锤击声学法锚杆轴力监测装置的设计与分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 锤击声学法锚杆轴力监测装置的设计与分析 摘 要 随着世界各地频频报导出某某矿井出现塌方，并给社会造成了巨大的 经济损失和人员伤亡，巷道的安全问题越来越引起人们的重视。锚杆支护 作为巷道的一种主要支护形式，它的安全问题成为许多煤矿安全研究工作 者的研究热点。现有的监测装置大致分为两种，一种是需要电源供电，这 类监测装置能够较准确地实现对锚杆的监测，避免塌方事故发生，但同时 为矿下的防爆工作提出了更高的要求；另一种是机械结构式，该类监测装 置可以较好的消除安全隐患，但由于结构的复杂性、成本较高及体积较大 等因素并没有得到广泛的应用。 针对目前监测装置存在的问题，本文提出了一种锤击声学法锚杆轴力 监测装置， 通过理论分析、 ANSYS结构模态仿真分析以及Virtual.lab acoustic 声场仿真分析，确定该装置各结构尺寸大小，实现了通过声音频率大小判 断锚杆轴力大小的目的。该监测装置是根据结构固有频率与其内部应力之 间的线性关系，通过改变监测装置所承受载荷大小来改变它的固有频率， 监测装置自由振动的频率为其固有频率，因此可以通过监测装置振动频率 的大小判断锚杆轴向力大小。 本文首先按振动体的振动形式分径向振动和轴向振动两种结构进行讨 论分析，对这两种结构的监测装置分别进行结构强度、模态以及受到一定 大小锤击力时振动响应和辐射声场分析，得出监测装置振动体做轴向振动 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 时的监测结果优于振动体做径向振动时的结果。因此，选择环形板作为振 动体，并确定监测装置由上盖和下部托盘两部分组成，下部托盘包括底座 和环形板两部分。 最后在结构尺寸和监测参数两个方面对监测装置的性能进行分析。分 析结果如下 （1）对监测装置三个结构尺寸分析可以得出，通过外伸长度 L 可以改 变声音频率随载荷变化区间的位置，但区间大小不变，进而可以将声音的 频率控制在低频区域；通过锥度α和轴向距离 h 可以改变声音频率随载荷变 化区间的大小，进而可以实现对监测装置灵敏度的调节，但会受到监测装 置结构强度的限制。 （2）对五个监测参数分析可以得出，载荷变化 17.8 t，听到声音的频率 变化 216.92 Hz；锤击力允许在 3-10N 范围内变化，锤击点的位置可以在环 形板整个圆周范围内，其达到的监测效果一样，且方便人为操作；监测时， 工作人员应该站在与锚杆轴线呈 75 度角范围内，最好是沿监测装置轴线延 长线附近，这样听到声音的效果最佳，得到的监测结果更加准确；监测装 置结构模态阻尼比对声音的声压幅值会有影响，但不影响对声音频率的识 别，可以不予考虑。 关键词锚杆轴力监测，锤击，固有频率，自由振动，声音频率 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DESIGNING ANDANALYSIS OFABOLTAXIAL FORCE MONITORING DEVICE OF HAMMER ACOUSTIC ABSTRACT As the frequent reports of collapse of so- and- so mines from all over the world, huge economic losses and casualties have been caused to the society. Roadway safety problems has increasingly arisen peoples attention. Anchor bolt support is served as a main roadway supporting , its security problem has been become the research focus of many coal mine safety researchers. Existing monitoring devices can be roughly divided into two types. One is supplied by power, which can accurately realize the monitoring of anchor bolt, avoiding collapse accident; but at the same time, higher requirements have been put forward to explosion- proof work in the mine. Another type is a mechanical structural , which can better eliminate security hidden troubles, but due to its complex structure, high cost and large volume, etc., this type of monitoring device has not been widely used. Targeted at the problems existing in the monitoring devices, this paper proposes a bolt axial force monitoring device of hammer acoustic . Each structure size of that device has been confirmed through theoretical analysis, 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV ANSYS structure modal simulation analysis and Virtual. lab acoustic sound field simulation analysis, achieving the target of judging anchor bolt axial force through magnitude of sound frequency. Based on structure inherent frequency and linear relations with its internal stress, the monitoring device changes its inherent frequency that is the free vibration frequency of the monitor device through changing load sustained by the monitor device. Therefore, it can judge the magnitude of the anchor bolt axial force via the magnitude of vibration frequency of the monitor device. This paper firstly conducts discussion and analysis based on two vibration structure, that is, radial vibration and axial vibration. It carries out structural strength, modal and vibration response as well as sound field radiation analysis when impacted by a certain magnitude of the impulse force respectively on monitoring devices of these two structures. Monitoring result of vibration body of monitoring device doing axial vibration is better than that of the vibration body doing radial vibration. Therefore, an annular plate is selected as a vibration body; monitoring device consists of two parts, upper cover and lower tray that is constituted by a base and an annular plate. Finally, analysis has been conducted on the property of a monitoring device in two aspects of structure size and monitoring parameter. Analysis results are shown as below 1 According to analysis of sizes of three structures of monitoring device, it obtains that position of sound frequency loading change interval can be 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V changed through extending length L with unchanged size of interval, and then sound frequency can be controlled within low- frequency area; the magnitude of sound frequency loading change interval can be changed through taper α and axial distance h, so as to realize adjustment of sensitivity of monitoring device, but which will be limited by structural strength of monitoring device. 2 From analysis of the five monitoring parameters, it can conclude that the load change is 17.8t and frequency change of sound heard is 216.92 Hz; impulse force is allowed to change within the scope between 3 and 10N, which can reach the same monitoring results and user- friendly; stuffs shall stand at the 75- degree angle with anchor bolt axial line, the best position of which is around the extending line of axial line along with monitoring device. By doing this, it can obtain the most accurate monitoring effect through hearing the best effect of sound. Damping ratio of structural modal of monitoring device will affect acoustic pressure amplitude of sound, but without no influence on identification of sound frequency, so that it can be omitted from consideration. KEY WORDSmonitoring of axial force of rock bolt，hammering，natural frequency，free vibration，the frequency of sound 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目 录 第一章 绪论...................................................................................................................................1 1.1 本课题研究的背景及意义............................................................................................1 1.2 国内外研究动态.............................................................................................................2 1.2.1 供电型锚杆监测装置.............................................................................................2 1.2.2 机械结构式锚杆监测装置.....................................................................................6 1.3 本课题研究的内容与方法...........................................................................................7 第二章 锚杆轴力监测装置设计理论......................................................................................9 2.1 锚杆的分类......................................................................................................................9 2.2 标准环形圆板的自由振动.........................................................................................10 2.3 结构固有频率与其应力的关系................................................................................12 2.4 锤击声学法锚杆轴力监测装置的工作原理.........................................................13 第三章 径向振动体监测装置结构设计与分析.................................................................15 3.1 径向振动体监测装置结构设计................................................................................15 3.2 径向振动体监测装置结构强度分析...................................................................... 16 3.2.1 承载体强度理论计算...........................................................................................16 3.2.2 整体结构强度分析............................................................................................... 17 3.2.3 监测装置各部件材料的选择...............................................................................18 3.3 径向振动体监测装置结构模态分析...................................................................... 18 3.4 径向振动体监测装置声场分析................................................................................19 3.4.1 锤击激励................................................................................................................20 3.4.2 径向振动体监测装置振动响应分析..................................................................21 3.4.3 声场分析方法的选择...........................................................................................22 3.4.4 声学网格大小的确定...........................................................................................23 3.4.5 径向振动体监测装置辐射声场分析..................................................................24 3.5 本章小结.........................................................................................................................25 第四章 轴向振动体监测装置结构设计与分析.................................................................27 4.1 轴向振动体监测装置结构设计................................................................................27 4.2 轴向振动体监测装置结构强度分析及材料选择................................................28 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 4.2.1 监测装置结构强度分析.......................................................................................28 4.2.2 监测装置结构材料的选择...................................................................................30 4.3 轴向振动体监测装置结构模态分析...................................................................... 30 4.3.1 监测装置结构的固有频率与主振型..................................................................30 4.3.2 载荷与结构固有频率之间的关系......................................................................32 4.4 轴向振动体监测装置声场分析................................................................................32 4.4.1 监测装置结构振动响应分析...............................................................................32 4.4.2 轴向振动体监测装置的声学网格......................................................................33 4.4.3 监测装置辐射声场分析.......................................................................................33 4.5 下部托盘结构的改进设计.........................................................................................35 4.6 下部托盘结构的可行性分析....................................................................................35 4.6.1 结构强度计算........................................................................................................35 4.6.2 监测装置结构模态分析.......................................................................................36 4.6.3 监测装置辐射声场分析.......................................................................................38 4.7 本章小结.........................................................................................................................40 第五章 结构尺寸对监测装置性能的影响.......................................................................... 41 5.1 锤击声学法锚杆轴力监测装置结构尺寸介绍....................................................41 5.2 外伸长度对监测装置性能的影响...........................................................................41 5.2.1 对监测装置结构强度的影响...............................................................................42 5.2.2 外伸长度对装置结构模态的影响......................................................................43 5.2.3 对监测装置辐射声场的影响...............................................................................44 5.3 锥度对监测装置性能的影响....................................................................................45 5.3.1 不同锥度的监测装置结构强度分析...................................................................45 5.3.2 监测装置不同锥度下结构模态分析...................................................................46 5.3.3 不同锥度下监测装置的声场分析.......................................................................48 5.4 轴向距离对监测装置性能的影响...........................................................................49 5.4.1 轴向距离对监测装置结构强度的影响..............................................................49 5.4.2 轴向距离对监测装置结构模态的影响...............................................................51 5.4.3 不同轴向距离下监测装置辐射声场分析...........................................................52 5.5 本章小结.........................................................................................................................53 第六章 锤击声学法锚杆轴力监测装置性能分析.............................................................55 6.1 监测装置所承受载荷大小的分析...........................................................................55 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 6.1.1 载荷的设定............................................................................................................55 6.1.2 载荷大小对监测装置结构模态的影响..............................................................55 6.1.3 载荷大小对监测装置辐射声场的影响..............................................................57 6.2 锤击力大小分析...........................................................................................................59 6.2.1 锤击力大小对结构振动响应的影响..................................................................59 6.2.2 锤击力大小对辐射声场的影响.......................................................................... 60 6.3 锤击点的位置分析......................................................................................................61 6.3.1 锤击点位置对监测装置振动响应的影响..........................................................61 6.3.2 锤击点位置对辐射声场的影响.......................................................................... 63 6.4 监测者所处场点的位置分析....................................................................................63 6.4.1 场点与监测装置之间的距离...............................................................................63 6.4.2 场点所处监测装置的方位...................................................................................65 6.5 结构阻尼比对监测装置性能的影响...................................................................... 67 6.6 本章小结.........................................................................................................................68 第七章 展望与总结................................................................................................................... 69 7.1 本文总结.........................................................................................................................69 7.2 不足与展望....................................................................................................................70 参考文献..........................................................................................................................................71 致 谢...............................................................................................................................................75 攻读硕士学位期间科研成果....................................................................................................77 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 本课题研究的背景及意义 锚杆从使用到现在虽然已有一百多年的历史，但是它是在最近四、五十年时 间里得到广泛的使用。锚杆支护现已成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形 式。1956年我国开始在煤矿巷道内使用锚杆支护，但由于技术、使用条件等原因， 锚杆支护的发展比较缓慢。 锚杆支护是一种结构较简单的主动支护， 它具有安装简单、 成本较低、控制围岩变形效果较好等特点[1]。 由于煤矿井巷工程围岩条件的复杂性，施工质量控制比较困难，而且近年来由于掘 进面的不断延伸和开采范围的扩大，因锚杆支护失效造成的巷道冒顶事故时有发生[2]。 为了避免给人类和社会造成巨大人员伤亡和经济损失，确保锚杆支护安全、可靠，必须 对锚杆支护质量进行监测，在工程事故发生之前采取相应的安全措施。在锚杆支护巷道 的有效期限内，及时准确的对锚杆支护质量进行监测，对锚杆支护工程的正常维护和矿 井安全生产具有十分重要的意义[3]。 目前，巷道锚杆支护的监测仪器主要分为两大类，一类是顶板离层变形监测，采用 顶板离层仪、 多点位移计、 位移收敛计等,顶板离层监测的目的是及早发现顶板失稳冒落 的征兆，同时也是锚杆支护设计的重要依据；另一类是锚杆受力监测，通过对锚杆受力 大小的监测可以判断锚杆满载程度，是否屈服、断裂，进而判断围岩是否稳定以及锚杆 支护参数是否合理[4]。本文主要是对锚杆轴力监测装置进行研究。 大部分锚杆轴力监测装置需要电源供电，这为在煤矿巷道底下测试带来安全隐患， 也对防爆提出了更高的要求。目前，在国内对锚杆轴力监测装置的研究仍处于理论 阶段，还没有在实践当中得到广泛的应用。因此，需要研究一种新型的无需电源供 应，结构简单、安装方便，对锚杆的锚固质量不会产生影响，能够对整个锚杆支护工程 进行长期有效的、低成本、准确监测的锚杆轴力监测装置。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.2 国内外研究动态 现有的各种锚杆监测装置大致分为两种，一种是需要电源供电的监测装置，这类监 测装置能够较准确地实现对锚杆的监测，避免塌方事故发生，但同时为矿下的防爆工作 提出了更高的要求，给瓦斯爆炸带来了安全隐患；另一种是机械结构式监测装置，该类 监测装置可以较好的消除安全隐患，但由于结构的复杂性、成本较高及体积较大等因素 并没有得到广泛的应用。 1.2.1 供电型锚杆监测装置 （1）电阻应变式测力锚杆 邢龙龙、张自成、樊志斌提出了一种电阻应变式测力锚杆。该锚杆主要是在常用锚 杆的杆体两侧各对称开一个矩形断面沟槽，如图 1-1 所示，再将电阻应变片放在该沟槽 内，作为传感器来测定锚杆的受力状态[5-7]。图 1-1 为电阻应变式测力锚杆，其中左侧为 测力锚杆断面图，右侧为电阻应变片的布置图。 图1-1 电阻应变式测力