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Aug 23, 2023

Diferencia de respuesta a la vibración del mecanismo de hundimiento bajo impacto de roca de carbón según la mecánica

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 13794 (2023) Citar este artículo 166 Accesos Detalles de métricas El hundimiento de carbón superior en la minería por hundimiento totalmente mecanizada provocará un impacto irregular en el hundimiento

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13794 (2023) Citar este artículo

166 Accesos

Detalles de métricas

El hundimiento de la parte superior del carbón en la minería por hundimiento totalmente mecanizada provocará un impacto irregular en el mecanismo de hundimiento del soporte hidráulico. La respuesta a la vibración del mecanismo de hundimiento varía según las diferentes formas de impacto. Esta diferencia de respuesta es un requisito previo para la nueva tecnología de identificación de rocas de carbón en la minería inteligente. Por lo tanto, este trabajo estudia la diferencia en la respuesta vibratoria del mecanismo de hundimiento bajo diferentes formas de impacto. Se establece un innovador modelo de sistema de acoplamiento mecánico-hidráulico del impacto del mecanismo de hundimiento por roca de carbón. La prueba de impacto de placa de metal demostró la diferencia significativa en la respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento bajo el impacto de roca de carbón de diferentes materiales. Posteriormente, un modelo de cosimulación mecánico-hidráulico más mejorado analizó la diferencia en la respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento bajo diferentes materiales de roca, volúmenes, velocidades y posiciones de impacto. Los resultados muestran que la respuesta a la vibración es más intensa bajo el impacto de una roca que bajo el impacto de un carbón. Una posición más baja, una velocidad más rápida y un volumen mayor corresponden a una diferencia de respuesta más notable en el mecanismo de hundimiento. Se determinan las áreas sensibles a vibraciones y fallos del mecanismo de hundimiento. Este estudio tiene una importancia de referencia para mejorar el diseño estructural del mecanismo de hundimiento y la prevención de fallas. Las conclusiones proporcionan orientación para una nueva tecnología inteligente de identificación de rocas de carbón basada en señales de vibración.

La minería de carbón de superficie totalmente mecanizada se está desarrollando hacia una alta eficiencia, seguridad, protección ambiental e inteligencia. La optimización de los equipos mineros es el eslabón crítico para promover el progreso de la tecnología inteligente1. El soporte hidráulico superior de hundimiento de carbón es el equipo de soporte más importante en la minería, y el mecanismo de hundimiento es su importante componente de control, que juega un papel decisivo en el efecto de hundimiento. Por lo tanto, es esencial mejorar el diseño estructural del mecanismo de hundimiento y la prevención de fallas.

El soporte hidráulico superior para hundimiento de carbón se desarrolla basándose en el soporte hidráulico tradicional. Tiene las funciones esenciales de controlar el techo principal, mantener el techo inmediato y empujar el transportador. Además, tritura y derrumba el carbón superior. Muchos académicos han realizado investigaciones innovadoras, optimización y mejoras en el soporte hidráulico de hundimiento de carbón superior en los últimos años. Arasteh et al.2 estudiaron la carga de hundimiento del techo del soporte hidráulico de hundimiento de subnivel basándose en una red de fractura discreta y un modelo de partículas cohesivas y optimizaron el rendimiento de soporte del soporte hidráulico. Zhang et al.3 introdujeron el modelo constitutivo del soporte hidráulico superior de hundimiento de carbón en CDEM para analizar el mecanismo de hundimiento de carbón. Ji et al.4 analizaron las capacidades antivuelco, antideslizamiento y antirotación del soporte y mejoraron el rendimiento antideslizante del soporte. A través del modelo UDEC de múltiples costuras, Zhang et al.5 estudiaron la influencia de la ubicación de la capa crítica en la resistencia de trabajo del soporte hidráulico de hundimiento de carbón superior y derivaron la fórmula para calcular la resistencia máxima de trabajo del soporte. Además, los académicos han investigado soportes hidráulicos en vetas de carbón complejas, como soportes hidráulicos de gran inclinación, soportes hidráulicos livianos para vetas delgadas y soportes hidráulicos de gran altura minera para vetas gruesas6,7,8,9.

La caída del techo de carbón provocará una carga de impacto en el mecanismo de hundimiento. Cuando excede el límite, el mecanismo de hundimiento se dañará y dejará de ser válido, como se muestra en la Fig. 1. La falla del mecanismo afecta el efecto del hundimiento del carbón superior e incluso amenaza la seguridad de los trabajadores. Muchos académicos han realizado investigaciones innovadoras y optimizadas sobre el mecanismo de hundimiento. Balasubrahmanyam et al.10 desarrollaron y verificaron la primera distancia de hundimiento de carbón superior aplicable a las condiciones geológicas y mineras en la India. Zhang et al.3 analizaron el mecanismo de hundimiento del carbón superior y propusieron una tecnología de hundimiento mejorada en cuatro pasos. Yang et al.11 diseñaron un método de aprendizaje automático de redes neuronales profundas para controlar eficazmente la ventana de hundimiento del carbón. Zhang et al.12 instalaron un dispositivo de escaneo por radar en la parte superior del soporte hidráulico para monitorear el espesor del carbón superior en tiempo real y enviaron la señal al sistema de control electrohidráulico, que realizó el control inteligente del mecanismo de hundimiento. Además, los académicos han realizado muchas mejoras innovadoras en los accesorios relevantes del mecanismo de hundimiento, como equipos de detección de actitud de alta precisión, escáneres láser de hundimiento de carbón y componentes inteligentes de control de inducción conectados en red13,14,15.

Diferentes tipos de falla del mecanismo de hundimiento: (a) abrasión de la superficie, (b) fractura del eje del pasador, (c) curvatura del eje del pasador, (d) desgaste de los dientes, (e) cráter de impacto de la superficie superior y ( f) curvatura del gato.

Se puede ver que muchos estudiosos han estudiado varios aspectos del mecanismo de hundimiento. Estos estudios incluyen tanto estructuras mecánicas como sistemas de energía hidráulica. Sin embargo, la mayoría de los estudios existentes se centran en un solo componente o una sola función del mecanismo de hundimiento, y rara vez consideran la interacción entre la estructura mecánica y el sistema hidráulico. El entorno de trabajo del mecanismo de hundimiento es duro y complejo. Los resultados del análisis obtenidos únicamente desde un único ángulo de estructura mecánica o sistema hidráulico diferirán significativamente de los resultados reales. El mecanismo de hundimiento es un mecanismo complejo que combina sistemas hidráulicos y maquinaria. La investigación desde una única perspectiva es unilateral y apenas refleja sus características mecánicas más reales. El nuevo método de cosimulación mecánico-hidráulico bidireccional16,17,18 puede establecer con precisión la relación entre la estructura mecánica y el sistema hidráulico y analizar de manera más precisa y completa el mecanismo de hundimiento. El uso de la cosimulación mecánico-hidráulica bidireccional es un paso complejo pero esencial en el estudio en profundidad del mecanismo de hundimiento. Además, la respuesta de diferentes áreas del mecanismo de hundimiento después del impacto es diferente. La vibración de impacto provocada por el carbón y la ganga también es diferente. Sin embargo, pocos estudios han considerado la diferencia en la respuesta al impacto. Esta diferencia en la respuesta a la vibración también conducirá a diferentes probabilidades de falla en diferentes áreas del mecanismo19. Por lo tanto, sobre la base de la viabilidad verificada por la prueba, se establece un innovador modelo de cosimulación mecánico-hidráulico del mecanismo minero, que hace que la roca de carbón, la estructura mecánica y el sistema hidráulico interactúen entre sí. Se analizan las diferencias de respuesta del mecanismo de hundimiento bajo diferentes materiales rocosos. Se determinan las áreas sensibles a vibraciones y fallos del mecanismo de hundimiento. Este estudio tiene una importancia de referencia para mejorar el diseño estructural del mecanismo de hundimiento y la prevención de fallas. Los hallazgos del estudio proporcionan orientación para una nueva tecnología inteligente de identificación de rocas de carbón basada en señales de vibración.

El impacto de la roca de carbón sobre el mecanismo de hundimiento es esencialmente la colisión de dos entidades. El gato desempeña un papel amortiguador de vibraciones en el impacto, similar al sistema de resorte20. El mecanismo de hundimiento se puede simplificar como un modelo plano bidimensional21, 22. Basado en la teoría del contacto de Hertz23, 24 y la teoría del resorte equivalente25, 26, se establece el modelo coteórico mecánico-hidráulico del impacto del mecanismo de hundimiento por la roca de carbón.

Cuando la roca de carbón impacta el mecanismo de hundimiento, se genera una fuerza de contacto en la posición de contacto y se produce una ligera deformación por extrusión entre ellos. El contacto entre la roca de carbón y el mecanismo de hundimiento puede ser equivalente al contacto entre una esfera y un plano en curvatura27, 28. La forma de contacto de la esfera y el plano se muestra en la Fig. 2.

Diagrama esquemático del mecanismo de hundimiento bajo impacto.

La deformación de extrusión normal \(\delta\) se genera en la posición de contacto. La distribución de la tensión de compresión después del contacto es un semielipsoide. La relación entre la fuerza de contacto elástica \(F_{{\text{c}}}\) y la deformación \(\delta\) es la siguiente:

donde \(R_{0}\) es el radio equivalente, \(E_{0}\) es el módulo elástico equivalente, \(n\) es el coeficiente de rigidez. El modelo de amortiguación de resortes no lineal basado en la teoría del contacto de Hertz considera la disipación de energía de dos objetos. La fuerza de contacto se divide en fuerza elástica y fuerza amortiguadora:

donde \(K_{{\text{c}}}\) es la rigidez de contacto no lineal, \(\delta_{{\text{r}}}\) es la velocidad relativa de impacto y el coeficiente de amortiguación \(D\ ) se puede calcular de la siguiente manera:

donde \(\delta_{{\text{r}}}^{( - )}\) es la velocidad de impacto relativa inicial. \(e\) es el coeficiente de restitución elástico. La fuerza de contacto entre la roca de carbón y el mecanismo de control se puede obtener de la siguiente manera:

El gato de la viga de cola es el componente de soporte principal en el mecanismo de hundimiento y el sistema hidráulico puede considerarse el sistema de amortiguación del resorte. La rigidez equivalente del gato es:

donde \(S\) es el área de la sección transversal de la columna de líquido, \(k_{{\text{f}}}\) es el coeficiente de compresibilidad volumétrica del líquido, \(L_{{\text{f} }}\) es la altura efectiva de la columna de líquido, \(\alpha\) es el espesor de la pared del cilindro y \(E_{{\text{s}}}\) es el módulo elástico del bloque de cilindros.

De la Fig. 3, de acuerdo con el principio de equilibrio de fuerzas y equilibrio de momentos29, se puede saber que:

Diagrama de análisis de fuerzas del mecanismo de hundimiento. O es el punto de articulación entre la viga de cola y la viga de protección, A es el punto vertical entre el plano superior de la viga de cola y el punto de articulación inferior de la viga de cola, B es el punto de articulación entre la viga de cola y el gato, C es el punto de articulación entre el gato y la viga protectora, D es el punto de contacto entre la roca de carbón y la viga de cola, E es el punto de intersección entre el gato y el plano superior de la viga de cola, β es el ángulo incluido entre la viga de cola y el plano horizontal, y θ es el ángulo incluido entre el gato y el plano horizontal.

La función trigonométrica y la teoría de triángulos semejantes se utilizan para obtener lo siguiente:

Luego, obtenemos la relación entre la fuerza de contacto elástica \(F_{C}\) y el cambio de desplazamiento \(x_{L}\) del gato de la viga de cola:

El mecanismo de hundimiento del soporte hidráulico de carbón superior se compone principalmente de soldadura de placas de metal. Dado que la parte de contacto entre el mecanismo de hundimiento y la roca de carbón colapsada es una placa de metal en las condiciones de trabajo reales, el mecanismo de hundimiento se puede simplificar a una placa de metal en la prueba de impacto30. Para verificar la diferencia en la respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento bajo el impacto de diferentes materiales de roca de carbón, se diseñó la placa de metal impactada por el banco de pruebas de roca de carbón, como se muestra en la Fig. 4a. La placa de metal está fijada en las cuatro esquinas y tiene cinco sensores de vibración de aceleración montados en su parte inferior, como se muestra en la Fig. 4c. Los sensores utilizados son sensores de aceleración piezoeléctricos 1A102E de Jiangsu Donghua Testing Technology Co., Ltd., como se muestra en la Fig. 4d. Los sensores 1 a 4 están dispuestos en las cuatro líneas diagonales de la placa metálica y el sensor 5 está dispuesto en el centro de la placa metálica. La roca de carbón se libera a través del dispositivo de caída de ganga de carbón. La roca de carbón liberada es carbón y ganga respectivamente, como se muestra en la Fig. 4b. Las señales del sensor son adquiridas por el dispositivo de adquisición de señales dinámicas DH8302 de Jiangsu Donghua Testing Technology Co., Ltd.

Placa de metal impactada por el banco de pruebas de roca de carbón: (a) disposición del banco de pruebas, (b) tipos de rocas de carbón utilizadas en la prueba, (c) disposición de los sensores y (d) sensor de señal de vibración de aceleración.

Se realiza el diseño estructural y del sistema hidráulico para el soporte hidráulico. Se construyó un modelo de dinámica de cuerpos múltiples basado en Adams31, como se muestra en la Fig. 5a, y se construyó un modelo de sistema hidráulico basado en AMESim32, como se muestra en la Fig. 5c. El modelo de cosimulación se establece de acuerdo con el mecanismo de hundimiento real, que pertenece al soporte hidráulico ZF5600/16.5/26, como se muestra en la Fig. 5d. Adams y AMESim pueden realizar una cosimulación mecánica-hidráulica compleja configurando las variables de entorno de la interfaz33, 34. En el proceso de cosimulación, el segundo se divide en n pasos. A 1/n segundo, después de que comienza la simulación, Adams calcula los datos cinemáticos y los transmite a AMESim a través del módulo de co-simulación. A 2/n segundo, AMESim calcula la presión hidráulica en función de los datos recibidos y pasa los datos hidráulicos a Adams. Luego, Adams calcula los datos cinemáticos basándose en los datos hidráulicos recibidos y pasa los nuevos datos nuevamente. Y así sucesivamente, para realizar el cálculo colaborativo entre los dos software.

Modelo de cosimulación mecánico-hidráulico. (a) El modelo de estructura mecánica del soporte hidráulico. (b) Establecer el modelo de esfera de impacto basado en carbón y ganga reales. (c) El sistema hidráulico proporciona la fuerza hidráulica, controla el mecanismo y soporta la carga de impacto. (d) El mecanismo de derrumbe real.

En Adams, se agregan pares de movimiento para cada componente, se agrega impulso de movimiento para cada gato y no se confirma ninguna interferencia entre los componentes mediante inspección cinemática35, 36. El punto de articulación entre el gato de la viga de cola y la viga de cola se selecciona como punto de trayectoria. del gato de la viga trasera. El punto final del haz de cola se selecciona como punto de trayectoria del haz de cola. El ángulo entre el gato de la viga de cola y el plano vertical se utiliza como ángulo de referencia del dibujo. La trayectoria de movimiento del mecanismo de hundimiento y la relación de coordenadas polares entre la longitud del gato y el ángulo incluido se muestran en la Fig. 6.

Verificación cinemática de los componentes: (a) Seguimiento del movimiento del mecanismo de hundimiento; (b) Relación de coordenadas polares entre la longitud del gato y el ángulo incluido.

La Figura 6a muestra que la articulación de bisagra del vástago del pistón del gato se mueve de abajo hacia arriba, lo que hace que la viga de cola oscile hacia arriba. La traza de movimiento es un arco centrado en la unión de bisagra de la viga de cola y la viga de escudo. La Figura 6b muestra que una longitud de extensión más larga del gato corresponde a un ángulo mayor con el plano vertical. La viga trasera del mecanismo de espeleología tiene una sola pieza motriz: el gato de la viga trasera. La longitud de extensión del gato determina la postura de la viga trasera. El proceso de simulación establecido es consistente con la situación real.

Al agregar múltiples fuerzas espaciales constantes, se agregó la carga uniforme sobre el mecanismo de hundimiento para simular la capacidad de carga inicial de la roca de carbón al mecanismo de control. Los parámetros estructurales del gato se muestran en la Tabla 1. La carga de impacto se aplica al mecanismo de hundimiento a través de la caída libre de roca de carbón, que incluye principalmente carbón y ganga, como se muestra en la Fig. 5b. Las propiedades de los materiales de carbón y ganga37 se muestran en la Tabla 2. El radio de la esfera de roca de carbón se establece en 80 mm. Según la fórmula (3), la rigidez de contacto se calcula en 1,426 × 109 N/m. La amortiguación de contacto es del 0,1% de la rigidez de contacto. Se adopta el modelo de fricción de Coulomb para la fricción entre la roca de carbón y la viga de cola. Debido a que hay fricción seca entre la roca de carbón y la viga de cola, el coeficiente de fricción dinámica se establece en 0,1 y el coeficiente de fricción estática se establece en 0,15. En esta simulación, las patas del soporte hidráulico sólo se utilizan como ayuda de soporte, y su efecto de soporte es similar al de un resorte, por lo que las patas se simplifican como un resorte equivalente. Según la fórmula (6), la rigidez del resorte equivalente es 1,766 × 109 N/m. Así, finalmente se establece el modelo de estructura mecánica del soporte hidráulico, como se muestra en la Fig. 5a.

En el sistema hidráulico AMESim38, el extremo de salida del módulo de co-simulación está conectado al sensor de presión del gato y el extremo de entrada está conectado al sensor de desplazamiento del gato. Por lo tanto, a través del módulo de co-simulación, los resultados de la solución de desplazamiento de Adams se transfieren a AMESim en tiempo real, y los resultados de la solución de presión hidráulica de AMESim se transfieren a Adams en tiempo real. En el sistema hidráulico se utiliza aceite hidráulico con alto contenido de agua y un contenido de agua del 95 %. La temperatura se fija en 20°C. Se agrega una válvula de cierre a los circuitos del gato para realizar el bloqueo hidráulico de dos vías. La estación de bombeo hidráulico está formada por un acumulador, un motor de par constante, una válvula proporcional, una válvula de descarga y otros componentes. La válvula de descarga determina la presión de salida máxima de la estación de bombeo, que normalmente está diseñada para 31,5 MPa. Por lo tanto, la presión máxima de salida de la estación de bombeo se establece en 31,5 MPa. La válvula de inversión utiliza una válvula de cuatro vías de tres posiciones tipo Y para un buen rendimiento de frenado. Cuando la válvula de inversión está en la posición media, ambas cámaras del gato quedan herméticamente selladas, lo que evita un gran desplazamiento del vástago del pistón debido a una fuerza externa. Las señales lineales por partes están conectadas a la entrada de la válvula de inversión para controlar la apertura de la válvula, que controla el movimiento del gato y la postura del mecanismo de hundimiento. El diseño del sistema hidráulico se muestra en la Fig. 5c. La parte roja es el módulo de estructura mecánica, la parte azul es el módulo del sistema hidráulico, la parte verde es el módulo de transmisión de señales y la parte negra es el módulo de cosimulación de Adams y AMESim.

Utilice carbón y ganga con formas y tamaños similares para dejar caer libremente desde la misma altura e impactar la placa de metal. El lugar de vertido del carbón y la ganga se encuentra directamente encima de la placa metálica. El lugar del impacto de la roca de carbón es el centro de la placa de metal. Después de cada experimento de impacto, 5 sensores y el colector de señales dinámicas DH8302 recogieron las señales de respuesta de vibración de 5 posiciones de la placa de metal. Finalmente, el sistema de análisis de señales almacena y extrae los datos de respuesta a la vibración de la placa metálica.

La amplitud de la señal de vibración describe la magnitud y la fuerza de la respuesta de vibración de la placa de metal. La señal de respuesta de la placa de metal en este experimento se basa en la vibración simétrica por encima y por debajo de la línea cero. Para una comparación y análisis efectivos de la diferencia en la respuesta de vibración causada por el carbón y la ganga, solo se retiene el valor absoluto de la señal de vibración. Las respuestas de vibración de la placa de metal bajo el impacto del carbón y la ganga se muestran en las figuras 7a, b, respectivamente. Finalmente, se extrae la amplitud de la señal de respuesta a la vibración y los cinco grupos de señales de vibración inducidas por el carbón se combinan en una superficie de respuesta al impacto del carbón. Los cinco grupos de señales de vibración inducidas por ganga se combinan en una superficie de respuesta al impacto de ganga. La diferencia entre las dos superficies de respuesta se muestra en la Fig. 7c. La diferencia se refiere a la distancia de desviación entre dos superficies de respuesta al impacto. La distribución gráfica en el plano basal es la proyección de la superficie de respuesta al impacto del carbón sobre el plano tiempo-posición.

Respuesta de la placa de metal bajo el impacto de roca de carbón: (a) respuesta de la placa de metal bajo el impacto de carbón, (b) respuesta de la placa de metal bajo el impacto de ganga y (c) diferencia en la superficie de respuesta al impacto causada por el carbón y la ganga.

Según las figuras 7a,b, la respuesta de vibración de la placa de metal es similar en las posiciones 1 a 4, y la respuesta de vibración es mayor en la posición 5. Es decir, cuanto más cerca del punto de impacto, más fuerte será la respuesta de vibración de la placa de metal. . La amplitud de la respuesta al impacto es similar para la posición con una distancia similar desde el punto de impacto. La respuesta de una placa de metal bajo el impacto de una roca de carbón muestra la amplitud máxima en el momento del impacto y luego disminuye uniformemente con el tiempo hasta que es suave. El tiempo de vibración de la placa metálica es muy corto. Cuando la amplitud de la vibración es inferior a 10 m/s2, se considera estado estacionario y se marca con un triángulo rojo. El tiempo de vibración de la placa de metal en las posiciones 1 a 4 es más corto que el de la posición 5. Tomando la posición 5 como ejemplo, el tiempo de estabilización de la vibración de la placa de metal bajo el impacto del carbón es de 0,193 s, y el del impacto de la ganga. es 0,241 s. Se puede obtener que el tiempo de vibración de la placa metálica bajo impacto de ganga es mayor que bajo impacto de carbón. Cuanto más cerca de la posición de impacto, mayor será el tiempo de vibración de la placa de metal.

En la Fig. 7c, se puede ver que la respuesta a la vibración de la placa metálica bajo el impacto de la ganga es mayor que bajo el impacto del carbón. La diferencia en la respuesta a la vibración de la placa de metal causada por la ganga y el carbón es máxima en el momento del impacto y disminuye con el tiempo. La diferencia en la respuesta a la vibración de la placa de metal en las posiciones 1 a 4 es similar, y la diferencia en la respuesta a la vibración es mayor en la posición 5. Se puede obtener que la placa de metal tiene una respuesta de vibración diferencial significativa al carbón y la ganga en la posición 5. posición cercana al impacto. Por lo tanto, existen diferencias en la respuesta a la vibración de la placa metálica bajo el impacto de diferentes materiales de roca de carbón. El mecanismo de hundimiento está fabricado mediante soldadura de placas de metal. Por lo tanto, es factible estudiar la respuesta a la vibración del impacto del mecanismo de hundimiento con más detalle basándose en la simulación del acoplamiento mecánico-hidráulico.

Debido a las diferentes propiedades del carbón y los materiales de ganga, el carbón y la ganga que impactan el mecanismo de hundimiento deben provocar respuestas diferentes. Esta respuesta diferencial es la base para la identificación de rocas de carbón en la minería inteligente. Con base en la investigación anterior, se analiza la diferencia de respuesta del mecanismo de hundimiento impactado por carbón y ganga con las variables de material, posición, volumen y velocidad. Los dos materiales de carbón y ganga se muestran en la Tabla 2 anterior. Las cinco posiciones de impacto se distribuyen uniformemente a lo largo de la línea central de la viga de cola, como se muestra en la Fig. 8. Los radios de carbón y ganga se establecen en 0,05 m, 0,06 m, 0,07 m, 0,08 m, 0,09 m y 0,10 m. El intervalo es de 0,01 m en promedio. La velocidad del impacto está determinada por la altura del derrumbe, que se establece en 0,5 m, 0,7 m, 0,9 m, 1,1 m, 1,3 my 1,5 m. El intervalo es de 0,2 m en promedio. Las velocidades correspondientes son 3,12 m/s, 3,70 m/s, 4,20 m/s, 4,64 m/s, 5,04 m/s y 5,42 m/s. Al controlar variables, seleccione el valor medio como valor predeterminado, como un radio de 0,08 my una velocidad de 4,20 m/s. Controlando las variables se realizan simulaciones de impacto de 360 ​​grupos de carbón y ganga, y se extraen los valores de respuesta de los parámetros de fuerza, presión hidráulica y movimiento del mecanismo. Las señales de vibración de la estructura mecánica del mecanismo de hundimiento se recopilan en la posición del punto de articulación entre la viga de cola y el gato, que son el desplazamiento de la viga de cola, la velocidad de la viga de cola y la aceleración de la viga de cola. Las señales de vibración del sistema hidráulico del mecanismo de hundimiento se recogen del gato, que son la presión en la cavidad sin varilla, la presión en la cavidad de la varilla y la fuerza de soporte del gato.

Posición de impacto del mecanismo de hundimiento.

Al cambiar la posición de impacto del mecanismo de hundimiento, trazamos las superficies de respuesta en diferentes posiciones de impacto con el instante de impacto como 0 s, como se muestra en la Fig. 9. La distribución gráfica en el plano basal es la proyección de la superficie de respuesta al impacto del carbón. en el plano tiempo-posición.

Diferencia de respuesta del mecanismo de hundimiento en diferentes posiciones de impacto: (a) desplazamiento de la viga de cola, (b) velocidad de la viga de cola, (c) aceleración de la viga de cola, (d) presión en la cavidad sin vástago, (e) presión en cavidad de la varilla, y (f) fuerza de soporte del gato.

En la Fig. 9, la respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento causada por la ganga es mayor que la causada por el carbón. Una posición más baja del mecanismo de hundimiento corresponde a una mayor respuesta de vibración. La diferencia entre la respuesta a la vibración inducida por el carbón y la inducida por la ganga es mayor en el instante del impacto y disminuye con el tiempo a partir de entonces. La posición de impacto está más cerca del final del mecanismo de hundimiento, la diferencia en la respuesta de vibración entre la inducida por el carbón y la inducida por la ganga aumenta. Entre ellos, la abertura del extremo izquierdo de las dos superficies de desplazamiento de la viga de cola, la presión en la cavidad sin varilla, la presión en la cavidad de la varilla y la fuerza de soporte del gato son mayores, es decir, la diferencia de respuesta a la vibración entre la inducida por carbón y la ganga. inducidas en estas áreas son obvias. La abertura del extremo izquierdo de las dos superficies de la velocidad del haz de cola y la aceleración del haz de cola son pequeñas, es decir, la diferencia de respuesta de vibración entre la inducida por carbón y la inducida por ganga en estas áreas no es obvia o solo en el instante. de impacto. La respuesta de vibración más obvia es cuando se impacta el extremo del mecanismo de hundimiento (posición 5). Por tanto, la posición 5 es la más adecuada para recoger señales de vibración de identificación de rocas de carbón. Es probable que esta posición también falle debido al impacto de la roca de carbón.

Según la investigación anterior, la posición 5 es la más sensible al impacto de la roca de carbón. Por lo tanto, la posición de impacto se establece en la posición 5. Tome el instante del impacto como 0 s y trace las superficies de respuesta bajo diferentes velocidades de impacto, como se muestra en la Fig. 10.

Diferencia de respuesta del mecanismo de hundimiento bajo diferentes velocidades de impacto de la roca: (a) desplazamiento de la viga de cola, (b) velocidad de la viga de cola, (c) aceleración de la viga de cola, (d) presión en la cavidad sin varilla, (e) presión en la cavidad de la varilla, y (f) fuerza de soporte del gato.

En la Fig. 10, la respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento causada por la ganga es mayor que la causada por el carbón. La diferencia entre la respuesta a la vibración inducida por el carbón y la inducida por la ganga es mayor en el instante del impacto y disminuye con el tiempo a partir de entonces. Cuanto mayor sea la velocidad del impacto, mayor será la respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento. Una mayor velocidad de impacto corresponde a una diferencia de respuesta más notable entre la inducida por carbón y la inducida por ganga. Entre ellos, la abertura del extremo izquierdo de las dos superficies de desplazamiento de la viga de cola, la presión en la cavidad sin varilla, la presión en la cavidad de la varilla y la fuerza de soporte del gato son mayores, es decir, la diferencia de respuesta a la vibración entre la inducida por carbón y la ganga. inducidas en estas áreas son obvias. La abertura del extremo izquierdo de las dos superficies de la velocidad del haz de cola y la aceleración del haz de cola son pequeñas, es decir, la diferencia de respuesta de vibración entre la inducida por carbón y la inducida por ganga en estas áreas no es obvia o solo en el instante. de impacto. Cuando la velocidad del impacto es alta, se produce la respuesta de vibración más obvia del mecanismo de hundimiento. Por lo tanto, el impacto de alta velocidad es más adecuado para identificar rocas de carbón basándose en la señal de vibración y es más probable que dañe el mecanismo de hundimiento.

Según la investigación anterior, la posición de impacto se establece en la posición 5. Tomamos el instante del impacto como 0 s y trazamos las superficies de respuesta bajo diferentes volúmenes de roca de carbón, como se muestra en la Fig. 11.

Diferencia de respuesta del mecanismo de hundimiento bajo el impacto de diferentes volúmenes de roca: (a) desplazamiento de la viga de cola, (b) velocidad de la viga de cola, (c) aceleración de la viga de cola, (d) presión en la cavidad sin varilla, ( e) presión en la cavidad de la varilla, y (f) fuerza de soporte del gato.

Según la Fig. 11, cuanto mayor es el volumen de roca de carbón, más fuerte será la respuesta al impacto del mecanismo de hundimiento. Un mayor volumen de roca de carbón corresponde a una diferencia de respuesta más notable entre la inducida por carbón y la inducida por ganga. En comparación con los dos grupos anteriores, las aberturas del extremo izquierdo de las dos superficies de los seis parámetros son todas pequeñas. Especialmente cuando el volumen de roca de carbón es pequeño, las superficies superior e inferior son casi coincidentes. Por lo tanto, la influencia de los parámetros de volumen de roca en la diferencia de respuesta del mecanismo de hundimiento por el impacto del carbón y la ganga es débil. La roca de carbón de gran volumen se puede utilizar para la investigación de identificación de rocas de carbón y es más fácil dañar el mecanismo de hundimiento. La roca de pequeño volumen no es adecuada para la investigación de identificación de rocas de carbón.

Los resultados anteriores mostraron que cuando la posición del mecanismo de hundimiento es más baja, la velocidad de la roca de carbón es mayor y el volumen de la roca de carbón es mayor, la diferencia en la respuesta a la vibración del mecanismo de hundimiento es más pronunciada. La posición del impacto y la velocidad del impacto afectan significativamente la diferencia de respuesta, mientras que el volumen de la roca de carbón afecta débilmente la diferencia de respuesta. La respuesta de vibración de la presión en la cavidad sin varilla, la presión en la cavidad de la varilla, la fuerza de soporte del gato y el desplazamiento del haz de cola son más prominentes, mientras que la respuesta de vibración de la velocidad del haz de cola y la aceleración del haz de cola son débiles. En las mismas condiciones, el impacto de la ganga puede provocar una mayor respuesta de vibración en el mecanismo de hundimiento que el impacto del carbón. Los datos de respuesta de vibración más efectivos del mecanismo de hundimiento se pueden obtener seleccionando razonablemente la posición de impacto cerca del extremo de la viga de cola y adoptando la velocidad de impacto más alta.

En este trabajo se verifica experimentalmente que la placa de metal tiene diferentes respuestas de vibración bajo el impacto de roca de carbón de diferentes materiales. Posteriormente, se establece el modelo de análisis numérico y el modelo de cosimulación mecánico-hidráulico del mecanismo de hundimiento, haciendo que interactúen la roca de carbón, la estructura mecánica y el sistema hidráulico. La diferencia en la respuesta a la vibración del mecanismo de hundimiento bajo el impacto de una roca de carbón se analiza bajo diferentes materiales de roca, volumen de roca, velocidad de impacto y posición de impacto. Las conclusiones son las siguientes:

La respuesta de vibración de la placa de metal bajo el impacto de la ganga es mayor que la del impacto del carbón. La placa de metal tiene una diferencia notable en la respuesta a la vibración del carbón y la ganga cerca de la posición de impacto.

La respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento bajo el impacto del carbón y la ganga es diferente. El impacto de la ganga provoca una vibración mayor que el impacto del carbón. Cuanto más baja sea la posición del impacto, mayor será la velocidad del impacto y cuanto mayor sea el volumen de la roca de carbón, más pronunciada será la diferencia en la respuesta.

La diferencia de respuesta está muy influenciada por la posición y la velocidad del impacto, pero menos por el volumen de la roca de carbón. La diferencia de respuesta es obvia en los parámetros de desplazamiento de la viga de cola, presión en la cavidad sin varilla, presión en la cavidad de la varilla y fuerza de soporte del gato, pero débil en los parámetros de velocidad y aceleración de la viga de cola.

La alta velocidad de impacto y el gran volumen de roca de carbón son más adecuados para recolectar señales de vibración de identificación de roca de carbón y es más probable que dañen el mecanismo de hundimiento.

El extremo de la viga de cola es el área sensible a las vibraciones del mecanismo de hundimiento. En el proceso de trabajo real, se debe prestar especial atención a proteger el extremo de la viga trasera. En el caso hipotético, el grado de trituración previa del carbón superior se incrementa tanto como sea posible, y la probabilidad de falla del mecanismo de hundimiento se puede reducir reduciendo la velocidad del hundimiento y el tamaño del carbón superior roto.

Este estudio tiene una importancia de referencia para mejorar el diseño estructural del mecanismo de hundimiento y la prevención de fallas. Los hallazgos del estudio proporcionan orientación para una nueva tecnología inteligente de identificación de rocas de carbón basada en señales de vibración. Este estudio no considera la respuesta de vibración del mecanismo de hundimiento en el proceso de elevación y descenso. Por lo tanto, el modelo de acoplamiento mecánico-hidráulico puede considerar el estado de movimiento del mecanismo de hundimiento en futuras investigaciones.

Los autores garantizan que el trabajo no ha sido publicado anteriormente de ninguna forma y que el trabajo no se envía simultáneamente a otra publicación. Los autores también garantizan que el trabajo no difama a nadie, no infringe los derechos de autor de nadie ni viola de ningún otro modo los derechos legales o de derecho consuetudinario de nadie.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente, Qingliang Zeng, previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52274132) y la Investigación y Desarrollo Clave de la Provincia de Shandong (Subvención No. 2019SDZY01).

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Shandong, Qingdao, 266590, China

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

Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Información, Universidad Normal de Shandong, Jinan, 250358, China

Qingliang Zeng

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YZ: redacción – borrador original, investigación, análisis formal, validación. QZ: redacción-revisión y edición, metodología, supervisión, obtención de financiación. LW: conceptualización, metodología, supervisión, administración de proyectos. YY: investigación, validación. ZL: curación de datos, visualización. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final. Los autores confirman que este trabajo no ha sido publicado antes y su publicación ha sido aprobada por todos los coautores.

Correspondencia a Qingliang Zeng.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhu, Y., Zeng, Q., Wan, L. et al. Diferencia de respuesta a la vibración del mecanismo de hundimiento bajo el impacto de una roca de carbón según el acoplamiento mecánico-hidráulico. Informe científico 13, 13794 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40967-z

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Recibido: 06 de junio de 2023

Aceptado: 19 de agosto de 2023

Publicado: 23 de agosto de 2023

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

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