Estudio de características mecánicas de grupo perforador de anclaje para excavación rápida

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 4524 (2023) Citar este artículo

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Con el objetivo de abordar el problema del desequilibrio entre la relación de eficiencia de excavación y anclaje en la mina de carbón subterránea, se propone un nuevo tipo de unidad de operación paralela de excavación-soporte-anclaje para mejorar la eficiencia de la excavación. Teniendo en cuenta los factores desiguales del techo y el piso de la carretera de la mina de carbón, se estudia la influencia de diferentes ángulos de perforación y ángulos de soporte de las piernas en la fuerza de soporte de las piernas bajo la condición de perforación simultánea de múltiples equipos de perforación. Los resultados muestran que la fuerza máxima de apoyo es de 4.002 KN cuando el ángulo de la pierna es diferente y el ángulo de perforación es diferente. Al construir el modelo de vibración de acoplamiento del proceso de perforación con múltiples perforaciones y utilizar el método de Lagrange para resolver la ley de vibración de los componentes clave del sistema de anclaje, la ley de vibración de la tubería de perforación bajo diferentes factores que influyen, como la extensión del voladizo, la perforación múltiple simultánea Se estudia la perforación y el ángulo de incidencia de la perforación. Los resultados mostraron: (1) La vibración de la tubería de perforación en el estado de extensión en voladizo es más severa que en el estado retraído, y el pico máximo de vibración alcanza los 7,61 mm. (2) La respuesta de vibración de la tubería de perforación es más intensa cuando cuatro equipos de perforación con anclaje superior perforan al mismo tiempo. Bajo las condiciones de trabajo de sólo dos equipos de perforación, la respuesta de vibración de la tubería de perforación es la más pequeña. (3) A medida que aumenta el ángulo de perforación de la plataforma de perforación, la respuesta de vibración de la tubería de perforación es más severa y la amplitud de vibración es mayor. Se construye un prototipo de prueba para simular el proceso real de perforación de anclaje y se obtiene la ley de vibración de la plataforma de soporte y del equipo de perforación a través del sistema de detección de vibraciones. Los resultados de las pruebas muestran que la ley de vibración de los componentes clave es aproximadamente la misma que los resultados de la simulación teórica. Los resultados teóricos relevantes pueden proporcionar una base técnica para la estabilidad de perforación del sistema de anclaje.

La proporción de minería subterránea está seriamente desequilibrada y el nivel de automatización minera está relativamente atrasado. Las desventajas de una operación de anclaje prolongada y de alta resistencia restringen seriamente el desarrollo de la operación de excavación. Foresight Energy ha diseñado un camión perforador con varilla de anclaje de 6 brazos, que puede realizar sincrónicamente la operación de anclaje del techo y mejorar la eficiencia del anclaje1.

Durante la perforación, a menudo se producen vibraciones incontrolables, lo que resulta en una baja eficiencia de perforación y un aumento de los costos2. La existencia de una excitación especial durante la perforación suele provocar una respuesta vibratoria incierta3,4,5,6. Los trabajos9,10,11,12 estudiaron el comportamiento vibratorio discontinuo del movimiento periódico basado en un sistema de colisión de 3 grados de libertad. En la Tabla 1, se propone la estrategia del método de control de vibración y respuesta dinámica en el sistema de vibración de múltiples grados de libertad, lo que mejora el rendimiento de la respuesta del sistema.

Considerando la interacción entre la vibración de la broca y la roca, académicos relevantes han establecido un modelo de sistema del proceso de perforación para estudiar la ley de vibración axial de la sarta de perforación bajo acción de acoplamiento o desacoplamiento14,15. El trabajo16 analizó la ley de vibración axial de la tubería de perforación con la ecuación diferencial parcial de la sarta de perforación. En el trabajo17 se estudió el modelo matemático de vibración axial de la sarta de perforación bajo excitación combinada. Las investigaciones del trabajo18 estudiaron la interacción entre la sarta de perforación y el pozo durante el disparo mediante la construcción de un modelo de análisis estático. El trabajo19 estableció un modelo de análisis de vibraciones basado en la propagación de ondas planas a través de la masa distribuida de la sarta de perforación. Yigit y Christofru21 estudiaron la ley de carga axial y carga de vibración transversal de la sarta de perforación simplificando el modelo de la sarta de perforación como una viga esbelta. En la Tabla 2, la ley de respuesta a la vibración multidireccional de la sarta de perforación en el proceso de perforación se estudia utilizando tecnología de elementos finitos y simulación virtual.

Dada la investigación sobre la predicción del rendimiento de anclajes mediante END, el trabajo23 cuantifica el riesgo de fisura mediante análisis de tensiones térmicas para mejorar la precisión de la máquina comprimiendo los datos utilizados. El trabajo de investigación experimental en este trabajo24 presenta en detalle el desarrollo de un método de prueba no destructivo, que estima la condición de grieta del concreto alrededor de barras de acero mediante una prueba de velocidad de pulso ultrasónico. El trabajo25 presenta el primer método de prueba verdaderamente no destructivo que utiliza el número de rebote de los martillos Schmidt para estimar la capacidad de carga de los pernos. El trabajo26 presentado en este artículo detalla un verdadero programa de pruebas no destructivas que puede usarse para evaluar la resistencia a la extracción de anclajes de concreto.

En este artículo se toma como objeto de investigación la plataforma de perforación del grupo de anclaje y se estudian las leyes estáticas y dinámicas del sistema de anclaje en las complejas condiciones de trabajo del techo y piso de la carretera. El prototipo experimental se utiliza para simular la prueba de perforación y se obtiene la ley de vibración real de los componentes clave del sistema de anclaje. Los resultados teóricos relevantes de este artículo pueden proporcionar una base técnica para la estabilidad de perforación del sistema de anclaje.

El sistema de excavación rápida existente tiene un efecto de aplicación práctica deficiente en las minas de carbón. Existen principalmente problemas como la mala estabilidad del fuselaje, la baja eficiencia y la dificultad para moverse con la máquina durante la operación de fondeo. Debido a los problemas existentes de operación paralela de excavación y anclaje en el frente de excavación totalmente mecanizado antes mencionado, este documento propone un nuevo tipo de unidad de excavación rápida para operación paralela de excavación, soporte, anclaje y transporte. Se compone principalmente de cuatro partes: rozadora, equipo de soporte avanzado, sistema de grupo de anclaje y sistema de transporte, como se muestra en la Fig. 1. El equipo de soporte avanzado adopta el método de rodadura no repetitivo paso a paso, y existen múltiples conjuntos de unidades de soporte flexibles encima del soporte, que pueden adaptarse a la operación de soporte temporal bajo diferentes condiciones geológicas. El sistema de excavación y el sistema de anclaje pueden realizar la sincronización de marcha y la separación de operaciones. Como parte importante del nuevo sistema de excavación inteligente, el sistema de anclaje es de gran importancia para el estudio de sus propiedades mecánicas y su confiabilidad.

Esquema de composición de equipos de la unidad combinada de conducción, soporte y anclaje.

Considerando las complejas condiciones del techo y el piso de la carretera, se construye el modelo estático del grupo de anclaje, como se muestra en la Fig. 2. Entre ellos, Ft1 ~ Ft4 es la fuerza de apoyo de cuatro patas, Ff1 ~ Ff4 es la fuerza de apoyo de cuatro patas. fuerza de fricción, Fcc1 ~ Fcc2 es la fuerza de reacción del soporte del anclaje lateral, Fcz1 ~ Fcz2 es la fuerza de reacción de perforación del anclaje lateral, Fdc1 ~ Fdc4 es la fuerza de reacción del soporte del anclaje superior, Fdz1 ~ Fdz4 es la fuerza de reacción de perforación del anclaje superior, Fsc1 ~ Fsc4 es la fuerza de reacción del soporte del cable de anclaje, Fsz1 ~ Fsz4 es la fuerza de reacción de perforación del cable de anclaje. Establezca el punto O como la posición central del sistema y establezca el sistema de coordenadas OXYZ como se muestra en la Fig. 2a. Las plataformas de perforación con anclaje superior, las plataformas de perforación con anclaje lateral y las plataformas de perforación con cable de anclaje están dispuestas simétricamente en la sección YZ. La distancia entre la plataforma de perforación con anclaje superior y la sección YZ es C, la distancia entre el lado interior y la plataforma de perforación con anclaje superior exterior es D, la distancia entre la columna de soporte y la sección YZ es G, la distancia entre el cable de anclaje plataforma de perforación y la sección YZ es E, y la distancia entre la plataforma de perforación del cable de anclaje y la pared lateral de carbón es P. La proyección de la sección YZ se muestra en la Fig. 2b. La distancia desde el centro de gravedad del sistema hasta la sección XZ es d, la distancia desde el centro de la placa de soporte del anclaje superior hasta la sección XZ es b, la distancia desde el centro de la tubería de perforación del anclaje superior hasta la sección XZ es a, la distancia desde el centro del tubo de perforación de anclaje lateral a la sección XZ es f, la distancia desde el centro del tubo de perforación del cable de anclaje a la sección XZ es e, la distancia desde el centro de la placa de soporte del cable de anclaje a la sección XZ es c, la distancia desde el centro de las columnas de soporte delanteras y traseras a la sección XZ es B, la distancia desde el techo de la carretera a la sección XY es K, la distancia desde el centro de la plataforma de perforación de anclaje superior a la sección XY es H, la distancia desde el piso de la carretera a la sección XY es N y el peso de toda la máquina es Mg.

Modelo mecánico del grupo de anclaje en condiciones generales de trabajo desiguales del piso de la carretera: (a) dibujo axonométrico del sistema de anclaje; (b) vista lateral del sistema de anclaje.

Considerando las características desiguales del piso de la carretera de la mina de carbón, la relación de contacto entre las patas y el piso de la carretera tiene una variedad de relaciones correspondientes. El proceso de análisis de fuerza de las cuatro patas es similar. La forma de la pierna en condiciones de trabajo complejas se divide en dos casos: pierna hacia adentro y pierna hacia afuera.

Las patas exteriores se muestran en las figuras 3a a d. Se puede suponer que el ángulo entre la fuerza de apoyo de las patas 1 y 2 y el suelo es \(\lambda\) en el sistema de coordenadas Z-X, y la dirección es opuesta. En el sistema de coordenadas Z-X, el ángulo entre la fuerza de apoyo de las patas 3 y 4 y el suelo es \(\gamma\) y la dirección es opuesta. En el sistema de coordenadas Z-Y, el ángulo entre la fuerza de apoyo de las patas 2 y 3 y el suelo es \(\phi\), y la dirección es la misma; En el sistema de coordenadas ZY, el ángulo entre la fuerza de apoyo de los tramos 1 y 4 y el suelo es \(\varepsilon\) y la dirección es la misma.

Ángulo entre la fuerza de reacción de la pata de apoyo y el eje de coordenadas: (a) ángulo entre 1 y 2 patas y la sección transversal XZ; (b) ángulo entre 3 y 4 patas y sección transversal XZ; (c) ángulo entre 2 y 3 patas y sección transversal YZ (patas hacia afuera); (d) ángulo entre 1 y 4 patas y sección transversal YZ (patas hacia afuera); (e) ángulo entre 2 y 3 patas y sección transversal YZ (patas hacia adentro); (f) ángulo entre 1 y 4 patas y sección transversal YZ (patas hacia adentro).

Las patas internas se muestran en la Fig. 3a, b, e, f. En el sistema de coordenadas Z-Y, el ángulo entre la fuerza de apoyo de las patas 2 y 3 y el suelo es \(\phi\), y la dirección es opuesta; En el sistema de coordenadas Z-Y, el ángulo entre la fuerza de soporte de los tramos 1 y 4 y el suelo es \(\varepsilon\) y la dirección es opuesta.

Al utilizar la función de ajuste automático de las cuatro patas, la plataforma de anclaje puede estar en un estado completamente horizontal. Pero el techo de la carretera es desigual y el tamaño y la dirección de la fuerza de perforación en tres direcciones son inciertos. Para estudiar la influencia de diferentes ángulos de incidencia sobre la fuerza de las piernas en el proceso de perforación, el proceso de perforación de múltiples equipos de perforación se puede simplificar como la superposición de un solo equipo de perforación en condiciones de trabajo complejas. Se supone que los ángulos de incidencia en dos direcciones del anclaje superior, el anclaje lateral y el cable de anclaje de la plataforma de perforación son \(\alpha\) o \(\pi /2 - \alpha\) y \(\beta\), como se muestra en las figuras 4a-c. Fcz1x/y/z ~ Fcz2x/y/z son las fuerzas componentes de dos equipos de perforación anclados lateralmente a lo largo de los ejes x, y y z, Fdz1x/y/z ~ Fdz4x/y/z son las fuerzas componentes de cuatro equipos de perforación plataformas de perforación ancladas a lo largo de los ejes x, y y z, Fsz1x/y/z ~ Fsz2x/y/z son las fuerzas componentes de dos plataformas de perforación ancladas a lo largo de los ejes x, y y z, Ft1x/y/z ~ Ft4x/y/z son las fuerzas componentes de cuatro patas a lo largo de los ejes x, y y z, Ff1x/y/z ~ Ff4x/y/z son las fuerzas componentes de cuatro patas a lo largo de los ejes x, y y z.

Diagrama de relación entre la fuerza de reacción de perforación, la fuerza de soporte de la pierna y el ángulo del eje de coordenadas: (a) relación entre la reacción de perforación de la pared lateral y el ángulo de inmersión; (b) relación entre la reacción de perforación superior y el ángulo de inmersión; (c) diagrama esquemático de la reacción e inclinación de las piernas.

Según el principio del equilibrio de fuerzas estáticas:

El estado de funcionamiento del sistema de anclaje se considera un modelo mecánico ideal. Debido a la fricción entre el tramo y el piso de la carretera, la ecuación estática se escribe como una ecuación de valor absoluto generalizada.

donde:

Donde:

Usando el software de análisis numérico Matlab para resolver las ecuaciones anteriores, se puede obtener el diagrama de regla de cambio de la fuerza de soporte de la pierna con el ángulo de soporte y el ángulo de perforación de la tubería de perforación, como se muestra en las Figs. 5, 6 y 7. Debido a que el piso de la carretera se encuentra en un estado de deformación irregular, la fuerza de soporte de las cuatro patas es diferente. Cuando la condición de trabajo del estabilizador son las patas hacia afuera, como se muestra en la Fig. 5. Cuando el ángulo entre la pata 1 y el piso de la carretera es de 0,15 rad y 0,76 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima de la pata 1 es 6,03 KN, como se muestra en Figura 5a. Cuando el ángulo entre la pata de soporte 2 y el piso de la carretera es de 0,187 rad y 0,444 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima de la pata de soporte 2 es 4,075 KN, como se muestra en la Fig. 5b; cuando el ángulo entre el tramo 3 y el piso de la carretera es de 0,186 rad y 0,941 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima del tramo 3 es 1,527 KN, como se muestra en la Fig. 5c; Cuando el ángulo entre el tramo 4 y el piso de la carretera es de 0,151 rad y 1,047 rad, la fuerza de soporte máxima del tramo 4 es 4,89 KN, como se muestra en la figura 5d. La fuerza de apoyo máxima del tramo 1 es mucho mayor que la del tramo 3. Se puede observar que el ángulo entre el tramo y el piso de la carretera tiene una gran influencia en la fuerza de apoyo del tramo.

Diagrama de la fuerza de apoyo que cambia con el ángulo de apoyo (patas hacia afuera): (a) variación de Ft1 con el ángulo de apoyo; (b) variación de Ft2 con el ángulo de soporte; (c) variación de Ft3 con el ángulo de soporte; (d) Variación de Ft4 con ángulo de soporte.

Diagrama de la fuerza de soporte que cambia con el ángulo de soporte (patas hacia adentro): (a) variación de Ft1 con el ángulo de soporte; (b) variación de Ft2 con el ángulo de soporte; (c) variación de Ft3 con el ángulo de soporte; (d) Variación de Ft4 con ángulo de soporte.

La fuerza de soporte cambia con el ángulo de perforación: (a) variación Ft1 con el ángulo de perforación; (b) variación de Ft2 con el ángulo de perforación; (c) variación de Ft3 con el ángulo de perforación; (d) Variación de Ft4 con el ángulo de perforación.

Cuando la condición de trabajo del estabilizador son las patas internas, como se muestra en la Fig. 6. Cuando el ángulo entre la pata 1 y el piso de la carretera es de 0,257 rad y 0,053 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima de la pata 1 es 4,533 KN, como se muestra en Figura 6a. Cuando el ángulo entre el soporte 2 y el suelo de la carretera es de 0,506 rad y 0,444 rad respectivamente, la fuerza máxima de soporte del soporte 2 es 4,576 KN, como se muestra en la Fig. 6b; Cuando el ángulo entre el tramo 3 y el piso de la carretera es de 0,009 rad y 0,515 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima del tramo 3 es 1,384 KN, como se muestra en la Fig. 6c; Cuando el ángulo entre el tramo 4 y el piso de la carretera es de 0,222 rad y 1,012 rad, la fuerza de soporte máxima del tramo 4 es 4,205 KN, como se muestra en la figura 6d. En comparación con las condiciones de tensión de cada pierna en la Fig. 5, los cambios de fuerza de las piernas internas y externas son similares sin cambios obvios.

Debido al estado desigual del techo de la calzada, la fuerza de perforación del anclaje cambia irregularmente con la fluctuación del techo, lo que tiene cierta influencia en la fuerza de soporte de la pata. Como se muestra en la Fig. 7a, cuando el ángulo de incidencia de la perforación \(\alpha\) y \(\beta\) son 0,311 rad y 0,976 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima de la pata 1 es 3,426 KN; Como se muestra en la Fig. 7b, cuando el ángulo de incidencia de la perforación \(\alpha\) y \(\beta\) son 0,009 rad y 1,012 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima de la pata 2 es 4,002 KN; Como se muestra en la Fig. 7c, cuando el ángulo de incidencia de la perforación \(\alpha\) y \(\beta\) son 0,027 rad y 1,047 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima de la pata 3 es 3,767 KN; Como se muestra en la Fig. 7d, cuando el ángulo de incidencia de la perforación \(\alpha\) y \(\beta\) son 0,311 rad y 1,047 rad respectivamente, la fuerza de soporte máxima de las cuatro patas es 3,427 KN. Se puede observar que el ángulo de incidencia de la perforación también tiene una gran influencia en la fuerza de apoyo de la pierna. La fuerza máxima de apoyo es de 4.002 KN según los diferentes ángulos de la pata y los diferentes ángulos de perforación. Como criterio de diseño de la resistencia del cilindro de la pata, este estudio tiene cierto valor práctico.

A través del análisis de toda la estructura del sistema de anclaje, se puede ver como un sistema de múltiples masas y múltiples actitudes, por lo que se utiliza el método de Lagrange para establecer el modelo dinámico del sistema de grupos de anclaje. La ecuación lagrangiana completa se puede expresar generalmente como la ecuación. (20).

donde, Fj(t)—fuerza de excitación externa, \(x_{j}\)—desplazamiento generalizado, \(\dot{x}_{j}\)—velocidad generalizada, T—energía cinética del sistema, V—potencial del sistema energía, D: función de disipación de energía del sistema.

El modelo dinámico del sistema de anclaje se muestra en la Fig. 8. Donde, m1, m21~24, m3, m4, m51~54, m61~64, m71~74, m81~84, m91~92, m101~102, m111 ~112, m121~122 representan la calidad de la plataforma de soporte, la calidad de las columnas de soporte delanteras y traseras, la calidad de la viga de anclaje superior, la calidad de la viga del cable de anclaje, la calidad de los cuatro marcos de la plataforma de anclaje superior, la calidad de la placa de soporte de la plataforma de los cuatro anclajes superiores, la calidad del cabezal de potencia de la plataforma de los cuatro anclajes superiores, la calidad de la tubería de perforación de los cuatro anclajes superiores, la calidad del marco de la plataforma de los dos anclajes, la calidad de la placa de soporte de los dos anclajes, la calidad del cabezal de potencia del equipo de dos cables de anclaje, la calidad de la tubería de perforación del equipo de dos cables de anclaje.k11~14(c11~14), k21~24(c21~24), k31~34(c31~34), k41 ~42(c41~42), k51~54(c51~54), k55~58(c55~58), k61~64(c61~64), k71~74(c71~74), k81~84(c81~ 84), k91~92(c91~92), k93~94(c93~94), k101~102(c101~102), k111~112(c111~112), k121~122(c121~122) representa el equivalente rigidez (amortiguación) entre las columnas de soporte y la plataforma de soporte, las columnas de soporte y la viga de cable de anclaje y anclaje superior, la viga de anclaje superior y los cuatro marcos de anclaje superiores, la viga de cable de anclaje y los dos marcos de cable de anclaje, los cuatro marcos de cable de anclaje superiores marcos de anclaje y las cuatro placas de soporte de anclaje superiores, los cuatro marcos de anclaje superiores y los cuatro cabezales de potencia de anclaje superiores, las cuatro placas de soporte de anclaje superiores y el techo de la carretera, los cuatro cabezales de potencia de anclaje superiores y los cuatro tubos de perforación de anclaje superiores, los cuatro tubos de perforación de anclaje superiores y el techo de la carretera, los dos marcos de cables de anclaje y las dos placas de soporte de cables de anclaje, los dos marcos de cables de anclaje y los dos cabezales de potencia de cables de anclaje, las dos placas de soporte de cables de anclaje y el techo de la carretera, los dos cables de anclaje cabezales eléctricos y los dos tubos de perforación del cable de anclaje, los dos tubos de perforación del cable de anclaje y el techo de la carretera, respectivamente.kt1~t4(ct1~t4) representan la rigidez equivalente y la amortiguación equivalente entre las patas 1 ~ 4 y el suelo respectivamente. p representa la distancia entre el centro de gravedad de la plataforma de soporte y la pata. q es la mitad del espesor de la plataforma de soporte. r es la mitad del ancho de la plataforma de soporte. J1 representa la inercia rotacional de la dirección de excavación de la plataforma de soporte.\(\rho\) representa el ángulo de vibración de paso de la dirección de excavación de la plataforma de soporte. J2 representa la inercia rotacional horizontal de la plataforma de soporte.\(\varpi\) representa el ángulo de vibración horizontal de la plataforma de soporte. Fdc1~dc4, Fdz1~dz4, Fsc1~sc2 y Fsz1~sz2 representan la fuerza de reacción de cuatro placas de soporte de anclaje, la fuerza de reacción de cuatro perforaciones de anclaje superiores, la fuerza de reacción de dos placas de soporte de anclaje y la fuerza de reacción de dos anclajes perforación de cables respectivamente. x1 ~ x12 se expresan como el desplazamiento de cada bloque de masa del grupo de anclaje a lo largo de la dirección x longitudinal.

Construcción de sistema de anclaje a modo dinámico.

Utilizando el método del principio de energía, se puede obtener la expresión de la energía cinética de todo el sistema de anclaje.

donde,\(m_{2i} = m_{2} (i = 1\sim 4)\),\(m_{2i} = m_{2} (i = 1\sim 4)\),\(m_{ 3i} = m_{3} (i = 1\sim 4)\),\(m_{5i} = m_{5} (i = 1\sim 4)\), \(m_{6i} = m_{6 } (i = 1\sim 4)\),\(m_{7i} = m_{7} (i = 1\sim 4)\),\(m_{8i} = m_{8} (i = 1\ sim 4)\),\(m_{9i} = m_{9} (i = 1\sim 2)\),\(m_{10i} = m_{10} (i = 1\sim 2)\), \(m_{11i} = m_{11} (i = 1\sim 2)\),\(m_{12i} = m_{12} (i = 1\sim 2)\).

Esta expresión de energía cinética se puede simplificar como la ecuación. (22).

donde, \(\dot{x}_{i} (i = 1\sim 12)\)—Velocidad del bloque de masa.

Dado que la vibración del balanceo del cuerpo es pequeña, se puede suponer que \(\sin \rho \approx \rho\),\(\sin \varpi \approx \varpi\). La siguiente ecuación. (23) se puede obtener.

La energía potencial del sistema de anclaje se puede expresar como la ecuación. (24).

donde, \(l_{1} = \sqrt {p^{2} + q^{2} }\),\(l_{2} = \sqrt {q^{2} + r^{2} }\ ).

Las seis plataformas de perforación tienen la misma forma estructural y disposición simétrica. Por esta razón, se puede suponer que la rigidez de algunas piezas similares es aproximadamente igual.

La expresión de energía potencial para este sistema de anclaje se puede simplificar como la ecuación (25).

Los valores de amortiguación en la ecuación de disipación de energía se simplifican mediante el método anterior y se puede obtener la expresión de disipación de energía (26) del sistema de anclaje.

En el proceso de perforación de anclaje, se consideran factores como techo y piso irregulares de la carretera, diferentes ángulos de perforación y soporte y características de carga variables de la perforación. Esta sección analiza la condición de respuesta de vibración máxima del sistema de perforación de anclaje real (4 anclajes superiores + 2 anclajes laterales trabajando al mismo tiempo) y obtiene la ley de respuesta de vibración de cada bloque de masa del siguiente sistema de grupo de anclaje. Dado que el tiempo de acción de la carga externa es de 0 a 14 s, la respuesta de cada componente tiende a ser estable después de 14 s, lo que es consistente con el proceso de perforación real. Como se muestra en la Fig. 9a, la tendencia general del cambio de vibración de la tubería de perforación de las seis plataformas de perforación es similar. El anclaje superior 1# y el anclaje superior 4# alcanzan el pico máximo de 7,5 mm alrededor de 14 s, y el resto de equipos de perforación alcanzan el pico máximo de 6,35 mm alrededor de 10 s. Debido a que el anclaje superior 1 # y el anclaje superior 4 # están en estado voladizo, el tiempo de respuesta de la perturbación durante el proceso de perforación se prolonga y la respuesta de vibración es grande, lo que está en línea con la situación real. Como se muestra en la Fig. 9b, la placa de soporte de la plataforma de perforación es débil en comparación con la tubería de perforación debido al hecho de que solo soporta el efecto de soporte auxiliar y el efecto de acoplamiento del carbón y la roca. Por lo tanto, el valor máximo general de cada placa de soporte es menor que el de la tubería de perforación. El valor de pico máximo todavía se genera en el anclaje superior 1# y en el anclaje superior 4#, y el valor de pico es de 6 mm. El pico de vibración de otras placas de soporte de plataformas de perforación se genera en 7 s y el valor máximo de pico es de 5,8 mm.

Diagrama de respuesta de desplazamiento de vibración de cada módulo de unidad de perforación: (a) diagrama de desplazamiento de vibración de la tubería de perforación de diferentes equipos; (b) diagrama de desplazamiento de vibración de diferentes placas de soporte de perforación; (c) diagrama de desplazamiento de vibración de cabezales de potencia de diferentes plataformas; (d) diagrama de desplazamiento de vibración de diferentes plataformas de perforación.

Como se muestra en la Fig. 9c, d, el valor máximo del desplazamiento de respuesta a la vibración del cabezal de potencia y el marco del anclaje superior 4# en los seis equipos es el mayor, y el valor máximo máximo de la vibración es aproximadamente 7,5. mm alrededor de 7 s. El valor máximo máximo del cabezal de potencia y del bastidor del equipo de otros equipos es de aproximadamente 6 mm; Teniendo en cuenta las condiciones de trabajo desiguales del techo y el piso y la inestabilidad de la viga en voladizo, el ángulo del orificio de perforación del anclaje superior 4# cambia y la gran vibración del marco de la plataforma de perforación conduce a los resultados anteriores, lo cual está en línea con las condiciones reales de operación de perforación.

La viga de anclaje superior se utiliza principalmente como parte de soporte de las cuatro plataformas de perforación de anclaje superiores, y la viga de cable de anclaje se utiliza como parte de conexión de las dos plataformas de perforación de cable de anclaje. Como se muestra en la Fig. 10a, la viga de anclaje superior alcanza el pico máximo de 7 mm aproximadamente a los 14 s, y la viga del cable de anclaje alcanza el pico máximo de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 12 s. Teniendo en cuenta los diferentes estados de tensión de las dos vigas durante la perforación, los resultados de la simulación están en línea con el estado real. De manera similar, la carga de soporte de la columna de soporte cambia debido al diferente número de plataformas de soporte. Aunque la viga de anclaje superior tiene una gran perturbación bajo la condición de que cuatro plataformas perforan al mismo tiempo, considerando la placa de soporte de la plataforma bajo la condición de soporte, otros componentes del sistema de anclaje constituyen la estructura estable de tipo 'soporte superior e inferior'. . Por lo tanto, el valor de respuesta a la vibración de la viga de anclaje es mayor que el de la viga de anclaje, como se muestra en la Fig. 10b. Como principal componente de carga del sistema, la plataforma de soporte alcanza el pico máximo de desplazamiento de vibración de 5,86 mm en un tiempo de perforación de 12,5 s durante la perforación simultánea de múltiples equipos. Como se muestra en la Fig. 10c, el pico de respuesta de vibración de otros componentes es ligeramente menor, lo que está en línea con las condiciones de trabajo reales.

Diagrama de respuesta a las vibraciones de los componentes principales del sistema de anclaje: (a) diagrama de desplazamiento de vibraciones del anclaje superior y de la viga del cable de anclaje; (b) diagrama de desplazamiento de vibración de la viga de la columna de soporte delantera y trasera; (c) diagrama de desplazamiento de vibración de la plataforma de soporte.

Teniendo en cuenta los requisitos del proceso tecnológico del sistema de anclaje, existe una condición de perforación de extensión lateral en la oportunidad de perforación del anclaje superior. El estado de extensión en voladizo y el estado de retracción total tendrán un cierto impacto en la estabilidad del sistema. Por lo tanto, para los dos estados de extensión y retracción de la plataforma de perforación con anclaje superior lateral, se simula la plataforma de perforación de referencia intermedia. Los resultados de la simulación se muestran en la Fig. 11. En el estado retraído de ambos lados de la plataforma de perforación, la plataforma de perforación de referencia intermedia alcanza el pico de vibración máximo de 6,35 mm a 6,9 s; En el estado extendido a ambos lados del equipo, el equipo de referencia central alcanza el pico máximo de vibración de 7,61 mm a los 13 s; A través del análisis anterior, se puede ver que las plataformas de perforación en ambos lados tienen un mayor impacto en la estabilidad de perforación de la plataforma de perforación de referencia en el estado extendido que en el estado retraído, y el efecto de perforación es relativamente pobre.

Diagrama de desplazamiento de vibración de la tubería de perforación bajo operación de extensión o retracción en voladizo: (a) diagrama de superficie de desplazamiento de vibración de la tubería de perforación durante la operación de extensión/retracción en voladizo; (b) proyección del desplazamiento por vibración de la tubería de perforación durante la operación de extensión/retracción del voladizo.

Teniendo en cuenta los requisitos de los parámetros de anclaje de la sección de la carretera, existen múltiples operaciones de perforación con plataformas de perforación en diferentes condiciones de trabajo. Las condiciones de trabajo específicas son las siguientes.

Condición de trabajo 1 #: 2 plataformas de perforación con anclaje superior funcionan al mismo tiempo.

Condición 2 #: 4 equipos de perforación con anclaje superior trabajando al mismo tiempo.

Condición de trabajo 3 #: 2 plataformas de perforación con anclaje superior + 4 con cable de anclaje trabajando al mismo tiempo.

Condición 4#: 2 anclajes superiores + 2 plataformas de anclaje trabajando al mismo tiempo.

Como se muestra en la Fig. 12, bajo la condición de 1 # ~ 4 #, los picos de desplazamiento de vibración del equipo de perforación de referencia son 5,59 mm, 6,46 mm, 6,41 mm y 6,32 mm, respectivamente. Entre ellos, bajo la condición de 2# y 3#, el pico de vibración de la plataforma de perforación de referencia es el más grande y cercano entre sí. Bajo la condición de trabajo 1 #, solo se lleva a cabo la operación de perforación de anclaje superior sin otros factores, por lo que el pico de vibración de la tubería de perforación del equipo de referencia es el más pequeño, lo que está en línea con las condiciones de trabajo reales.

Diagrama de desplazamiento por vibración de la tubería de perforación en perforación combinada con múltiples perforadores: (a) superficie curva de desplazamiento por vibración de la tubería de perforación en perforación combinada con múltiples perforadores; (b) proyección del desplazamiento por vibración de la tubería de perforación en perforación combinada con múltiples equipos.

Teniendo en cuenta que el ángulo de perforación cambia debido al techo irregular durante el proceso de perforación de anclaje, diferentes ángulos de incidencia de perforación tienen diferentes efectos sobre la estabilidad de la perforación, el efecto de perforación y la tensión de la tubería de perforación. Como se muestra en la Fig. 13, con el aumento gradual del ángulo de incidencia de la perforación, la vibración máxima de la tubería de perforación del equipo de referencia aumenta a su vez y la estabilidad de la perforación empeora. Cuando el ángulo de perforación es de 30°, el valor máximo máximo es de 3,5 mm, lo que cumple con las condiciones de perforación reales.

Diagrama de desplazamiento de vibraciones de la tubería de perforación bajo diferentes ángulos de incidencia de perforación.

Para obtener el mecanismo de vibración característico del sistema de grupo de anclaje, se diseña el prototipo experimental del sistema de anclaje. La prueba de perforación de anclaje se lleva a cabo simulando las propiedades de la roca de carbón del campo, como se muestra en la Fig. 14. Para detectar las características de vibración del sistema de anclaje durante la perforación, se utilizaron el sensor de aceleración piezoeléctrico (IEPE) B3X23S10 y el analizador de señal dinámica portátil BA9004. Se utiliza para detectar las características de vibración del sistema de perforación. El software del sistema de análisis puede realizar el análisis de la respuesta a las vibraciones de la plataforma de soporte y el marco de perforación durante el proceso de perforación.

Prototipo de prueba del sistema de anclaje.

Como se muestra en las figuras 15a y b, las amplitudes de vibración máximas del marco de la plataforma de perforación y de la plataforma de soporte durante la operación de perforación real son de 7,5 mm y 6 mm, respectivamente. Después de que la plataforma de perforación de 14 s deja de funcionar, los desplazamientos de vibración de ambos se reducen gradualmente, lo que es similar a la amplitud de vibración teórica y la ley de vibración. Los resultados de la prueba pueden verificar la precisión de los resultados de la simulación de vibración anteriores. La investigación en este artículo puede proporcionar una base teórica para la reducción de la vibración de componentes clave en el proceso de perforación del sistema de anclaje y mejorar la estabilidad de la perforación del anclaje.

Simulación de vibración y diagrama de comparación de prueba de componentes clave del sistema de anclaje: (a) diagrama de comparación de la teoría de respuesta a la vibración y prueba de plataformas de perforación; (b) diagrama comparativo de la teoría de la respuesta a la vibración y prueba de la plataforma soportada.

Teniendo en cuenta las irregularidades del techo y el piso de la carretera de la mina de carbón, las características estáticas del sistema de anclaje se analizan bajo la condición de que múltiples plataformas de perforación perforan al mismo tiempo. Los resultados muestran que la fuerza máxima de apoyo es de 4.002 KN cuando el ángulo de la pierna es diferente y el ángulo de perforación es diferente. Como criterio de diseño de la resistencia del cilindro de la pata, este estudio tiene cierto valor práctico.

Al construir el modelo de vibración de acoplamiento del proceso de perforación con plataforma de perforación múltiple, se utiliza el método de Lagrange para resolver la ley de vibración de componentes clave del sistema de anclaje. Los resultados muestran que:

La vibración de la tubería de perforación en el estado de extensión en voladizo es más severa que en el estado retraído, y el pico de vibración máximo alcanza los 7,61 mm.

La respuesta de vibración de la tubería de perforación es más intensa cuando cuatro equipos de perforación con anclaje superior perforan al mismo tiempo. Bajo las condiciones de trabajo de sólo dos equipos de perforación, la respuesta de vibración de la tubería de perforación es la más pequeña.

A medida que aumenta el ángulo de perforación de la plataforma de perforación, la respuesta a la vibración de la tubería de perforación es más severa y la amplitud de la vibración es mayor.

Se construye un prototipo de prueba para simular el proceso real de perforación de anclaje y se obtiene la ley de vibración de la plataforma de soporte y del equipo de perforación a través del sistema de detección de vibraciones. Los resultados de las pruebas muestran que la ley de vibración de los componentes clave es aproximadamente la misma que los resultados de la simulación teórica. Los resultados teóricos relevantes pueden proporcionar una base técnica para la estabilidad de perforación del sistema de anclaje.

Existe cierta diferencia entre el modelo mecánico construido en este trabajo y el proceso de perforación de anclajes en obra, que se refleja principalmente en que el proceso de excavación provocará una cierta perturbación en el techo de la calzada, que se transmitirá a los anclajes. sistema. En el futuro, se podrán analizar las características dinámicas de acoplamiento entre la rozadora, el sistema de anclaje y el techo para hacerlo más adecuado para la operación de anclaje real.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Los autores desean agradecer a Letpub por la edición en inglés.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China 51874158; 51904142.

Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, Liaoling, China

Miao Xie, Hong-yu Zhang, Yu-qi Li y Ze Ren

National Energy Group International Engineering Consulting Co Ltd, Beijing, China

Ella corre

Facultad de Minería, Universidad Técnica de Liaoning, Fuxin, Liaoling, China

Ren Dong Nie

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MX proporcionó las ideas de diseño y la orientación en la dirección de la tesis. HZ implementó el diseño del dispositivo y el diseño de simulación relacionado. YL, ZR y RN proporcionaron soporte técnico de respaldo. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Hong-yu Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Xie, M., Zhang, Hy., Li, Yq. et al. Estudio de características mecánicas de grupo perforador de anclajes para excavación rápida. Informe científico 13, 4524 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31809-z

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Recibido: 09 de diciembre de 2022

Aceptado: 17 de marzo de 2023

Publicado: 20 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31809-z

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