矿井支护锚杆钻孔耦合振动机理及被动减振研究

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锚杆钻机是煤矿支护关键机械设备,当前煤矿巷道支护技术发展趋于智能化,锚杆钻机由人工手持逐渐替换为机械臂夹持。施工时,因不同岩土参数、轴向推力、扭矩等综合激励,钻杆将发生复杂的振动现象,各种振动之间相互影响,形成非线性耦合振动。钻机系统各自由度的激励沿机械臂振动传递至基座,使锚护钻孔机械臂发生剧烈振动,其振动问题制约着煤矿巷道支护效果的提高。为了克服上述问题,探究锚杆钻孔耦合振动机理、锚杆钻机沿机械臂振动传递机理和被动减振器设计方法具有重要价值。基于能量法及有限单元法,建立钻杆横向、纵向、扭转耦合振动动力学模型,通过单元连接顺序,组集整体质量、刚度、阻尼、力载荷矩阵,建立钻杆边界条件表达式,研究六自由度动力学降阶模型,探索钻杆纵-横-扭耦合振动的规律及变化趋势;为了探索锚杆钻机沿机械臂振动传递机理,通过模态叠加法,建立基座响应幅值矩阵,采用力雅可比矩阵,探索机械臂基座响应点的外载荷,利用多级传递路径分析(MTPA)方法,研究机械臂各子系统的六自由度频率响应函数,探索机械臂基座的各自由度振动响应;为了克服现有被动减振技术存在的缺陷,通过设计多自由度高阻尼粘滞流体减振器,研究圆通孔流体及弹簧-流体耦合阻尼系数表达式,通过正交实验法,遴选最佳参数设计方案,力图达到减振器最佳阻尼输出效果。本文的主要研究工作及成果如下。(1)研究锚杆钻孔纵-横-扭耦合振动机理。基于能量法及有限单元法,建立了钻杆横-纵-扭转耦合振动动力学模型;以单元连接顺序,组集了整体矩阵;以钻杆钻进为边界条件,构建了降阶模型;泥岩钻进仿真表明:钻杆振动位移由大到小依次为:纵向,扭转,横向振动位移,钻杆尾端纵向、扭转振动位移相较于钻头分别减小了93.2%、84.7%,扰动力及反扭矩是诱发钻杆耦合振动的主要原因。(2)研究锚杆钻机沿机械臂振动传递机理。基于多级传递路径分析方法、模态叠加法,建立了由锚护钻孔机械臂各关节构成的子系统振动传递模型,搭建其频率响应函数矩阵;采用力雅可比矩阵,对钻机激振力沿机械臂传递至基座进行受力分析,识别基座响应点所受的外载荷;获得了基座各自由度振动响应、共振峰频率。揭示了锚杆钻机振动沿机械臂传递规律,为减振技术的开发及减振器设计提供理论基础。(3)研究多自由度高阻尼粘滞流体减振器机械结构。基于被动减振原理,利用固体元件、弹簧元件及粘滞流体,实现了多个空间自由度减振,每一个空间自由度均有与其对应的减振装置及方法,且可同时进行多自由度减振,为后续探究减振器的最佳减振性能奠定基础。(4)研究多自由度高阻尼粘滞流体减振器最佳阻尼系数。利用(1)、(2)及(3)中得到的耦合振动、沿机械臂振动传递机理及减振器机械结构,通过伯努利方程推广式与动力学方程,构建了流体、流体-弹簧耦合阻尼系数方程;利用正交实验法,通过FLUENT、SIMULATION依次进行流场分析、弹簧-流体耦合动力学仿真,确定相关参数对阻尼输出的影响。理论分析表明,基座各自由度减振后振幅分别减小68.32%、49.82%、52.17%、49.01%、57.09%,具备良好的减振性能。
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