Unterschiedliche Vibrationsreaktion des Einsturzmechanismus unter Einwirkung von Kohlegestein basierend auf der Mechanik

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13794 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Beim vollmechanisierten Abbau von Kohlebergwerken kommt es zu unregelmäßigen Auswirkungen auf den Abbaumechanismus der hydraulischen Stützung. Die Vibrationsreaktion des Höhlenmechanismus variiert je nach Aufprall. Dieser Reaktionsunterschied ist eine Voraussetzung für neue Technologien zur Identifizierung von Kohlegesteinen im intelligenten Bergbau. Daher untersucht diese Arbeit den Unterschied in der Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus bei verschiedenen Aufprallformen. Es wird ein innovatives mechanisch-hydraulisches Kopplungssystemmodell für den Aufprall des Steinbruchmechanismus durch Kohlegestein erstellt. Der Metallplatten-Aufpralltest bewies den signifikanten Unterschied in der Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus beim Aufprall von Kohlegestein verschiedener Materialien. Anschließend analysierte ein verbessertes mechanisch-hydraulisches Co-Simulationsmodell den Unterschied in der Vibrationsreaktion des Höhlenmechanismus unter verschiedenen Gesteinsmaterialien, Volumina, Geschwindigkeiten und Aufprallpositionen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vibrationsreaktion beim Aufprall auf Gestein intensiver ist als beim Aufprall auf Kohle. Eine niedrigere Position, eine höhere Geschwindigkeit und ein größeres Volumen führen zu einem spürbareren Reaktionsunterschied im Höhlenmechanismus. Es werden die vibrations- und störungsempfindlichen Bereiche des Höhlenmechanismus bestimmt. Diese Studie hat eine Referenzbedeutung für die Verbesserung des strukturellen Designs des Höhlenmechanismus und der Fehlervermeidung. Die Schlussfolgerungen liefern Leitlinien für eine neue intelligente Technologie zur Identifizierung von Kohlegestein auf der Grundlage von Vibrationssignalen.

Der vollmechanische Kohlebergbau entwickelt sich in Richtung hoher Effizienz, Sicherheit, Umweltschutz und Intelligenz. Die Optimierung der Bergbauausrüstung ist das entscheidende Bindeglied zur Förderung des Fortschritts intelligenter Technologie1. Die obere hydraulische Unterstützung für den Kohlebergbau ist die wichtigste Unterstützungsausrüstung im Bergbau, und der Höhlenmechanismus ist seine wichtige Steuerungskomponente, die eine entscheidende Rolle bei der Höhlenwirkung spielt. Daher ist die Verbesserung des strukturellen Designs des Einbruchmechanismus und die Verhinderung von Ausfällen von wesentlicher Bedeutung.

Die obere hydraulische Unterstützung für den Kohlebergbau wurde auf der Grundlage der herkömmlichen hydraulischen Unterstützung entwickelt. Es hat die wesentlichen Funktionen, das Hauptdach zu steuern, das unmittelbare Dach aufrechtzuerhalten und das Förderband anzuschieben. Darüber hinaus zerkleinert und zerkleinert es die oberste Kohle. Viele Wissenschaftler haben in den letzten Jahren innovative Forschungen, Optimierungen und Verbesserungen an der hydraulischen Unterstützung des Kohlebergbaus durchgeführt. Arasteh et al.2 untersuchten die Dacheinbruchlast von hydraulischen Stützen für unterirdische Höhlenbrüche auf der Grundlage eines diskreten Bruchnetzwerks und eines kohäsiven Partikelmodells und optimierten die Tragleistung der hydraulischen Stütze. Zhang et al.3 führten das konstitutive Modell der hydraulischen Unterstützung des oberen Kohlebergbaus in CDEM ein, um den Mechanismus des Kohlebergbaus zu analysieren. Ji et al.4 analysierten die Anti-Kipp-, Anti-Rutsch- und Anti-Rotations-Fähigkeiten der Stütze und verbesserten die Anti-Rutsch-Leistung der Stütze. Mithilfe des Multi-Naht-UDEC-Modells untersuchten Zhang et al.5 den Einfluss der Lage der kritischen Schicht auf den Arbeitswiderstand der obersten hydraulischen Stütze des Kohlebergbaus und leiteten die Formel zur Berechnung des maximalen Arbeitswiderstands der Stütze ab. Darüber hinaus haben Wissenschaftler hydraulische Stützen in komplexen Kohleflözen erforscht, wie z. B. hydraulische Stützen mit großer Neigung, leichte hydraulische Stützen für dünne Flöze und hydraulische Stützen mit großer Abbauhöhe für dicke Flöze6,7,8,9.

Der Einsturz des Kohledachs führt zu einer Stoßbelastung des Einsturzmechanismus. Wenn der Grenzwert überschritten wird, wird der Einsturzmechanismus beschädigt und verliert seine Funktionsfähigkeit, wie in Abb. 1 dargestellt. Ein Versagen des Mechanismus beeinträchtigt die Wirkung des Einsturzes der obersten Kohle und gefährdet sogar die Sicherheit der Arbeiter. Viele Wissenschaftler haben innovative und optimierte Forschungen zum Höhlenmechanismus durchgeführt. Balasubrahmanyam et al.10 entwickelten und verifizierten die erste obere Kohlebruchstrecke, die auf die geologischen und bergbaulichen Bedingungen in Indien anwendbar ist. Zhang et al.3 analysierten den Abbaumechanismus von Topkohle und schlugen eine verbesserte vierstufige Abbautechnologie vor. Yang et al.11 entwickelten eine maschinelle Lernmethode für tiefe neuronale Netze, um das Kohlebruchfenster effektiv zu steuern. Zhang et al.12 installierten oben auf der hydraulischen Stütze ein Radarscangerät, um die Dicke der oberen Kohle in Echtzeit zu überwachen, und gaben das Signal an das elektrohydraulische Steuersystem zurück, das die intelligente Steuerung des Höhlenmechanismus realisierte. Darüber hinaus haben Wissenschaftler viele innovative Verbesserungen an den relevanten Zubehörteilen des Höhlenabbaumechanismus vorgenommen, wie z. B. hochpräzise Geräte zur Lageerkennung, Kohlebergbau-Laserscanner und vernetzte intelligente Induktionssteuerungskomponenten13,14,15.

Verschiedene Versagensarten des Höhlenmechanismus: (a) Oberflächenabrieb, (b) Bruch des Stiftschafts, (c) Biegung des Stiftschafts, (d) Zahnverschleiß, (e) Einschlagkrater auf der Oberfläche und ( f) Biegung des Wagenhebers.

Es ist ersichtlich, dass viele Wissenschaftler verschiedene Aspekte des Höhlenmechanismus untersucht haben. Diese Studien umfassen sowohl mechanische Strukturen als auch hydraulische Energiesysteme. Die meisten vorhandenen Studien konzentrieren sich jedoch auf eine einzelne Komponente oder eine einzelne Funktion des Einbruchmechanismus und berücksichtigen selten die Wechselwirkung zwischen der mechanischen Struktur und dem hydraulischen System. Die Arbeitsumgebung des Höhlenmechanismus ist rau und komplex. Die Analyseergebnisse, die nur aus einem einzigen Blickwinkel der mechanischen Struktur oder des hydraulischen Systems erhalten werden, weichen erheblich von den tatsächlichen Ergebnissen ab. Der Höhlenmechanismus ist ein komplexer Mechanismus, der hydraulische Systeme und Maschinen kombiniert. Die Forschung aus einer einzigen Perspektive ist einseitig und spiegelt kaum die realeren mechanischen Eigenschaften wider. Die neue bidirektionale mechanisch-hydraulische Co-Simulationsmethode16,17,18 kann die Beziehung zwischen mechanischer Struktur und hydraulischem System präzise ermitteln und den Bruchmechanismus genauer und umfassender analysieren. Die Verwendung einer bidirektionalen mechanisch-hydraulischen Co-Simulation ist ein komplexer, aber wesentlicher Schritt bei der eingehenden Untersuchung des Höhlenmechanismus. Außerdem ist die Reaktion verschiedener Bereiche des Einbruchmechanismus nach dem Aufprall unterschiedlich. Auch die durch Kohle und Ganggestein verursachten Aufprallvibrationen sind unterschiedlich. Allerdings haben nur wenige Studien den Unterschied in der Aufprallreaktion berücksichtigt. Dieser Unterschied in der Vibrationsreaktion führt auch zu unterschiedlichen Ausfallwahrscheinlichkeiten in verschiedenen Bereichen des Mechanismus19. Daher wird auf der Grundlage der durch den Test überprüften Machbarkeit ein innovatives mechanisch-hydraulisches Co-Simulationsmodell des Abbaumechanismus erstellt, das das Kohlegestein, die mechanische Struktur und das hydraulische System miteinander interagieren lässt. Die Reaktionsunterschiede des Höhlenmechanismus unter verschiedenen Gesteinsmaterialien werden analysiert. Es werden die vibrations- und störungsempfindlichen Bereiche des Höhlenmechanismus bestimmt. Diese Studie hat eine Referenzbedeutung für die Verbesserung des strukturellen Designs des Höhlenmechanismus und der Fehlervermeidung. Die Ergebnisse der Studie geben Hinweise für eine neue intelligente Technologie zur Identifizierung von Kohlegestein auf Basis von Vibrationssignalen.

Der Einfluss von Kohlegestein auf den Einbruchmechanismus beruht im Wesentlichen auf der Kollision zweier Einheiten. Der Wagenheber spielt beim Aufprall eine Vibrationspufferfunktion, ähnlich dem Federsystem20. Der Einsturzmechanismus kann als zweidimensionales Ebenenmodell vereinfacht werden21, 22. Basierend auf der Hertz-Kontakttheorie23, 24 und der äquivalenten Federtheorie25, 26 wird das mechanisch-hydraulische co-theoretische Modell des Aufpralls des Einsturzmechanismus auf Kohlegestein erstellt.

Wenn das Kohlegestein auf den Einsturzmechanismus auftrifft, wird an der Kontaktstelle eine Kontaktkraft erzeugt und es kommt zu einer leichten Extrusionsverformung zwischen ihnen. Der Kontakt zwischen dem Kohlegestein und dem Einsturzmechanismus kann dem Kontakt zwischen einer Kugel und einer gekrümmten Ebene entsprechen27, 28. Die Kontaktform der Kugel und der Ebene ist in Abb. 2 dargestellt.

Schematische Darstellung des Einsturzmechanismus beim Aufprall.

An der Kontaktstelle wird eine normale Extrusionsverformung \(\delta\) erzeugt. Die Druckspannungsverteilung nach dem Kontakt ist ein Halbellipsoid. Der Zusammenhang zwischen der elastischen Kontaktkraft \(F_{{\text{c}}}\) und der Verformung \(\delta\) ist wie folgt:

Dabei ist \(R_{0}\) der äquivalente Radius, \(E_{0}\) der äquivalente Elastizitätsmodul und \(n\) der Steifigkeitskoeffizient. Das nichtlineare Federdämpfungsmodell basierend auf der Hertz-Kontakttheorie berücksichtigt die Energiedissipation zweier Objekte. Die Kontaktkraft unterteilt sich in eine elastische Kraft und eine Dämpfungskraft:

Dabei ist \(K_{{\text{c}}}\) die nichtlineare Kontaktsteifigkeit, \(\delta_{{\text{r}}}\) die relative Aufprallgeschwindigkeit und der Dämpfungskoeffizient \(D\ ) kann wie folgt berechnet werden:

wobei \(\delta_{{\text{r}}}^{( - )}\) die anfängliche relative Aufprallgeschwindigkeit ist. \(e\) ist der elastische Rückstellungskoeffizient. Die Kontaktkraft zwischen dem Kohlegestein und dem Steuermechanismus kann wie folgt ermittelt werden:

Der Heckträgerheber ist die Hauptlagerkomponente im Höhlenmechanismus, und das Hydrauliksystem kann als Federdämpfungssystem betrachtet werden. Die äquivalente Steifigkeit des Wagenhebers beträgt:

wobei \(S\) die Querschnittsfläche der Flüssigkeitssäule ist, \(k_{{\text{f}}}\) der Volumenkompressibilitätskoeffizient der Flüssigkeit ist, \(L_{{\text{f}} }}\) ist die effektive Höhe der Flüssigkeitssäule, \(\alpha\) ist die Zylinderwanddicke und \(E_{{\text{s}}}\) ist der Elastizitätsmodul des Zylinderblocks.

Aus Abb. 3 lässt sich nach dem Prinzip des Kraftgleichgewichts und des Momentengleichgewichts29 Folgendes erkennen:

Kraftanalysediagramm des Höhlenmechanismus. O ist der Gelenkpunkt zwischen Heckträger und Schildträger, A ist der vertikale Punkt zwischen der oberen Ebene des Heckträgers und dem unteren Gelenkpunkt des Heckträgers, B ist der Gelenkpunkt zwischen Heckträger und Wagenheber, C ist der Gelenkpunkt zwischen Wagenheber und Schildbalken, D ist der Kontaktpunkt zwischen Kohlegestein und Heckbalken, E ist der Schnittpunkt zwischen Wagenheber und der oberen Ebene des Heckbalkens, β ist der eingeschlossene Winkel zwischen Heckbalken und horizontaler Ebene, und θ ist der eingeschlossene Winkel zwischen Wagenheber und horizontaler Ebene.

Die trigonometrische Funktion und eine ähnliche Dreieckstheorie werden verwendet, um Folgendes zu erhalten:

Dann erhalten wir die Beziehung zwischen der elastischen Kontaktkraft \(F_{C}\) und der Verschiebungsänderung \(x_{L}\) des Heckträgerhebers:

Der Einsturzmechanismus der oberen Kohlehydraulikunterstützung besteht hauptsächlich aus Metallplattenschweißen. Da der Kontaktteil zwischen dem Einsturzmechanismus und dem eingestürzten Kohlegestein im tatsächlichen Betriebszustand eine Metallplatte ist, kann der Einsturzmechanismus im Aufpralltest auf eine Metallplatte reduziert werden30. Um den Unterschied in der Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus unter dem Einfluss verschiedener Kohlegesteinsmaterialien zu überprüfen, wurde die Metallplatte, auf die der Kohlegesteinsprüfstand einwirkt, konstruiert, wie in Abb. 4a dargestellt. Die Metallplatte ist an allen vier Ecken befestigt und an ihrer Unterseite sind fünf Beschleunigungsschwingungssensoren angebracht, wie in Abb. 4c dargestellt. Bei den verwendeten Sensoren handelt es sich um piezoelektrische Beschleunigungssensoren 1A102E von Jiangsu Donghua Testing Technology Co., Ltd., wie in Abb. 4d dargestellt. Die Sensoren 1 bis 4 sind auf den vier diagonalen Linien der Metallplatte angeordnet, und Sensor 5 ist in der Mitte der Metallplatte angeordnet. Das Kohlegestein wird durch die Abwurfvorrichtung für Kohlegang freigesetzt. Das freigesetzte Kohlegestein besteht aus Kohle bzw. Ganggestein, wie in Abb. 4b dargestellt. Die Sensorsignale werden vom dynamischen Signalerfassungsgerät DH8302 von Jiangsu Donghua Testing Technology Co., Ltd. erfasst.

Metallplatte, die vom Prüfstand für Kohlegestein getroffen wurde: (a) Anordnung des Prüfstands, (b) Arten der im Test verwendeten Kohlegesteine, (c) Anordnung der Sensoren und (d) Beschleunigungsschwingungssignalsensor.

Für die hydraulische Unterstützung wird ein struktureller und hydraulischer Systementwurf durchgeführt. Ein Mehrkörperdynamikmodell wurde basierend auf Adams31 erstellt, wie in Abb. 5a dargestellt, und ein Hydrauliksystemmodell wurde basierend auf AMESim32 erstellt, wie in Abb. 5c dargestellt. Das Co-Simulationsmodell wird gemäß dem tatsächlichen Höhlenmechanismus erstellt, der zur hydraulischen Unterstützung ZF5600/16,5/26 gehört, wie in Abb. 5d dargestellt. Adams und AMESim können eine komplexe mechanisch-hydraulische Co-Simulation realisieren, indem sie die Schnittstellenumgebungsvariablen konfigurieren33, 34. Im Co-Simulationsprozess ist der zweite Prozess in n Schritte unterteilt. 1/n Sekunde nach Beginn der Simulation werden die Kinematikdaten von Adams berechnet und über das Co-Simulationsmodul an AMESim übertragen. Bei 2/n Sekunden berechnet AMESim den hydraulischen Druck basierend auf den empfangenen Daten und leitet die hydraulischen Daten an Adams weiter. Anschließend berechnet Adams kinematische Daten auf Basis der empfangenen hydraulischen Daten und übergibt die neuen Daten erneut. Und so weiter, um die gemeinsame Berechnung zwischen den beiden Softwareprogrammen zu realisieren.

Mechanisch-hydraulisches Co-Simulationsmodell. (a) Das mechanische Strukturmodell der hydraulischen Unterstützung. (b) Erstellen Sie das Impact-Sphere-Modell basierend auf echter Kohle und Ganggestein. (c) Das Hydrauliksystem stellt die hydraulische Kraft bereit, steuert den Mechanismus und trägt die Stoßlast. (d) Der eigentliche Höhlenmechanismus.

In Adams werden Bewegungspaare für jede Komponente hinzugefügt, Bewegungsantrieb für jeden Wagenheber hinzugefügt und durch kinematische Inspektion wird bestätigt, dass keine Interferenzen zwischen Komponenten bestehen35, 36. Der Gelenkpunkt zwischen dem Heckträger-Wagenheber und dem Heckträger wird als Flugbahnpunkt ausgewählt des Heckträgerhebers. Der Endpunkt des Heckbalkens wird als Flugbahnpunkt des Heckbalkens ausgewählt. Der Winkel zwischen der Heckträgerbuchse und der vertikalen Ebene wird als Zeichnungsreferenzwinkel verwendet. Die Bewegungsbahn des Höhlenmechanismus und die Polarkoordinatenbeziehung zwischen der Zylinderlänge und dem eingeschlossenen Winkel sind in Abb. 6 dargestellt.

Überprüfung der Komponentenkinematik: (a) Bewegungsverfolgung des Höhlenmechanismus; (b) Polarkoordinatenbeziehung zwischen Wagenheberlänge und eingeschlossenem Winkel.

Abbildung 6a zeigt, dass sich das Scharniergelenk der Kolbenstange des Wagenhebers von unten nach oben bewegt, wodurch der Heckträger nach oben schwingt. Die Bewegungsspur ist ein Bogen, der auf der Scharnierverbindung von Heckbalken und Schildbalken zentriert ist. Abbildung 6b zeigt, dass eine längere Ausfahrlänge des Wagenhebers einem größeren Winkel mit der vertikalen Ebene entspricht. Der Heckbalken des Höhlenmechanismus hat nur ein Antriebsteil: den Heckbalkenheber. Die Ausfahrlänge des Wagenhebers bestimmt die Stellung des Heckträgers. Der etablierte Simulationsprozess stimmt mit der tatsächlichen Situation überein.

Durch Hinzufügen mehrerer konstanter räumlicher Kräfte wurde die gleichmäßige Last über dem Einbruchmechanismus hinzugefügt, um die anfängliche Tragfähigkeit von Kohlegestein für den Kontrollmechanismus zu simulieren. Die Strukturparameter des Wagenhebers sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Stoßbelastung wird durch den freien Fall von Kohlegestein, das hauptsächlich Kohle und Ganggestein umfasst, auf den Bruchmechanismus ausgeübt, wie in Abb. 5b dargestellt. Die Eigenschaften der Kohle- und Ganggesteinsmaterialien37 sind in Tabelle 2 dargestellt. Der Radius der Kohlegesteinskugel ist auf 80 mm eingestellt. Nach Formel (3) errechnet sich die Kontaktsteifigkeit zu 1,426 × 109 N/m. Die Kontaktdämpfung beträgt 0,1 % der Kontaktsteifigkeit. Für die Reibung zwischen Kohlegestein und dem Heckbalken wird das Coulomb-Reibungsmodell übernommen. Da zwischen dem Kohlegestein und dem Heckbalken Trockenreibung herrscht, wird der dynamische Reibungskoeffizient auf 0,1 und der statische Reibungskoeffizient auf 0,15 festgelegt. In dieser Simulation dienen die Beine der hydraulischen Stütze nur als Stützhilfe und ihre Stützwirkung ähnelt der einer Feder, sodass die Beine vereinfacht als äquivalente Feder dargestellt werden. Nach Formel (6) beträgt die äquivalente Federsteifigkeit 1,766 × 109 N/m. Damit wird schließlich das mechanische Strukturmodell der hydraulischen Unterstützung erstellt, wie in Abb. 5a dargestellt.

Im AMESim-Hydrauliksystem38 ist das Ausgangsende des Co-Simulationsmoduls mit dem Drucksensor des Wagenhebers verbunden, und das Eingangsende ist mit dem Wegsensor des Wagenhebers verbunden. Daher werden durch das Co-Simulationsmodul die Ergebnisse der Verschiebungslösung von Adams in Echtzeit an AMESim übertragen, und die Ergebnisse der Hydraulikdrucklösung von AMESim werden in Echtzeit an Adams übertragen. Im Hydrauliksystem wird hochwasserbasiertes Hydrauliköl mit 95 % Wassergehalt verwendet. Die Temperatur ist auf 20 °C eingestellt. Den Kreisläufen des Wagenhebers ist ein Absperrventil hinzugefügt, um die Zwei-Wege-Hydrauliksperre zu realisieren. Die hydraulische Pumpstation besteht aus einem Akkumulator, einem Motor mit konstantem Drehmoment, einem Proportionalventil, einem Entlastungsventil und anderen Komponenten. Das Entlastungsventil bestimmt den maximalen Ausgangsdruck der Pumpstation, der typischerweise auf 31,5 MPa ausgelegt ist. Daher ist der maximale Ausgangsdruck der Pumpstation auf 31,5 MPa eingestellt. Das Umkehrventil verwendet ein Y-Typ-Vierwegeventil mit drei Positionen für eine gute Bremsleistung. Wenn sich das Umschaltventil in der Mittelstellung befindet, sind beide Kammern des Wagenhebers dicht verschlossen, wodurch eine große Verschiebung der Kolbenstange durch eine äußere Kraft vermieden wird. Die stückweise linearen Signale werden mit dem Eingang des Umkehrventils verbunden, um die Ventilöffnung zu steuern, die die Bewegung des Zylinders und die Stellung des Höhlenmechanismus steuert. Der Aufbau des Hydrauliksystems ist in Abb. 5c dargestellt. Der rote Teil ist das mechanische Strukturmodul, der blaue Teil ist das Hydrauliksystemmodul, der grüne Teil ist das Signalübertragungsmodul und der schwarze Teil ist das Co-Simulationsmodul von Adams und AMESim.

Verwenden Sie Kohle und Ganggestein mit ähnlichen Formen und Größen, die aus derselben Höhe frei fallen und auf die Metallplatte treffen. Die Abladestelle für Kohle und Ganggestein befindet sich direkt über der Metallplatte. Der Einschlagort des Kohlegesteins ist die Mitte der Metallplatte. Nach jedem Aufprallexperiment wurden die Vibrationsreaktionssignale von 5 Positionen der Metallplatte von 5 Sensoren und dem dynamischen Signalkollektor DH8302 erfasst. Schließlich werden die Vibrationsreaktionsdaten der Metallplatte gespeichert und vom Signalanalysesystem extrahiert.

Die Amplitude des Vibrationssignals beschreibt die Größe und Stärke der Vibrationsreaktion der Metallplatte. Das Antwortsignal der Metallplatte in diesem Experiment basiert auf der symmetrischen Schwingung oberhalb und unterhalb der Nulllinie. Für einen effektiven Vergleich und eine effektive Analyse des durch Kohle und Ganggestein verursachten Unterschieds in der Vibrationsreaktion wird nur der Absolutwert des Vibrationssignals gespeichert. Die Schwingungsreaktionen der Metallplatte unter dem Einfluss von Kohle und Ganggestein sind in Abb. 7a bzw. b dargestellt. Schließlich wird die Amplitude des Vibrationsreaktionssignals extrahiert und die fünf Gruppen von kohleinduzierten Vibrationssignalen werden zu einer Kohlenaufprallreaktionsoberfläche kombiniert. Die fünf Gruppen von durch Ganggestein induzierten Vibrationssignalen werden zu einer Ganggestein-Aufprallreaktionsoberfläche kombiniert. Der Unterschied zwischen den beiden Reaktionsflächen ist in Abb. 7c dargestellt. Der Unterschied bezieht sich auf den Abweichungsabstand zwischen zwei Aufprallreaktionsflächen. Die grafische Verteilung auf der Basisebene ist die Projektion der Reaktionsfläche des Kohleaufpralls auf die Zeit-Positionsebene.

Reaktion der Metallplatte auf den Aufprall von Kohlegestein: (a) Reaktion der Metallplatte auf den Aufprall auf Kohle, (b) Reaktion der Metallplatte auf den Aufprall auf Ganggestein und (c) Unterschied in der Aufpralloberfläche, die durch Kohle und Ganggestein verursacht wird.

Aus Abb. 7a,b geht hervor, dass die Vibrationsreaktion der Metallplatte an den Positionen 1–4 ähnlich ist und die Vibrationsreaktion an Position 5 am größten ist. Das heißt, je näher am Aufprallpunkt, desto stärker ist die Vibrationsreaktion der Metallplatte . Die Amplitude der Aufprallreaktion ist für die Position mit einem ähnlichen Abstand vom Aufprallpunkt ähnlich. Die Reaktion einer Metallplatte auf den Aufprall von Kohlegestein zeigt im Moment des Aufpralls die maximale Amplitude und nimmt dann mit der Zeit gleichmäßig ab, bis sie glatt ist. Die Vibrationszeit der Metallplatte ist sehr kurz. Wenn die Schwingungsamplitude weniger als 10 m/s2 beträgt, gilt dies als stationärer Zustand und ist durch ein rotes Dreieck gekennzeichnet. Die Vibrationszeit der Metallplatte an den Positionen 1–4 ist kürzer als die an Position 5. Am Beispiel von Position 5 beträgt die Vibrationsstabilisierungszeit der Metallplatte unter dem Einfluss von Kohle 0,193 s, und zwar unter dem Einfluss von Ganggestein beträgt 0,241 s. Es kann festgestellt werden, dass die Vibrationszeit der Metallplatte unter dem Aufprall von Ganggestein größer ist als unter dem Aufprall von Kohle. Je näher an der Aufprallposition, desto länger ist die Vibrationszeit der Metallplatte.

Aus Abb. 7c ist ersichtlich, dass die Vibrationsreaktion der Metallplatte unter dem Aufprall von Ganggestein größer ist als unter dem Aufprall von Kohle. Der durch Ganggestein und Kohle verursachte Unterschied in der Vibrationsreaktion von Metallplatten ist im Moment des Aufpralls am größten und nimmt mit der Zeit danach ab. Der Unterschied in der Vibrationsreaktion der Metallplatte an den Positionen 1–4 ist ähnlich, und der Unterschied in der Vibrationsreaktion ist an Position 5 am größten. Es kann festgestellt werden, dass die Metallplatte an der Position eine deutlich unterschiedliche Vibrationsreaktion auf Kohle und Ganggestein aufweist Position in der Nähe des Aufpralls. Daher gibt es Unterschiede in der Vibrationsreaktion von Metallplatten unter dem Einfluss verschiedener Kohlegesteinsmaterialien. Der Höhlenmechanismus besteht aus geschweißten Metallplatten. Daher ist es möglich, die Aufprallschwingungsreaktion des Einbruchmechanismus auf der Grundlage der mechanisch-hydraulischen Kopplungssimulation detaillierter zu untersuchen.

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Kohle und Ganggestein müssen Kohle und Ganggestein, die auf den Bruchmechanismus einwirken, unterschiedliche Reaktionen hervorrufen. Diese unterschiedliche Reaktion ist die Grundlage für die Identifizierung von Kohlegesteinen im intelligenten Bergbau. Basierend auf der oben genannten Untersuchung wird der Reaktionsunterschied des von Kohle und Ganggestein beeinflussten Einbruchmechanismus anhand der Variablen Material, Position, Volumen und Geschwindigkeit analysiert. Die beiden Materialien Kohle und Ganggestein sind in Tabelle 2 oben aufgeführt. Die fünf Aufprallpositionen sind gleichmäßig entlang der Mittellinie des Heckbalkens verteilt, wie in Abb. 8 dargestellt. Die Kohle- und Gangradien sind auf 0,05 m, 0,06 m, 0,07 m, 0,08 m, 0,09 m und 0,10 m eingestellt. Der Abstand beträgt durchschnittlich 0,01 m. Die Aufprallgeschwindigkeit wird durch die Einbruchhöhe bestimmt, die auf 0,5 m, 0,7 m, 0,9 m, 1,1 m, 1,3 m und 1,5 m eingestellt ist. Der Abstand beträgt durchschnittlich 0,2 m. Die entsprechenden Geschwindigkeiten betragen 3,12 m/s, 3,70 m/s, 4,20 m/s, 4,64 m/s, 5,04 m/s und 5,42 m/s. Wählen Sie bei der Steuerung von Variablen den Mittelwert als Standardwert aus, z. B. einen Radius von 0,08 m und eine Geschwindigkeit von 4,20 m/s. Durch die Steuerung der Variablen werden 360 Gruppen von Kohle- und Ganggesteinprallsimulationen durchgeführt und die Reaktionswerte der Kraft-, Hydraulikdruck- und Bewegungsparameter des Mechanismus extrahiert. Die Vibrationssignale der mechanischen Struktur des Höhlenmechanismus werden an der Position des Gelenkpunkts zwischen dem Heckträger und dem Wagenheber erfasst. Dabei handelt es sich um die Verschiebung des Heckträgers, die Geschwindigkeit des Heckträgers und die Beschleunigung des Heckträgers. Die Vibrationssignale des hydraulischen Systems des Höhlenmechanismus werden vom Wagenheber erfasst. Dabei handelt es sich um den Druck im stangenlosen Hohlraum, den Druck im Stangenraum und die Stützkraft des Wagenhebers.

Aufprallposition des Höhlenmechanismus.

Indem wir die Aufprallposition des Einsturzmechanismus ändern, zeichnen wir die Reaktionsflächen an verschiedenen Aufprallpositionen mit einem Aufprallzeitpunkt von 0 s auf, wie in Abb. 9 dargestellt. Die grafische Verteilung auf der Basisebene ist die Projektion der Reaktionsfläche für den Kohleaufprall auf die Zeit-Positions-Ebene.

Reaktionsunterschied des Bruchmechanismus bei verschiedenen Aufprallpositionen: (a) Verschiebung des Heckbalkens, (b) Geschwindigkeit des Heckbalkens, (c) Beschleunigung des Heckbalkens, (d) Druck im stangenlosen Hohlraum, (e) Druck in Stangenhohlraum und (f) Stützkraft des Wagenhebers.

Aus Abb. 9 geht hervor, dass die durch Ganggestein verursachte Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus größer ist als die durch Kohle verursachte. Eine niedrigere Position des Höhlenmechanismus entspricht einer stärkeren Vibrationsreaktion. Der Unterschied zwischen kohleinduzierter und ganggesteininduzierter Vibrationsreaktion ist zum Zeitpunkt des Aufpralls am größten und nimmt mit der Zeit danach ab. Liegt die Aufprallposition näher am Ende des Einbruchmechanismus, nimmt der Unterschied in der Vibrationsreaktion zwischen Kohle- und Ganggestein zu. Darunter sind die linke Endöffnung der beiden Verschiebungsflächen des Heckbalkens, der Druck im stangenlosen Hohlraum, der Druck im Stangenhohlraum und die Stützkraft des Wagenhebers größer, d. Die in diesen Bereichen hervorgerufenen Störungen sind offensichtlich. Die Geschwindigkeit des Heckbalkens und die Beschleunigung des Heckbalkens sind durch die Öffnung am linken Ende der beiden Oberflächen gering, d der Wirkung. Die deutlichste Vibrationsreaktion entsteht beim Aufprall auf das Ende des Einsturzmechanismus (Position 5). Daher eignet sich Position 5 am besten zum Sammeln von Vibrationssignalen zur Identifizierung von Kohlegesteinen. Auch diese Position wird wahrscheinlich aufgrund des Einschlags des Kohlegesteins scheitern.

Basierend auf den oben genannten Untersuchungen ist Position 5 am empfindlichsten gegenüber Einwirkungen von Kohlegestein. Daher wird die Aufprallposition auf Position 5 eingestellt. Nehmen Sie den Aufprallzeitpunkt als 0 s an und zeichnen Sie die Reaktionsflächen bei verschiedenen Aufprallgeschwindigkeiten auf, wie in Abb. 10 dargestellt.

Reaktionsunterschied des Einbruchmechanismus bei verschiedenen Aufprallgeschwindigkeiten des Gesteins: (a) Verschiebung des Heckbalkens, (b) Geschwindigkeit des Heckbalkens, (c) Beschleunigung des Heckbalkens, (d) Druck im stangenlosen Hohlraum, (e) Druck im Stangenhohlraum und (f) Stützkraft des Wagenhebers.

Aus Abb. 10 geht hervor, dass die durch Ganggestein verursachte Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus größer ist als die durch Kohle verursachte. Der Unterschied zwischen kohleinduzierter und ganggesteininduzierter Vibrationsreaktion ist zum Zeitpunkt des Aufpralls am größten und nimmt mit der Zeit danach ab. Je höher die Aufprallgeschwindigkeit, desto stärker ist die Vibrationsreaktion des Bruchmechanismus. Eine höhere Aufprallgeschwindigkeit entspricht einem deutlicheren Reaktionsunterschied zwischen kohleinduzierten und ganggesteininduzierten Reaktionen. Darunter sind die linke Endöffnung der beiden Verschiebungsflächen des Heckbalkens, der Druck im stangenlosen Hohlraum, der Druck im Stangenhohlraum und die Stützkraft des Wagenhebers größer, d. Die in diesen Bereichen hervorgerufenen Störungen sind offensichtlich. Die Geschwindigkeit des Heckbalkens und die Beschleunigung des Heckbalkens sind durch die Öffnung am linken Ende der beiden Oberflächen gering, d der Wirkung. Wenn die Aufprallgeschwindigkeit hoch ist, ist die Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus am deutlichsten. Daher eignet sich der Aufprall mit hoher Geschwindigkeit besser zur Identifizierung von Kohlegestein anhand von Vibrationssignalen und führt höchstwahrscheinlich zu einer Beschädigung des Einbruchmechanismus.

Basierend auf der obigen Untersuchung wird die Aufprallposition auf Position 5 festgelegt. Wir nehmen den Aufprallzeitpunkt als 0 s an und zeichnen die Reaktionsflächen unter verschiedenen Kohlegesteinsvolumina auf, wie in Abb. 11 dargestellt.

Reaktionsunterschied des Einbruchmechanismus unter dem Einfluss unterschiedlicher Gesteinsvolumina: (a) Verschiebung des Heckbalkens, (b) Geschwindigkeit des Heckbalkens, (c) Beschleunigung des Heckbalkens, (d) Druck im stangenlosen Hohlraum, ( e) Druck im Stangenhohlraum und (f) Stützkraft des Wagenhebers.

Aus Abb. 11 geht hervor, dass die Aufprallreaktion des Einbruchmechanismus umso stärker ist, je größer das Volumen des Kohlegesteins ist. Ein größeres Volumen an Kohlegestein entspricht einem deutlicheren Reaktionsunterschied zwischen kohleinduzierter und ganggesteininduzierter Reaktion. Im Vergleich zu den beiden oben genannten Gruppen sind die linken Endöffnungen der beiden Oberflächen der sechs Parameter alle klein. Besonders wenn das Volumen des Kohlegesteins klein ist, stimmen Ober- und Unterseite nahezu überein. Daher ist der Einfluss von Gesteinsvolumenparametern auf die Reaktionsdifferenz des Einbruchmechanismus durch Kohle- und Ganggesteinseinschlag gering. Das großvolumige Kohlegestein kann für die Forschung zur Identifizierung von Kohlegesteinen verwendet werden und es ist einfacher, den Höhlenmechanismus zu beschädigen. Das kleinvolumige Gestein eignet sich nicht für die Forschung zur Identifizierung von Kohlegesteinen.

Die obigen Ergebnisse zeigten, dass, wenn die Position des Höhlenmechanismus niedriger ist, die Geschwindigkeit des Kohlegesteins höher ist und das Volumen des Kohlegesteins größer ist, der Unterschied in der Vibrationsreaktion des Höhlenmechanismus ausgeprägter ist. Die Aufprallposition und die Aufprallgeschwindigkeit beeinflussen den Reaktionsunterschied erheblich, während das Kohlegesteinsvolumen den Reaktionsunterschied nur schwach beeinflusst. Die Vibrationsreaktion des Drucks im stangenlosen Hohlraum, des Drucks im Stangenhohlraum, der Stützkraft des Wagenhebers und der Heckbalkenverschiebung ist stärker ausgeprägt, während die Vibrationsreaktion der Heckbalkengeschwindigkeit und Heckbalkenbeschleunigung schwach ist. Unter den gleichen Bedingungen kann der Aufprall von Ganggestein eine stärkere Vibrationsreaktion im Bruchmechanismus hervorrufen als der Aufprall von Kohle. Die effektivsten Schwingungsreaktionsdaten des Einsturzmechanismus können durch eine sinnvolle Auswahl der Aufprallposition nahe dem Ende des Heckträgers und die Übernahme einer höheren Aufprallgeschwindigkeit erhalten werden.

In dieser Arbeit wird experimentell bestätigt, dass die Metallplatte unter dem Einfluss von Kohlegestein unterschiedlicher Materialien unterschiedliche Vibrationsreaktionen aufweist. Anschließend werden das numerische Analysemodell und das mechanisch-hydraulische Co-Simulationsmodell des Einbruchmechanismus erstellt, wodurch das Kohlegestein, die mechanische Struktur und das hydraulische System interagieren. Der Unterschied in der Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus beim Aufprall von Kohlegestein wird unter verschiedenen Gesteinsmaterialien, Gesteinsvolumen, Aufprallgeschwindigkeit und Aufprallposition analysiert. Die Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Die Vibrationsreaktion der Metallplatte unter dem Aufprall von Ganggestein ist größer als die unter dem Aufprall von Kohle. Die Metallplatte weist in der Nähe der Aufprallstelle einen merklichen Unterschied in der Vibrationsreaktion auf Kohle und Ganggestein auf.

Die Vibrationsreaktion des Bruchmechanismus unter dem Einfluss von Kohle und Ganggestein ist unterschiedlich. Der Aufprall von Ganggestein verursacht eine größere Vibration als der Aufprall von Kohle. Je tiefer die Einschlagsposition, je höher die Aufprallgeschwindigkeit und je größer das Kohlegesteinsvolumen, desto ausgeprägter ist der Unterschied in der Reaktion.

Der Reaktionsunterschied wird stark von der Aufprallposition und -geschwindigkeit beeinflusst, jedoch weniger vom Kohlegesteinsvolumen. Der Reaktionsunterschied ist offensichtlich bei den Parametern Verschiebung des Heckträgers, Druck im stangenlosen Hohlraum, Druck im Stabhohlraum und Stützkraft des Wagenhebers, aber schwach bei den Parametern Geschwindigkeit und Beschleunigung des Heckträgers.

Die hohe Aufprallgeschwindigkeit und das große Volumen des Kohlegesteins eignen sich besser zum Sammeln von Vibrationssignalen zur Identifizierung von Kohlegestein und führen höchstwahrscheinlich zu einer Beschädigung des Höhlenmechanismus.

Das Ende des Heckbalkens ist der vibrationsempfindliche Bereich des Höhlenmechanismus. Beim eigentlichen Arbeitsprozess sollte besonderes Augenmerk auf den Schutz des Endes des Heckträgers gelegt werden. Im hypothetischen Fall wird der Grad der Vorzerkleinerung der Top-Kohle so weit wie möglich erhöht, und die Ausfallwahrscheinlichkeit des Bruchmechanismus kann durch Reduzierung der Bruchgeschwindigkeit und der Größe der gebrochenen Top-Kohle verringert werden.

Diese Studie hat eine Referenzbedeutung für die Verbesserung des strukturellen Designs des Höhlenmechanismus und der Fehlervermeidung. Die Ergebnisse der Studie geben Hinweise für eine neue intelligente Technologie zur Identifizierung von Kohlegestein auf Basis von Vibrationssignalen. Diese Studie berücksichtigt nicht die Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus beim Hebe- und Abschwungvorgang. Daher kann das mechanisch-hydraulische Kopplungsmodell den Bewegungszustand des Einbruchmechanismus in weiteren Untersuchungen berücksichtigen.

Die Autoren garantieren, dass das Werk noch in keiner Form veröffentlicht wurde und dass das Werk nicht gleichzeitig einer anderen Veröffentlichung vorgelegt wird. Die Autoren garantieren außerdem, dass das Werk niemanden verleumdet, das Urheberrecht anderer verletzt oder auf andere Weise gegen die gesetzlichen oder Gewohnheitsrechtsrechte einer anderen Person verstößt.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor, Qingliang Zeng, erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52274132) und der Key Research and Development of Shandong Province (Grant No. 2019SDZY01) unterstützt.

Hochschule für Maschinenbau und Elektrotechnik, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590, China

Yanpeng Zhu, Qingliang Zeng, Lirong Wan, Yang Yang und Zhe Li

Hochschule für Informationswissenschaft und Ingenieurwesen, Shandong Normal University, Jinan, 250358, China

Qingliang Zeng

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YZ: Schreiben – Originalentwurf, Untersuchung, formale Analyse, Validierung. QZ: Schreiben–Rezension und Bearbeitung, Methodik, Betreuung, Finanzierungseinwerbung. LW: Konzeptualisierung, Methodik, Betreuung, Projektadministration. YY: Untersuchung, Validierung. ZL: Datenkuration, Visualisierung. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt. Die Autoren bestätigen, dass dieses Werk noch nicht veröffentlicht wurde und dass seine Veröffentlichung von allen Co-Autoren genehmigt wurde.

Korrespondenz mit Qingliang Zeng.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhu, Y., Zeng, Q., Wan, L. et al. Unterschiedliche Vibrationsreaktion des Einbruchmechanismus unter Kohlegesteinsaufprall basierend auf mechanisch-hydraulischer Kopplung. Sci Rep 13, 13794 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40967-z

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Eingegangen: 06. Juni 2023

Angenommen: 19. August 2023

Veröffentlicht: 23. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40967-z

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Unterschiedliche Vibrationsreaktion des Einsturzmechanismus unter Einwirkung von Kohlegestein basierend auf der Mechanik