锤击声学法锚杆轴力监测装置的设计与分析

发布时间：2017-06-04 11:10

  本文关键词：锤击声学法锚杆轴力监测装置的设计与分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着世界各地频频报导出某某矿井出现塌方,并给社会造成了巨大的经济损失和人员伤亡,巷道的安全问题越来越引起人们的重视。锚杆支护作为巷道的一种主要支护形式,它的安全问题成为许多煤矿安全研究工作者的研究热点。现有的监测装置大致分为两种,一种是需要电源供电,这类监测装置能够较准确地实现对锚杆的监测,避免塌方事故发生,但同时为矿下的防爆工作提出了更高的要求;另一种是机械结构式,该类监测装置可以较好的消除安全隐患,但由于结构的复杂性、成本较高及体积较大等因素并没有得到广泛的应用。针对目前监测装置存在的问题,本文提出了一种锤击声学法锚杆轴力监测装置,通过理论分析、ANSYS结构模态仿真分析以及Virtual.lab acoustic声场仿真分析,确定该装置各结构尺寸大小,实现了通过声音频率大小判断锚杆轴力大小的目的。该监测装置是根据结构固有频率与其内部应力之间的线性关系,通过改变监测装置所承受载荷大小来改变它的固有频率,监测装置自由振动的频率为其固有频率,因此可以通过监测装置振动频率的大小判断锚杆轴向力大小。本文首先按振动体的振动形式分径向振动和轴向振动两种结构进行讨论分析,对这两种结构的监测装置分别进行结构强度、模态以及受到一定大小锤击力时振动响应和辐射声场分析,得出监测装置振动体做轴向振动时的监测结果优于振动体做径向振动时的结果。因此,选择环形板作为振动体,并确定监测装置由上盖和下部托盘两部分组成,下部托盘包括底座和环形板两部分。最后在结构尺寸和监测参数两个方面对监测装置的性能进行分析。分析结果如下:(1)对监测装置三个结构尺寸分析可以得出,通过外伸长度L可以改变声音频率随载荷变化区间的位置,但区间大小不变,进而可以将声音的频率控制在低频区域;通过锥度α和轴向距离h可以改变声音频率随载荷变化区间的大小,进而可以实现对监测装置灵敏度的调节,但会受到监测装置结构强度的限制。(2)对五个监测参数分析可以得出,载荷变化17.8 t,听到声音的频率变化216.92 Hz;锤击力允许在3-10N范围内变化,锤击点的位置可以在环形板整个圆周范围内,其达到的监测效果一样,且方便人为操作;监测时,工作人员应该站在与锚杆轴线呈75度角范围内,最好是沿监测装置轴线延长线附近,这样听到声音的效果最佳,得到的监测结果更加准确;监测装置结构模态阻尼比对声音的声压幅值会有影响,但不影响对声音频率的识别,可以不予考虑。
【关键词】：锚杆轴力监测 锤击 固有频率 自由振动 声音频率
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD353.6;TP274
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 本课题研究的背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究动态12-17
• 1.2.1 供电型锚杆监测装置12-16
• 1.2.2 机械结构式锚杆监测装置16-17
• 1.3 本课题研究的内容与方法17-19
• 第二章 锚杆轴力监测装置设计理论19-25
• 2.1 锚杆的分类19-20
• 2.2 标准环形圆板的自由振动20-22
• 2.3 结构固有频率与其应力的关系22-23
• 2.4 锤击声学法锚杆轴力监测装置的工作原理23-25
• 第三章 径向振动体监测装置结构设计与分析25-37
• 3.1 径向振动体监测装置结构设计25-26
• 3.2 径向振动体监测装置结构强度分析26-28
• 3.2.1 承载体强度理论计算26-27
• 3.2.2 整体结构强度分析27-28
• 3.2.3 监测装置各部件材料的选择28
• 3.3 径向振动体监测装置结构模态分析28-29
• 3.4 径向振动体监测装置声场分析29-35
• 3.4.1 锤击激励30-31
• 3.4.2 径向振动体监测装置振动响应分析31-32
• 3.4.3 声场分析方法的选择32-33
• 3.4.4 声学网格大小的确定33-34
• 3.4.5 径向振动体监测装置辐射声场分析34-35
• 3.5 本章小结35-37
• 第四章 轴向振动体监测装置结构设计与分析37-51
• 4.1 轴向振动体监测装置结构设计37-38
• 4.2 轴向振动体监测装置结构强度分析及材料选择38-40
• 4.2.1 监测装置结构强度分析38-40
• 4.2.2 监测装置结构材料的选择40
• 4.3 轴向振动体监测装置结构模态分析40-42
• 4.3.1 监测装置结构的固有频率与主振型40-42
• 4.3.2 载荷与结构固有频率之间的关系42
• 4.4 轴向振动体监测装置声场分析42-45
• 4.4.1 监测装置结构振动响应分析42-43
• 4.4.2 轴向振动体监测装置的声学网格43
• 4.4.3 监测装置辐射声场分析43-45
• 4.5 下部托盘结构的改进设计45
• 4.6 下部托盘结构的可行性分析45-50
• 4.6.1 结构强度计算45-46
• 4.6.2 监测装置结构模态分析46-48
• 4.6.3 监测装置辐射声场分析48-50
• 4.7 本章小结50-51
• 第五章 结构尺寸对监测装置性能的影响51-65
• 5.1 锤击声学法锚杆轴力监测装置结构尺寸介绍51
• 5.2 外伸长度对监测装置性能的影响51-55
• 5.2.1 对监测装置结构强度的影响52-53
• 5.2.2 外伸长度对装置结构模态的影响53-54
• 5.2.3 对监测装置辐射声场的影响54-55
• 5.3 锥度对监测装置性能的影响55-59
• 5.3.1 不同锥度的监测装置结构强度分析55-56
• 5.3.2 监测装置不同锥度下结构模态分析56-58
• 5.3.3 不同锥度下监测装置的声场分析58-59
• 5.4 轴向距离对监测装置性能的影响59-63
• 5.4.1 轴向距离对监测装置结构强度的影响59-61
• 5.4.2 轴向距离对监测装置结构模态的影响61-62
• 5.4.3 不同轴向距离下监测装置辐射声场分析62-63
• 5.5 本章小结63-65
• 第六章 锤击声学法锚杆轴力监测装置性能分析65-79
• 6.1 监测装置所承受载荷大小的分析65-69
• 6.1.1 载荷的设定65
• 6.1.2 载荷大小对监测装置结构模态的影响65-67
• 6.1.3 载荷大小对监测装置辐射声场的影响67-69
• 6.2 锤击力大小分析69-71
• 6.2.1 锤击力大小对结构振动响应的影响69-70
• 6.2.2 锤击力大小对辐射声场的影响70-71
• 6.3 锤击点的位置分析71-73
• 6.3.1 锤击点位置对监测装置振动响应的影响71-73
• 6.3.2 锤击点位置对辐射声场的影响73
• 6.4 监测者所处场点的位置分析73-77
• 6.4.1 场点与监测装置之间的距离73-75
• 6.4.2 场点所处监测装置的方位75-77
• 6.5 结构阻尼比对监测装置性能的影响77-78
• 6.6 本章小结78-79
• 第七章 展望与总结79-81
• 7.1 本文总结79-80
• 7.2 不足与展望80-81
• 参考文献81-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间科研成果87

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