綜掘巷道超前支架相似實驗樣機理論與實驗研究

謝 苗 劉治翔 毛 君 盧進南

遼寧工程技術大學機械工程學院，阜新，123000

綜掘巷道超前支架相似實驗樣機理論與實驗研究

謝 苗 劉治翔 毛 君 盧進南

遼寧工程技術大學機械工程學院，阜新，123000

為了在實驗室條件下，對綜掘巷道超前支架進行動靜力學實驗分析，根據物理學相似關系，建立了超前支架原型機與實驗樣機的相似準則，確定了實驗樣機的主要參數，建立了實驗樣機。通過線性系統振型疊加的理論方法對實驗樣機進行了模態分析，并與模態實驗結果進行了對比。通過理論方法對頂板在無支護、超前支架單組支護和雙組支護下的力學特性進行分析，并與建立的實驗平臺得到的實驗數據進行了對比分析。研究結果表明，模態分析的理論與實驗結果誤差最大值為12.57%，支架與頂板耦合力學的理論與實驗結果誤差最大值為14.80%，均低于20%，滿足研究誤差要求，驗證了研究結果的可靠性。

綜掘巷道超前支架；理論與實驗研究；實驗樣機；模態分析

0 引言

綜合掘進(簡稱“綜掘”)巷道超前支架屬于綜掘工作面的臨時支護設備，與掘進設備和錨固設備配套使用，可以保護掘進施工人員的安全，實現掘、支、錨成套裝備平行作業[1-3]。文獻[4-6]對綜掘巷道超前支架與圍巖相互作用機理，以及超前支架結構設計和強度校核等進行了研究,并使用ANSYS有限元軟件進行了靜動力學特性分析。文獻[7]使用模糊PID控制算法對超前支架的支撐力自動控制進行了研究；文獻[8] 以對頂板擾動量最小為控制目標，對超前支架在邁步過渡過程的支撐力控制系統進行了研究；文獻[9]以超前支架升降過程效率和對頂板擾動量最小為控制目標，對超前支架的電液伺服位置和壓力復合控制方法進行了研究；文獻[10]對超前支架多缸同步控制方法進行了研究。

以上研究對超前支架的結構設計、液壓系統、控制策略以及動力學特性仿真等進行了深入研究，但是對超前支架的實驗與理論對比研究相對較少。本文根據物理學相似關系，建立超前支架原型機與實驗樣機的相似準則，確定實驗樣機的主要參數，建立實驗樣機，并對實驗樣機進理論與實驗研究。

1 實驗樣機的相似準則建立

巷道超前支架原型機與實驗模型需要滿足4個方面的物理學相似關系：初始條件和邊界條件相似、模型材料與原型材料的應力應變關系相似、幾何尺寸相似以及質量和重力相似。本文采用方程法分析巷道超前支架原型機與實驗樣機的相似關系[11]。

巷道超前支架的振動方程為

(1)

在進行巷道超前支架與實驗模型的力學分析時，需使慣性力和彈性恢復力符合相似條件，超前支架原型機和模型樣機的自振方程為

(2)

式中，下標p表示原型機；下標m表示模型。

設巷道超前支架與實驗樣機的密度ρ、長度l、位移x、時間t、彈性模量E和剛度k的相似比分別以Cρ、Cl、Cx、Ct、CE、Ck表示，即：Cρ=ρp/ρm;Cl=lp/lm;Cx=xp/xm;Ct=tp/tm；CE=Ep/Em;Ck=kp/km。則超前支架原型機自振方程改寫為

(3)

化簡得

(4)

可以推出

(5)

化簡得

(6)

再由式(6)可得

(7)

最終推導出巷道超前支架與實驗模型的自振頻率之比：

(8)

2 超前支架模態分析

超前支架的動力學分析主要研究其振動特性，而模態特性是振動特性的基礎部分，因此需要對超前支架進行模態分析，獲得其固有頻率和振型。

2.1 超前支架模態理論分析

因綜掘巷道超前支架以某個固有頻率發生振動是滿足定線性系統要求的，所以超前支架上各點對于外力響應的疊加可以用來描述其模態特性。將簡諧自由振動復合后，式(2)解為

δ=δ0sin(ωx+φ)

(9)

將式(9)代入式(2)，可得

K-ω2Mδ0=0

(10)

由式(10)可以看出，它是關于ω2的n次實系數方程，解出該方程的n個實根便可以得到特征值，按照由小到大的順序依次排列如下：

(11)

由于ANSYS有限元分析軟件前處理能力較弱，因此首先通過Pro/E建立超前支架結構實體三維模型，完成支撐橫梁、縱梁、立柱底座等零部件的三維立體模型建立，并完成整機的裝配。將Pro/E建立的實體模型另存為iges格式，使用ANSYS軟件中的Geometry接口導入模型，進行網格劃分和有限元分析。仿真模型劃分之后共含有65 128個節點、67 388單元。通過ANSYS軟件可到超前支架相似模型的前6階振型，如圖1所示。

(a)1階振型 (b)2階振型

(c)3階振型 (d)4階振型

(e)5階振型 (f)6階振型圖1 超前支架的相似模型前6階振型Fig.1 The first six order modes of the similar model

2.2 模態試驗分析

本文研究的實驗模型樣機與巷道超前支架原型機按照1∶8的縮比制造，樣機幾何尺寸為：1.8 m×1.4 m×0.9 m。使用的材質均為彈性模量為206 GPa、密度為7.85×103kg/m3的相同材料。使用的模態測試儀器為江蘇東華測試的16通道DH5922N動態信號測試分析系統、DH311E三向加速度傳感器、DH5857電荷適調器、力錘以及DELL precision 5110工作站。進行模態測試時，共布置54個測點，使用單點脈沖錘擊，多點響應測量方法測量超前支架的模態參數，模態測試的測試點分布如圖2所示。

圖2 測點布置圖Fig.2 Arrangement of measuring points

通過模態測試得到超前支架原型機與實驗模型的固有頻率對比,如圖3所示。

(a)原型機穩態圖

(b)實驗模型穩態圖圖3 原型機與實驗模型的固有頻率對比Fig.3 Natural frequency contrast of prototype and test model

巷道超前支架原型機與實驗模型的實測固有頻率，以及由實驗得到固有頻率后通過相似原理得到的巷道超前支架原型機固有頻率對比如表1所示。

對比表1中數據可以看出，由實驗得到的原型機固有頻率與由相似原理推算原型機固有頻率相差不大，平均誤差為4.72%，最大和最小誤差分別為7.93%和2.12%，能夠滿足要求，通過1∶8的比例制作模型樣機，對模型樣機進行模態分析以及動力學特性研究基本能夠反映原型樣機的動力學特性。

表1 巷道超前支架原型機與實驗模型固有頻率對比Tab.1 Advance laneway support prototype and test model of natural frequency comparison

2.3 理論與實驗結果對比分析

將理論分析得到的超前支架樣機固有頻率和由實驗得到樣機固有頻率進行對比，如表2所示。

表2 理論與實驗得到的固有頻率對比Tab.2 Theoretical and experimental comparison of natural frequency

對比表2中數據可以看出，理論與實驗得到的固有頻率誤差最大值為12.57%，通常理論與實驗誤差小于20%，即認為數據是可信的。

3 超前支架與頂板耦合力學分析

3.1 耦合力學理論分析

使用ANSYS軟件對頂板進行建模時，假設頂板的約束條件為“三邊固支一邊簡支”，即頂板與巷道迎頭接觸面為簡支，頂板與側邊接觸面為固支邊，頂板與錨固區接觸面為固支邊，在頂板的上平面施加均布載荷1410 kN。仿真得到頂部在無支撐、單組支撐時的位移云圖，見圖4。

由于將頂板約束條件設定成“三邊固支一邊簡支”，因此整個頂板的位移變化呈現中部變化大、四周變化小的規律。由于將頂板與錨固區看做簡支邊，頂板的位移沿橫向中面呈現不對稱特征。頂板無支護時，最大位移變化量發生在頂板中部，最大位移值為32.7 mm；當單組支撐時，最大位移變化量發生在頂板中部，最大位移值為9.3 mm；當雙組支撐狀態時，頂板位移最大變化量發生在頂板中部，最大位移值為1.9 mm。

超前支架在單組支撐狀態時，縱梁處于極限支撐工況。在后處理器中查看樣機模型單組支撐時縱梁位移云圖，見圖5。

(a)無支護

(b)單組支撐圖4 頂板位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of the roof

圖5 樣機模型縱梁位移云圖Fig.5 Longitudinal displacement of prototype model

由于縱梁直接與頂板接觸，故在對縱梁進行力學研究時，縱梁和頂板滿足變形協調原理，即縱梁上平面與頂板的下平面一直處于接觸狀態。

3.2 耦合力學實驗分析

超前支架與頂板耦合力學實驗平臺由模擬頂板框架、超前支架樣機以及測量基準框架組成。在框架內頂部和模擬頂板之間加裝有均布液壓缸組，對模擬頂板進行加載，以直接模擬頂板所受的巖層內部的分布載荷。

測量基準框架不受實驗加載力和框架設備變形影響，為系統的不同測量面提供相對地面的水平和垂直測量基準點。實驗時，采用位移傳感器分別測量模擬頂板和超前支架實驗樣機支撐梁的變形值。模擬實驗平臺系統如圖6所示。測試點布置如圖7所示。

圖6 模擬實驗平臺系統Fig.6 System of the simulation experiment platform

圖7 綜掘巷道超前支護裝備實驗檢測分組Fig.7 Experimental detection of advance support equipment in fully mechanized heading face

縱梁、橫梁和立柱的變形量之和與頂板變形量完全相同，符合變形協調原理，因此在此主要介紹頂板在與超前支架耦合作用時的變形情況。

通過頂部加載油缸對頂板施加1410 kN的加載力，通過位移傳感器監測頂板多個監測點的變形量，得到頂板變形最大值三維圖，見圖8。

(a)無支撐時頂板的變形

(b)單組支撐時頂板的變形圖8 實測頂板的變形情況Fig.8 Deformation of roof

測試結果表明，在有效支撐區段(0.4～1.6 m區段)變形量較小，遠小于未支護頂板的位移最大值，說明單組支撐時能夠有效控制頂板變形；非有效支撐區段(0～0.4 m、1.6～2.35 m區段)，尾端的位移最大值和首端的位移最大值也遠小于未支護頂板的位移最大值，說明超前支護對頂板未支護區能起到一定的控制作用。

3.3 理論與實驗結果對比分析

選用圖7中所示的A、B、C、D、E、F、G、H這8個測試點的理論與實驗結果進行對比分析。無支護和單組支撐情況下，這6個測試點的頂部位移情況如表3和表4所示。

表3 無支護情況，理論與實驗得到的頂部變形對比

表4 單組支護情況，理論與實驗得到的頂部變形對比

對比表3和表4中數據可以看出，理論與實驗得到的頂板變形誤差最大值為14.80%，通常理論與實驗誤差小于20%，即認為數據是可信的。

4 結論

(1)根據物理學相似關系，建立超前支架原型機與實驗樣機的相似準則，確定實驗樣機的主要參數，建立實驗樣機，對實驗樣機進理論與實驗研究。

(2)對超前實驗樣機、原型機進行模態理論與實驗分析。實驗樣機與原型機的固有頻率誤差最大值為7.93%，理論與實驗得到的固有頻率誤差最大值為12.57%。

(3)對超前支架和頂板耦合系統進行力學理論與實驗分析，理論與實驗得到的頂板變形誤差最大值為14.80%。

[1] 盧進南,毛君,謝苗,等.巷道超前支架全支撐態動力學模型[J].煤炭學報,2015,40(1):50-57. LU Jinnan, MAO Jun, XIE Miao, et al.Dynamics Model of Advanced Powered Support in Heading under Full Support Situation[J].Journal of China Coal Society,2015,40(1):50-57.

[2] 李石林,馮濤,朱卓慧.“煤體-支柱(架)-膠結體”聯合作用下頂板超靜定梁模型[J].煤炭學報,2013,38(10):1735-1741. LI Shilin, FENG Tao, ZHU Zhuohui. Mechanical Model of Statically Indeterminate Beam of Roof under the Combined Action of Coal Body,Pillar (Support) and Cemented Fill[J].Journal of China Coal Society, 2013,38(10):1735-1741.

[3] 顧大釗,顏永國,張勇,等.煤礦地下水庫煤柱動力響應與穩定性分析[J].煤炭學報,2016,41(7):1589-1597. GU Dazhao, YAN Yongguo, ZHANG Yong, et al.Experimental Study and Numerical Simulation for Dynamic Response of Coal Pillars in Coal Mine Underground Reservoir[J].Journal of China Coal Society, 2016,41(7):1589-1597.

[4] 欒麗君, 姚立澤, 齊建峰,等. 自移式掘進機輔助支護設備立柱力學分析[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2013，32(4):527-530. LUAN Lijun, YAO Lize, QI Jianfeng, et al. Column Mechanics Analysis of Self-motion Assistanced Powered Support Equipment for Tunneling Machine[J]. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science), 2013，32(4):527-530.

[5] 欒麗君, 任金萍, 盧景文.巷道用自移式輔助支護設備頂梁的優化及有限元分析[J].煤礦機械，2010，31(3):93-94. LUAN Lijun, REN Jinping, LU Jingwen. Optimization and Finite Element Analysis of Self-motion Assitanced Powered Support Equipment for Roadway[J]. Coal Mine Machinery, 2010,31(3): 93-94.

[6] 謝苗,劉治翔,毛君,等.邁步式超前支護系統設計與支護特性研究[J].機械強度,2016,38(2):302-310. XIE Miao, LIU Zhixiang, MAO Jun,et al. Design on Step-type Advanced Supporting System and Research on the Support Characteristics [J].Journal of Mechanical Strength, 2016,38(2): 302-310.

[7] 毛君,鄭廣輝,謝苗,等.模糊PID的超前時支護裝備支撐力自動控制系統[J].智能系統學報,2015,10(5):762-768. MAO Jun, ZHENG Guanghui, XIE Miao, et al. Support Force Automatic Control System of Advanced Supporting Equipment Based on Fuzzy-PID [J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2015,10(5):56-60.

[8] 謝苗,劉治翔,魯啟通,等.超前支架邁步過程穩定控制方法研究[J].中國安全科學學報,2015，25(3):54-59. XIE Miao，LIU Zhixiang，LU Qitong，et al. Study on Method for Controlling Stability of Advanced Support in Step Process[J].China Safety Science Journal，2015，25(3):54-59.

[9] 謝苗,劉治翔,池城,等.巷道超前支架的電液伺服位置壓力復合控制方法[J].中國機械工程,2016,27(2):1-7. XIE Miao，LIU Zhixiang，CHI Cheng，et al. Electro-hydraulic Servo Position and Pressure Hybrid Control Method of Forepoling System on Tunnelling[J]. China Mechanical Engineering，2016，27(2)：239-245.

[10] 謝苗,劉治翔,毛君.綜掘巷道超前支護裝備多缸同步控制方法研究[J].工程設計學報,2015,22(2):193-200. XIE Miao，LIU Zhixiang，MAO Jun. Multi-cylinder Synchronous Control Method for Advanced Support of Roadway Support Equipment[J]. Chinese Journal of Engineering Design，2015,22(2)：193-200.

[11] 謝苗,白雅靜,毛君,等.不同工況下超前支護裝備的模態分析[J].工程設計學報,2015,22(3):236-242. XIE Miao，BAI Yajing，MAO Jun，et al. Modal Analysis of Supporting in Advance Equipment under Different Working Conditions[J]. Chinese Journal of Engineering Design,2015,22(3)：236-242.

[12] 盧進南,謝苗,毛君. 一種綜掘巷道臨時支護力學特性及振動特性研究[J]. 機械強度,2016,38(3):435-441. LU Jinnan, XIE Miao, MAO Jun. Study on Mechanical Characteristics and Vibration Characteristics of Temporary Support Equipment in Fully Mechanized Mining Tunnel [J].Journal of Mechanical Strength, 2016,38(3):435-441.

[13] 陳喆.基于相似理論和模型試驗的結構動響應分析[D].南京：南京航空航天大學,2012. CHEN Zhe. Structural Response Analysis Based on Similarity Theory and Model Test[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2012.

(編輯 袁興玲)

Theoretical and Experimental Study on Similar Experimental Prototype of Advanced Support in Fully Mechanized Roadway

XIE Miao LIU Zhixiang MAO Jun LU Jinnan

School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University,Fuxin，Liaoning,123000

Under laboratory conditions, in order to carry out roadway advanced support analysis static and dynamic experiments, according to the physics similarity relation, the similarity criterion between the advanced support prototype and experimental prototype was established, the main parameters of the experimental prototype was determined, then, the experimental prototype was established. The modal analysis of the experimental prototype was made by the theory of linear system mode superposition, and the results were compared with the experimental ones. The mechanical characteristics of the roof in the conditions of no support, the single support of advanced support and the support of two groups were analyzed by theoretical method, and the results were compared with the experimental data obtained from the experimental platform.The results show that the maximum error of the theoretical and experimental results of modal analysis is as 12.57%, the maximum error of the theoretical and experimental results of coupling mechanical supports and roof is as 14.80%, lower than 20%, to meet the research requirements verify the reliability of the research results.

advanced support in fully mechanized roadway; theoretical and experimental research; experimental prototype; modal analysis

2016-05-13

國家自然科學基金資助項目(51304107)；遼寧省煤礦液壓技術與裝備工程研究中心開放基金資助項目(CMHT-201206)；遼寧省教育廳重點實驗室資助項目(LJZS006)

TD353

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.07.015

謝 苗，女，1980年生。遼寧工程技術大學機械工程學院副教授、博士研究生導師。主要研究方向為機械動力學分析及控制。發表論文30余篇。E-mail：xiemiao1121@126.com。劉治翔，男，1988年生。遼寧工程技術大學機械工程學院博士研究生。毛 君，男，1960年生。遼寧工程技術大學機械工程學院教授、博士研究生導師。盧進南，男，1979年生。遼寧工程技術大學機械工程學院副教授、博士研究生導師。