG Da n ， DU Ch a n g l o n g 1． Sc ho ol o f I nf o r ma t i o n a nd El e c t r i c a l En gi n e e r i ng，Chi na U n i v e r s i t y o f M i ni n g a n d Te c hn o l og y， Xu z hou 2 21 0 0 8，Chi n a； 2． U n i v e r s i t y o f On t a r i o I ns t i t u t e o f Te c hn o l og y，Os ha wa o n L1 H 7 K4，Ca n a d a Ab s t r a c t Ac c o r di n g t o t he me c h a n i c a l f or c e c ha r a c t e r i s t i c s o f dr i l l i n g t o ol f o r a u ge r t y pe s h e a r e r ．t h e c ha r a c t e r i s t i c r e l a t i on s hi p be t we e n f o r c e a nd ma g ne t i c f i e l d o f dr i l l i n g t oo l wa s s t u di e d，a nd t he ma g ne t o me c ha n i c a l c ou p l i ng mo de l wa s e s t a bl i s he d． Ce r t a i n c o up l i ng r e l a t i o ns hi p b e t we e n t he s t r e s s a nd t h e 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 0 1 6 ； 修 回日期 2 O 1 5 一 l 1 - 1 9 ； 责任编辑 张强 。 基金项目 国家自然科学基金项 目 5 1 4 2 8 5 0 1 ； 江苏省普通高 校研究生科研创新计划项 目 S J L X1 5 0 6 9 4 。 作者简介 王君 1 9 9 1 一 ， 男 ， 山东 臼照人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为检测技术及其 自动化 ， E - ma i l ； w j 一 0 2 1 9 c u ret ． e d u ． C II 。 参 考文 献 [1] 王金凤 ， 朱怡晨 ， 冯立杰 ． 煤矿生产物流系统资源 配置 效率研究 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 4 ， 4 6 8 1 1 4 1 1 7 ． [ 2] 赵 明忠． 基于 B P神经网络和证 据理论 的煤矿生产 物 流系统评价[ D ] ． 郑州 郑州大学 ， 2 0 1 0 ． [ 3]王金凤 ， 翟雪琪 ， 冯立杰． 面向安全硬约束 的煤矿 生产 物流效率优 化研究 [ J ] ． 中 国管 理科 学， 2 0 1 4 ， 2 2 7 5 9 - 6 6 ． [ 4] 钟永光 ， 贾晓菁 ， 钱 颖 ， 等． 系统动 力学[ M] ． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 9 ． r 5] B OUL OI Z H ， GARBOLI NO E， TK1 0UAT M ， e t a 1 ． A s y s t e m d y n a mi c s mo d e l f o r b e h a v i o r a l a n a l y s i s o f s a f e t y c o n d i t i o n s i n a c h e mi c a l s t o r a g e u n i t [ J ] ． S a f e t y Sc i e n c e， 201 3， 5 8 3 2 40． [6 ] 何刚． 基于系统动力学的煤矿安全管理水平 仿真研究 [ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 1 0 ， 2 2 8 2 0 1 3 2 0 1 7 ． [7] 刘业娇 ， 曹庆 贵 ， 王 文才 ， 等． 煤 矿安全 管理 的系统 动 力学仿真分析 [ J ] ． 中国安全 科学 学报 ， 2 0 1 0 ， 2 0 9 45 5 O． [ 8] 张志强 ， 冯立杰 ， 王金凤． 煤矿水灾害影响 因子 的系统 动力学研究[ J ] ． 工业工程 ， 2 0 1 2 ， 1 5 2 1 2 8 1 3 3 ． [ 9] 刘超 ， 徐飞鸿 ， 路英． 基 于系统动力学 的货 币政 策多 目 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c s t r e s s ； m a gne t o me c ha n i c a l c ou pl i n g mo de l ； l e a ka g e ma gn e t i c f i e l d 0 引 言 钻式采煤机是适合薄煤层 开采 的采煤装备 ， 薄 煤层开采不仅对提高煤炭资源的利用率 、 降低 资源 浪 费起 到重 要作 用 ， 而且 有 利 于煤 炭 工 业 的 可 持续 发 展 ] 。由于煤 层地 质结 构 复杂 ， 煤岩 分界 不 确定 ， 且 煤层 中有矸 石 ， 当钻 式采 煤 机 钻 头 遇 到 岩 层 或矸 石 时 ， 钻具 受力 突 然增 大 ， 应 力在 钻具 中的连 接处 或 缺 陷处 容 易发 生 积 聚 ， 造 成 钻 具 的断 裂 。要 解 决 这 个 问题 ， 需 要实 时 监测 采煤 机钻 具 的受力 情况 。 在 应 力 检 测 领 域 中 ， 国 内外 学 者 进行 了很 多 的 研究。赵如发[ 2 和张卫民等_ 3 利用磁测法对残余应 力进行 了检测 ， 并把结果分别与盲孑 L 法 和 x射线法 进 行 了 比 较 ， 得 出 了 非 常 相 近 的 结 果 ； Ma c i e j R o s k o s z 等 研究了剩磁场磁场梯度与等效残余应 力之间的相关性 ， 并计 算 出两者 之间 的特定 方程。 但上述研究只限于特定铁磁体 构件 ， 不适用 于钻式 采煤 机 钻具 应力 信息 的获 取 。钻具 的应力参 数 通常 无法 直 接检 测 ， 但 可通 过 检 测 应 力 引 起 钻杆 内部 磁 场参 数 的变 化 间接 得 到应 力 的大 小 和 分 布 。 因此 ， 构建钻具力磁耦合模型 是实现钻具应力 检测 的关 键 。本 文根 据钻 具 的力学 特性 建 立 了特定 的力 磁耦 合模型 ， 通过分析该模 型便可获取应力和漏 磁场之 间的特 定耦 合关 系 ， 从 而可 根 据 磁 场 分 布 间 接 获得 钻具的应力信息， 达到实时监测 、 安全生产的 目的。 1 铁磁 体 构件 力磁 耦合 模 型的 建立 铁磁体在外力作用下会 出现位错滑移运动 ， 位 错滑移运动引起 晶体位错密度的增加， 在裂纹等缺 陷的部位形成应力积聚 ， 使构件磁阻增加 ， 磁通磁路 畸变 ， 在 构件 表面 形成 漏磁 场 的磁信 号[ 5 ] 。磁 测 应 力 的基 本 检 测 机 理 可 以 表 示 如 下 F一 △ 一 △ 一 △ H， 其中 F为铁磁体所受外力 ； A a为铁磁体 内部 应力变化 量； △ 为磁导率变化量 ； △ H 为漏 磁信号 的变化量 。因此 ， 可通过测量铁磁材料在应力作用 下 引起 的漏磁 信号 ， 实 现对 应力 的 间接检 测 。 力磁耦合关系的内外 2个过程如图 1 所示。在 建立 力磁 耦合 模 型 的 过程 中 ， 首 先 要 从 微 观 层 面 入 手 ， 根据 自由能的最小稳定状态 ， 结合 已知的电磁学 公式 ， 建立合理的等效研究模型 ， 推导出力磁耦合的 关 系式 ； 然后 再上 升到 宏观 层面 ， 应力 引起 的磁 化强 度 始终 朝无磁 滞 磁化 强 度 变 化 ， 建 立 力磁 耦 合 的宏 观模 型 。 塑 壅 丽 翌茎 图 1 力磁耦 合关 系的内外 2 个 过程 力磁耦合模型的具体建立步骤 1 分 析 应 力 作 用 下 铁 磁 体 的微 观 磁 化 。如 图 2 所示 ， 铁磁体微观体积元所受应力 为 ， 为 了便 于建模 ， 可 使磁 化强 度 M 的大 小沿 Y轴方 向依 次增 加 ， 分别 为 M1 ， M2 ， ⋯ ， ， 将 其沿 轴 方 向磁 化 。 图 2 应力作用下铁磁体 的微观磁化 2 对单位体积元进行磁化能量分析。根据各 个体 积元 自由能状 态 ， 将 G i b b s自由能 G a ， Mi 在 ， M 一 O ， O 处进行泰勒展开 ， 得到有效场多项 式 函数 H 一 a G， a M 。 3 简化多项式模型 。根据 We i s s 分子场理论 修 正 L a n g e v i n 函 数 表 达 式 ， 简 化 磁 化 强 度 项 1 f 一 M 。其 中 是 一 ／ Me ， 为 初 始 状态 的 线 性 磁 化 率 ； y M 为 自由 磁 化 率 ； 为 Kr o n e c k e r 函数 ； M 为饱 和磁化 强度 。 4 利用应 力 对 铁磁 体 最大 磁 致伸 缩 应 变 的 作 用关 系式 一一 。 。 为饱 和磁 致 伸 缩系数 ， 。 为 非线 性 弹 性 应 变 获 得 微观 磁 弹性 一 能的 耦合 应变表达式￡ 一 号 1 一 ／ 。 M E ⋯- S 为杨 氏模量 ， 为饱 和 弹性 应 力 。 5 在应力作用下的铁磁体 中， 分子场远远大 于有效 场 ， 据此进 一 步对模 型进 行工 程简 化 。 4 6 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 fe 一 1 一 ／ o ,M 2 1 H ～ 一 M 式 1 为铁磁体构件在应力作用下 的普遍性力 磁耦 合模 型 ， 由于采 煤 机钻 具 在 实 际工 作 中受力 情 况复杂， 所 以， 式 1 表示的耦合模型关 系无法准确 描述采煤机钻具的力磁耦合方式， 需要分析采煤机 钻具的受力特点 ， 建立适合采煤机钻具的特定力磁 耦合 模 型 。 采煤 机 钻 具 工 作 时 的 受 力 情 况 如 图 3所 示 。 为切削角， y为钻具旋转角 ， 3个力作用方 向相互 垂 直 。截 割 阻力 F 始终 与截齿 运动 轨迹 相切 ， 是截 齿的主要作用力； 进给阻力 F 。 在与回转平面成 7角 的平面上； 侧向阻力 F f 垂直于由 F 和 F 。 所形成的 平 面 ， 指 向钻进 方 向的反方 向。 匕 图 3 采煤 机钻具受力情况分析 钻式 采煤机钻具 在钻进过程 中的受力为 F 。 ， F ， F f 的合力 F， 建立如图 4所示 的坐标系， 将合力 F 投 影 到 钻 具 受 力 坐 标 系 OXY Z 的 0X 轴 、 0y轴 、 0 Z 轴 ， 得 到 钻 具 的 内 部 应 力 ， ， 。 图 中， C O为 钻 具 转 动 的 角 速 度 ， 为 钻 具 的 掘 进 速 度 。 ． ， 一 i D 一- 1 y／ y ／ ．- l ’ 1 Z 图 4 采煤机运行时钻具受力情况分析 采煤 机钻 具在 遇 到 岩层 或 矸 石 时 ， 受力 突 然 增 大 ， 在钻具中的连接处或缺陷处容易发生应力积聚 ， 产生一个大的磁偶极子 ， 增加了钻具的磁阻， 使磁力 线 发生 畸变 ， 并 在 缺 陷 处 形 成 漏 磁 场 的磁 信 号 ， 因 此 ， 可以通过检测此漏磁场 的磁信号来判断钻具 的 应 力状 况和 缺陷位 置 。 为 了建模 方便 ， 简化 采煤 机钻具 的物 理模 型 ， 如 图 5所 示 。 应 力 漏磁场磁力线 z “ ’ ’ | B o 0 ／ 空 气 。 t f 钻 具 ’ ／ V 图 5应 力 作 用 F的 采 煤 机 钻 具漏 磁场 分 布 在 应 力 积 聚 区 平 面 XO Z 中 ， 应 力 积 聚 区 的等 效体积元为 V， 漏磁场谐波信号为 B， 其在 XO Z平 面 内与轴 向Z 的夹 角为 a ， 正 方 向为 X 方 向 ， 在 单位 体积元内的应力积聚表达式参数可表示为 JV B。 为钻具 的相 对磁导 率 ， z 为检测 位 置与 应力 积 聚 区 的距 离 ， 为应 力积 聚区域 的切 肤深度 ， 。为应 力积 聚区域的等效体积元 ， 钻具力磁耦合 的特征关 系式 可表示 为 H 一 [ 3 C O 8 3 0 C O S J9 -- Z ～ C O S ff C O S 2 结合式 1 ， 得到采煤机钻具 的力磁耦合关 系 式为 H 一 一 F 3 c o s 。 , c o s ,e - 口 一 C O S 。 O C O S 3 3 采煤 机钻具 力磁 耦合模 型 的仿真 分析 对 于 典型 的漏 磁 场 分布 ， 磁 感 应 强度 的法 向分 量过零值点处恰好是其轴 向分量的最大值位置。因 此 ， 可 以根据该 特 点来 判 定应 力 的积 聚 。设 介 质相 对 磁导 率 一2 0 0 ， o 2 mm， V一0 ． 0 0 1 mm。 ， h 一 6 mm， 建 立 水平 方 向为 X， 垂 直 方 向为 Y的二 维 坐 标系 。口表示 磁 化 方 向与 法 线 的夹 角 ， 而 磁 化 方 向 体现了应力 的加载方向。当 在 0 3 6 0 。 变化时， 根 据三角函数的性质 ， 磁感应强度 H 沿 z方 向上 的 分 布呈周 期性变 化 ， 因此 ， 只要研 究 在 O ～9 O 。 的变 化 ， 就可 以获 得 H 的变 化 规 律 。选 取 为 0 ， 3 0 ， 6 O ， 9 O 。 时漏磁 场 的磁感 应强度 分 布来 对模 型 进行 分 析 。根据式 3 可计算并画出漏磁场在 方向的磁 感 应强度 H 的变 化 曲线 ， 如 图 6所示 。 2 0 1 6 年 第 1期 王君等 钻 式采 煤机 钻具 力磁耦 合模 型研 究 4 7 4 0 f 3 0 2 0 O 一 1 0 0 l o 0 2 0 0 3 0 0 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 n1 m b 一 3 0 。 3 0 20 1 0 。 一l O ～2 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 x／ m m c 』9 6 0 d 卢 一9 O 图 6当 |9 取不同值时漏磁场沿 z方 向的 磁感应 强度 变化 曲线 从 图 6可 以看 出 ， 在 0 ～9 0 。 变 化 时 ， 其 形 状逐 渐 发生 变化 。当 0 。 时 ， 漏 磁 场 方 向与法 线垂 直 ， 在应 力 积 聚 区域 ， 磁 感 应 强 度 取 最 大值 ； 当 一3 O ， 6 O 。 时 ， 漏磁 场 磁感 应强 度轴 向分 量 与法 向分 量 共 同 作用， 体现 口 在 0 ～9 0 。 变化 时的漏磁场感应强度分 布 变化 趋 势 ； 当 口 一9 O 。 时 ， 漏 磁 场 方 向与 法 线 一致 ， 在应 力 积 聚 区 ， 磁感 应强 度 过零 点 。 4实 验测 试 选取煤矿钻式采煤机钻具进行实验， 该 钻具试 件直径 为 1 0 mm， 试件 总长度为 3 0 0 mm， 标 距为 2 0 0 mm。在 C S S 一4 4 1 0 0型 加 载 机 上 进 行 应 力 测 试 ， 3组 试件 载荷 分别 加 载 到 1 2 ， 1 6 ， 2 0 k N， 沿 试 件 检 测线 分别 检 测漏 磁 场磁 感应 强度 的轴 向分 量 与法 向分量 ， 在 2 0 0 mm 长 的检测线 上设置 2 5个测试 点 。用 T S C 一 4 M一1 2磁 检 测 仪 测 量并 记 录 各 测 量 点磁感 应 强度 的轴 向分 量 H 和法 向分 量 H 。测 试结果如图 7所示 。 从 图 7 a 可 以看 出 ， 所 获得 的漏 磁 场磁 感应 强 度轴 向分量的分布与图 6 a 中的 J9 一O 。 时的分布保 持一 致 ； 从 图 7 b 可 以 看 出 ， 所 获得 的 漏 磁 场 磁 感 应强 度法 向分 量 的 分 布 与 图 6 d 中 的 一 9 O 。 时 的 分布保持一致 。由此可见， 通过该模型所得 的仿 真 结果与实验测试结果保持一致 ， 可以验证力磁耦合 模 型的 准确性 。 5 结语 根据钻式采煤机钻具 的应力分布特点 ， 建立 了 手 S 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 x／ mm a 漏磁场磁感应强度轴向分量分布 曲线 b 漏磁场磁感应强度法 向分量分布曲线 图 7 3组试件在检测线方 向上漏磁场磁感应强度 的 轴向与法向分量分布曲线 针 对采 煤机钻 具 的力 磁 耦 合 模 型 ， 将 该 模 型 与 实验 结 果进 行对 比 ， 发 现两 者具 有很好 的相 关性 ， 耦合模 型中 O 。 和 p 一9 0 。 的分布曲线可 以分别表示漏磁 场磁感 应强 度 的轴 向和法 向分量 。通 过该模 型 可以 获得应力与漏磁场信号之 间的耦合关系 ， 根据该耦 合关系可以表达出采煤机钻具在受到切割阻力下的 内部应力积聚情况 ， 据此对采煤机钻具应力进行监 测， 避免了钻杆因应力超负荷而发生断裂事故。 参考文献 E l i郭玉 辉 ， 王赞． 浅 谈薄 煤层 开采 技术 现状 与发展 趋势 [ J ] ．煤矿开采 ， 2 0 1 2 ， 2 2 1 1 - 2 ． E 2 ] 赵如发． 磁测 残余应 力法在工 程 中应用探 试[ J ] ． 工程 力学 ， 1 9 9 6 ， 1 3 增 刊 1 4 3 3 4 3 8 ． [ 3 ] 张卫 民， 郭欣 ， 袁俊杰 ， 等． 金属试件残余应力及损伤 的 磁记忆 检测 方 法研 究 I- J ] ． 无损 检测 ，2 0 0 6 ， 2 8 1 2 62 3 6 25 ． [ 4 ] R OS K OS Z M ， B I E NI E K M．E v a l u a t i o n o f r e s i d u a l s t r e s s i n f e r r o ma g n e t i c s t e e l s b a s e d o n r e s i d u a l ma g n e t i c f i e l d me a s u r e me n t s [J] ． ND TE I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 2 ， 4 5 1 5 5 - 6 2 ． E 5 3 王威 ， 王社 良， 苏三庆． 钢铁材 料结构磁 力耦 合检测 机 理 E J ] ． 建 筑技 术开发 ， 2 0 0 4 ， 3 1 7 1 6 - 1 7 ． [ 6 ] 仲维 畅． 铁磁性物 体在地磁 场 中的 自发 运动磁 化E J ] ． 无 损 检测 ， 2 0 0 5 ， 2 7 1 2 6 2 6 6 2 7 ． [ 7 3 J I L E S D C ． Th e o r y o f t h e ma g n e t o me c h a n i c a l e f f e c t L J ] ．J o u r n a l o f P h y s i c s D Ap p l i e d P h y s i c s ， 1 9 9 5 ， 28 8 15 3 7 1 54 6．