单煤岩颗粒与箱形尾梁冲击响应差异分析

摘要

在放煤过程中，利用振动信号识别煤岩的基础是煤岩冲击尾梁时尾梁响应的差异，而液压支架尾梁是一个多板横向和纵向焊接的复杂箱形结构，基于箱形结构的尾梁在煤岩冲击下的响应差异不明显。因此，本文研究了煤岩颗粒冲击箱形结构尾梁时箱形结构尾梁的响应差异。首先，通过对煤岩颗粒与金属板碰撞理论模型的构建与分析，发现尾梁复杂的箱型结构使得建立煤岩与箱型结构尾梁碰撞理论模型异常困难;因此，用理论方法直接研究煤岩冲击箱型尾梁时箱型尾梁的响应是不可能的。因此，进一步建立了基于煤岩颗粒和箱形结构的尾梁冲击仿真模型。通过箱体结构尾梁系统的动能和内能变化，箱体结构尾梁碰撞接触区和非碰撞接触区接触响应，分析了煤岩颗粒冲击箱形结构尾梁时箱形结构尾梁的响应差异。然后，通过改变煤岩颗粒的冲击速度和接触方式，分别研究了冲击速度和接触方式对箱型结构尾梁响应差异的影响。结果表明:箱型结构尾梁在煤粒和岩石颗粒冲击下的响应差异明显，且差异随冲击速度的增大而增大，随接触范围的增大而增大。

1.介绍

煤炭作为世界上重要的储备资源，是人类生产和生活中不可替代的能源之一，如煤炭消费占我国全年能源消费结构的59%[1.]综上所述，厚煤层在煤炭储量中占有很大比例，综采放顶煤技术[2.–6.]在煤矿开采中得到了广泛的应用，综采设备在应用中的整体性能也逐步提高。但是，在放顶煤过程中，仍然采用人工判断来控制放煤的分闸开关，这在一定程度上影响了放顶煤效率和人员安全，因此有必要对智能化、无人化放顶煤过程进行改进[7.]．

在探索智能化、无人化放顶煤过程的过程中，煤岩识别技术作为关键步骤受到了广泛关注。Wang等人提出了一种基于激光三角测量和称重的煤矸石分离新方法，利用三维激光扫描技术从体积计算密度[8.]通过建立煤矸石表面纹理和灰度的差异，侯提出了一种将图像特征与人工神经网络相结合的方法来识别煤矸石[9]Sun等人提出了一种基于煤岩纹理特征差异的数字图像分析技术的煤岩界面检测方法[10,11]He等人测量了煤和岩石的光谱反射率，并应用多光谱遥感图像探测煤矿区[12]Mao等人提出了一种基于红外光谱的煤矸石光谱数据快速分类方法[13,14]．Dou等采用基于图像分析的支持向量机煤矸石识别方法;采用SVM方法识别和选择最优图像特征，以减少最优特征，提高分类精度[15]．Zhang等进行了探索性研究，利用机器视觉在线同时检测多个煤质信息，包括粒度分布、密度分布、各密度组分的灰分含量、总灰分含量[16]Si等人以声音信号和振动信号为分析对象，将改进的径向基函数神经网络与Dempster-Shafer证据理论相结合，提出了采煤机煤岩切削状态的融合识别方法[17,18]以上是对基于图像、光线、声信号的煤岩识别的探索，但放顶煤过程中的噪声环境、暗光等诸多外部因素会使识别效果变差。

为了克服外界环境的影响，许多学者对基于振动信号的煤岩识别进行了探索。Liu等人提出了一种基于Hilbert谱信息中心的振动特征提取方法，并将Mahalanobis距离测量应用于振动信号的Hilbert谱信息熵，有效地检测煤岩界面[19,20.]．Li等以液压支架尾梁的振动信号为研究点，以分形盒维数和小波包能量矩为BP神经网络的输入向量构造特征向量，进行煤岩识别[21]．Wang和Zhang提出了一种基于自适应权重优化和电流、温度、声音、振动信号多信息融合的煤岩界面动态识别新方法[j]。22]．Yang等对煤矸石冲击金属板的振动加速度信号进行了时域特征计算和HHT处理，机器学习集成算法获得的煤矸石识别正确率较高[23,24]基于振动信号的煤矸石识别技术具有环境干扰小、数据采集方便、识别率高等优点，更适合于放顶煤过程中的煤矸石识别[25]然而，大多数学者仅对煤岩撞击尾梁的振动信号进行滤波分析，或分析煤岩颗粒对金属板或整个液压支架的冲击。但是，目前还没有对箱形结构尾梁的冲击响应特性进行分析，对箱形结构尾梁在煤岩颗粒冲击下的相关响应特性缺乏基础研究。

基于已有的弹性碰撞研究[26–30.]本文以箱形结构尾梁为研究对象，首先建立了球形颗粒撞击金属板的理论模型，由于箱形结构尾梁的响应不同于单个金属板的响应，且难以建立理论模型，因此，建立了箱形结构尾梁的仿真模型进一步建立了煤岩颗粒冲击箱形结构尾梁的模型，研究了煤岩颗粒冲击箱形结构尾梁时，箱形结构尾梁冲击响应的差异以及冲击速度和接触方式影响下冲击响应差异的变化。

2.煤岩颗粒碰撞冲击的理论模型

综放开采过程中，煤岩颗粒形状不规则。如果将某一不规则形状用于后续研究，不仅建模参数过多，研究过程繁琐，得到的结果也不具有代表性。球形颗粒仅通过半径参数即可确定，通过改变半径参数可以改变碰撞接触区面积。因此，在本文的碰撞接触理论模型中，煤岩颗粒等效为球形颗粒，将尾梁与煤岩接触的部分视为金属板。

在煤岩颗粒各向同性、完全弹性、质量均匀、颗粒与尾梁接触面无摩擦的条件下，基于赫兹接触建立了球形煤岩颗粒撞击金属板的理论模型。

接触力：

等效模量：

等效半径： 在哪里是金属板和球形颗粒之间的总接触变形，是金属板的泊松比，为球形煤或岩石颗粒的泊松比，是金属板的弹性模量，为球形煤或岩石颗粒的弹性模量，是金属板的半径，并且是球形煤或岩石颗粒的半径。由于平面物体的半径是无穷大的， ,等效半径 .

在实际应用中，金属板和煤颗粒之间必然存在摩擦。为了使理论模型更接近实际，需要在赫兹接触理论的基础上考虑摩擦。Flores建立了一个非线性弹簧阻尼接触理论，同时考虑了系统的弹性力和阻尼耗散力[28,29]．

接触力：

迟滞阻尼因素: 在哪里为广义刚度参数，是恢复系数，和为初始接触速度。

假设金属板是一个独立的个体，考虑粒子冲击金属板的变形(如图所示)1.)，挠度方程和能量方程金属板在赫兹接触力作用下的应力分布如下[30.]： 在哪里为金属板的转动惯量，是金属板的长度，并且和是从金属板左端和金属板右端到碰撞点的距离。

基于上述理论，Yang等研究了多煤岩颗粒撞击金属板时系统的接触响应[30.，间接证明了接触理论模型的有效性。上述理论适用于粒子冲击单个金属板的情况，但基于箱型结构尾梁整体结构的理论研究与上述单个金属板的理论研究并不完全相同。其复杂之处在于，尾梁结构中横向和纵向焊接多个金属板，形成多个箱形空间(见图中基于箱形结构的尾梁横截面图)2.，只在部分金属板上做了标记)。当板1受到煤岩颗粒冲击时，与板1直接相连的金属板如板2 - 4会影响板1，板5也会影响板2和板3，从而间接影响板1。煤岩颗粒冲击箱形结构尾梁时，如果延伸自由度、弯曲挠度、旋转自由度、同时考虑各金属板之间的截面变形自由度及其影响因素[31,32]．

3.煤岩颗粒与箱形结构尾梁碰撞仿真模型

由于建立颗粒对箱形结构尾梁碰撞的理论模型非常困难，为了进一步研究箱形结构尾梁在煤岩颗粒冲击下的碰撞响应，建立了煤岩颗粒与箱形结构尾梁碰撞仿真模型op放顶煤液压支架（如图所示3.)主要包括顶梁、掩护梁、连杆、底座、尾梁等，是综放工艺中必不可少的设备。放顶煤液压支架与普通液压支架最大的区别在于增加了放煤机构。放煤机构（如图所示4.)主要由尾梁、插板、尾梁千斤顶、插板千斤顶、侧板等部件组成。其中，尾梁和插板是实现放煤、堵矸、破碎的主要部件，侧板可以在一定程度上防止煤岩落入液压支架。由于尾梁、插板和侧板均受到煤岩颗粒的影响，插板和侧板的位置和质量可能会影响模拟结果。因此，将液压支架的尾梁、插板和侧板作为一个整体来构建仿真模型。

由于本文不是对整个放顶煤机构的研究，而是以箱形结构为基础的尾梁为主要研究对象，不考虑尾梁千斤顶对箱梁结构的尾梁施加的力，只考虑煤岩冲击对箱形结构尾梁在固定状态下的冲击响应。因此，在建立仿真模型时，仅在尾梁和屏蔽梁的铰点设置固定约束，以确保基于箱型结构的尾梁在空间上是固定的。为了使模拟结果更准确，尾梁被划分为质量更好的六面体网格，单元类型为C3D8R，模拟类型显示动态模拟。重力加速度9.8 米/秒^2.适用于煤岩颗粒和箱型结构尾梁，煤岩颗粒的冲击速度方向为Z-系统坐标轴的轴（垂直向下），模拟时间为0.005 s仿真模型图如图所示5..

4.煤岩颗粒冲击箱形结构尾梁的差异分析

4.1. 煤岩作用下箱形结构尾梁的响应差异

以下4.4.1。箱型结构尾梁在碰撞接触区冲击响应分析

在放煤过程中，判断是否停止放煤的依据是煤与岩的配合比。当含石量较大时，将尾梁抬高，防止顶部岩层连续滑动。基于振动信号的煤岩识别系统可以通过煤岩碰撞时尾梁的不同响应来区分煤岩混合情况。因此，有必要研究煤颗粒和岩石颗粒撞击尾梁时尾梁冲击响应的差异。在上述仿真模型的基础上，创建相同体积的球形煤粒和球形岩石颗粒(R= 0.05 m)，设定冲击速度为5 m/s，模拟时间为0.005 s。得到了系统的动能和热力学能，如图所示6..

从数字6.岩石颗粒的影响下,系统有更多的剩余动能和剩余动能的变化范围是大约12 J和系统内部能量曲线的峰值大,内部能量的稳定状态是大约4 J;在煤颗粒的影响下，系统剩余动能较小，剩余动能变化范围约为7.5 J，系统内能曲线峰值较小，稳态内能约为2 J。同时，岩石颗粒冲击箱型结构尾梁的系统动能和系统内能始终大于煤颗粒冲击箱型结构尾梁的系统动能和系统内能。碰撞在初始阶段的影响,系统的向下的斜坡岩石颗粒的动能曲线影响盒小尾梁大于煤炭的粒子,但谷值的到达时间(曲线的最低点价值)是一致的;岩石颗粒撞击箱形结构尾梁的系统内能曲线斜率大于煤颗粒，但峰值到达时间一致。在冲击碰撞后期，岩石颗粒撞击箱型结构尾梁的系统动能曲线振荡更明显，煤颗粒撞击箱型结构尾梁的系统动能曲线振荡更平稳;岩石颗粒撞击箱型结构尾梁的系统内能曲线的振荡幅度大于煤颗粒。

根据以上对系统动能和内能的分析，煤岩颗粒撞击箱形结构尾梁时，系统动能和内能的响应变化明显不同，为了进一步研究煤岩颗粒撞击箱形结构尾梁时，箱形结构尾梁冲击响应的差异k颗粒撞击箱形结构尾梁，本文对煤岩颗粒撞击箱形结构尾梁的碰撞接触区进行了动力响应分析，在碰撞接触区选取了25个节点，对其进行了动力响应分析Z提取25个节点的-方向速度，并计算其平均值。绘制尾梁碰撞接触区节点的平均速度变化曲线，如图所示7..

从图中可以看出7.岩石颗粒冲击下尾梁碰撞接触区平均速度曲线峰值大于煤颗粒冲击下尾梁碰撞接触区平均速度曲线峰值，但两者峰值到达时间相同。在碰撞后期，岩石颗粒撞击箱型结构尾梁的平均速度曲线的振幅明显大于煤颗粒撞击箱型结构尾梁的平均速度曲线的振幅。这是因为岩石的密度比煤、岩石颗粒的质量相同的体积大,动能大,当冲击速度的影响是相同的,和盒子小尾梁在碰撞过程中吸收更多的能量,因此箱形结构尾梁在岩石颗粒冲击作用下的振动响应明显强于煤颗粒冲击作用下的振动响应。

4.1.2.基于尾梁的箱形结构非碰撞接触区的冲击响应分析

在实际煤岩颗粒撞击箱体结构尾梁的信号采集过程中，信号采集位置是固定的，而煤岩撞击位置是可变的，因此信息采集位置将在尾梁非碰撞接触区，碰撞接触区的振动响应与非碰撞接触区的振动响应不同。因此，为了进一步分析基于箱形结构的尾梁在煤岩颗粒冲击下的动力响应差异，选取非碰撞接触区4个节点进行分析，节点位置如图所示8..获得的节点加速度曲线如图所示9，节点速度曲线如图所示10，节点位移曲线如图所示11.

数据显示9–11，在煤粒冲击下，箱型结构尾梁非碰撞接触区节点加速度振动频率较低，振动幅值较小;在岩石颗粒的冲击下，加速度振动频率高，振动幅值最大;箱型结构尾梁下部节点加速度曲线的振幅大于上部节点加速度曲线的振幅。岩石颗粒冲击下节点速度曲线峰值和幅值较大，煤颗粒冲击下节点速度曲线峰值和幅值较小;节点的速度在盒子上面的小尾梁较低,和负面价值占更多,而节点的速度较低的一侧的小尾梁较高,和积极的价值占更多。煤岩颗粒撞击箱形结构尾梁时，箱形结构尾梁上部节点首先向负方向移动z-轴，然后向正方向移动z-轴，并且较低的节点始终沿轴的负方向移动z-轴线；箱形结构尾梁上部节点在岩石颗粒冲击下的位移比煤颗粒冲击下的位移大且快，箱形结构尾梁下部节点在岩石颗粒冲击下的位移变化比煤颗粒冲击下的位移变化快结果表明，当煤岩颗粒撞击箱形结构尾梁时，尾梁非碰撞接触区的响应明显不同。

4．2．冲击速度对煤岩冲击箱形结构尾梁冲击响应差的影响

4.2.1。准备碰撞接触区碰撞响应分析

在放顶煤过程中，煤岩颗粒下落高度不同，导致煤岩颗粒撞击尾梁的速度不同。因此，在仿真模型中改变煤岩颗粒的冲击速度，研究煤岩颗粒的冲击速度对箱形尾梁结构冲击响应的影响。取煤岩颗粒的速度为2 米/秒，3 米/秒，4 m/s和5 m/s，得到系统动能和系统内能，如图所示12.

根据图12，随着撞击速度的降低，系统动能和内能整体减小，系统动能曲线的谷值和系统内能曲线的峰值减小，两者的到达时间延迟，曲线后段的振荡减弱在冲击速度减缓的情况下，煤岩颗粒之间的能隙不断增大，在煤岩颗粒冲击下的能量曲线振动比在煤岩颗粒冲击下的能量曲线振动更明显、更大。为了进一步分析基于箱型结构的尾梁的动力特性，25节点以尾梁碰撞接触区内的es为研究对象，对其进行了数值模拟Z-提取了4种不同冲击速度下的方向速度，并绘制了平均速度曲线，如图所示13.

根据图13，当煤岩颗粒以不同速度撞击箱型结构尾梁时，尾梁碰撞接触区平均速度变化如下:随着碰撞速度的增加，速度峰值增大，峰值到达时间提前，碰撞初期速度斜率增大，碰撞后期曲线幅值增大。随着冲击速度的不断增大，尾梁碰撞接触区在岩石颗粒和煤颗粒的冲击下平均速度的峰值间隙不断增大，碰撞后期速度振荡振幅的间隙增大。由以上结果可知，随着冲击速度的增加，箱形结构尾梁在岩石颗粒和煤颗粒冲击下的碰撞接触区冲击响应的差异更加明显。

4.2.2。非碰撞接触区碰撞响应分析

为了进一步探讨煤岩颗粒冲击箱形尾梁结构时冲击速度的响应差异，选取上节中尾梁非碰撞接触区的四个节点作为研究对象。速度为2时的节点加速度 米/秒，3 米/秒，4 m/s和5 分别提取m/s，曲线如图所示14，节点速度曲线如图所示15，节点位移曲线如图所示16.

从图中可以看出14–16即在煤岩颗粒的冲击下，冲击速度为2 米/秒，3 m/s和4 m/s时，非碰撞接触区的加速度、速度和位移规律与碰撞速度为5时的规律相似 m/s.随着冲击速度的增加，基于箱形结构的尾梁在煤粒和岩石颗粒冲击下非碰撞接触区的加速度振幅增加，且两者之间的差值增大；尾梁非碰撞平均速度曲线峰值之间的差值增大煤粒和岩粒作用下的接触区变大，峰值到达时间逐渐提前，曲线振幅更加明显，箱形结构尾梁上侧节点的最大速度与下侧节点的最大速度差变大；t在煤粒和岩石颗粒的冲击下，非碰撞接触区的位移曲线变大，箱形结构尾梁上侧节点的位移差比下侧节点的位移差更明显，从上述现象可以看出，冲击速度并不明显改变了箱形结构尾梁非碰撞接触区冲击响应的总体规律，但随着冲击速度的增加，在岩石颗粒和煤颗粒的冲击下，非碰撞接触区的冲击响应差异更加明显。

4.3. 接触方式对煤岩冲击箱形结构尾梁冲击响应差异的影响

4.3.1.碰撞接触区的碰撞响应分析

由于煤岩颗粒的不规则性，当它们与箱形结构尾梁碰撞时，有三种典型的碰撞接触模式：点接触、线接触和表面接触。为了研究接触模式对煤岩冲击箱形结构尾梁冲击响应差异的影响，建立了三种体积相同、形状不同的粒子，即球形粒子、圆柱形粒子和方形粒子，分别模拟冲击过程中的点接触、线接触和表面接触。粒子参数如表所示1..将粒子碰撞速度设置为5 m/s，并获得系统动能和内能，如图所示17.

根据图17，在颗粒碰撞初始阶段，当点接触时，系统动能曲线斜率最小，曲线谷值最小，谷值到达时间最晚，系统动能曲线斜率最小，峰值最大，高峰到达时间最晚；线路接触时，系统动能曲线斜率小，曲线谷值小，谷值到达时间适中，系统动能曲线斜率小，峰值小，峰值到达时间适中；当表面接触时，系统动能曲线斜率最大，曲线谷值最大，谷值到达时间最早，系统动能曲线斜率最大，峰值最小，峰值到达时间最早。在煤岩颗粒碰撞后期，点接触时系统动能最大，系统内能最小，表面接触时系统动能最小，系统内能最大，系统动能和内能在线接触过程中处于中间状态。当接触方式相同时，岩石颗粒冲击下的系统动能和系统内能总是大于煤颗粒冲击下的系统动能和系统内能。

以上述碰撞接触区的25个节点为研究对象，提取Z-方向速度，并绘制平均速度曲线，如图所示18.从图中可以看出18当煤岩颗粒以不同的接触方式撞击箱形结构尾梁时，尾梁接触区的平均速度变化如下：点接触时，平均速度曲线的峰值最小，到达时间最慢；平均速度曲线的峰值e小，线接触时到达时间慢；表面接触时平均速度曲线峰值最大，到达时间最快；当接触方式相同时，尾梁接触区速度曲线在岩石颗粒冲击下的振动比在煤颗粒的冲击下，表面接触处的振动间隙最大，线接触处的振动间隙次之，点接触处的振动间隙最小。

4.3.2.非碰撞接触区的冲击响应分析

为了进一步分析的响应不同接触方式的影响煤岩颗粒在盒子上小尾梁,四个节点在无冲突接触区尾梁作为研究对象,和三个接触下的节点加速度模式提取,分别和所绘制的曲线,如图所示19，节点速度曲线如图所示20.，节点位移曲线如图所示21.

从图中可以看出19当煤岩颗粒以不同的接触方式撞击箱形结构尾梁时，尾梁非碰撞接触区的节点加速度均表现为：点接触时，节点加速度的振动频率和振幅最低，节点加速度的振动频率和振幅最低线接触时加速度振动频率最高，表面接触时振幅最大，当煤岩颗粒以相同的接触方式撞击基于箱型结构的尾梁时，尾梁非碰撞接触区的节点加速度振幅岩石颗粒比煤颗粒冲击下的颗粒更大、更频繁，且振动间隙在表面接触中最明显，在线接触中次之，在点接触中最小。

从图中可以看出20.当煤岩颗粒以不同的接触方式撞击箱形结构尾梁时，尾梁非碰撞接触区的节点速度表现为：点接触时，节点速度响应最慢，峰值最小；在表面接触情况下，节点速度响应最快，峰值最高；在线接触的情况下，节点速度的响应速度和峰值处于中间。当煤岩颗粒以相同的接触方式撞击箱形结构尾梁时，在煤岩颗粒撞击下，尾梁非碰撞接触区节点速度曲线的峰值明显高于煤岩颗粒撞击下的峰值。峰值差在表面接触处最大，线接触处次之，点接触处最小。

从图中可以看出21当煤岩颗粒以不同的接触方式撞击箱形结构尾梁时，节点位移均如下所示：箱形结构尾梁上部节点在点接触时位移最小，在表面接触时位移最大，线接触时位移居中，但接触方式对箱形结构尾梁下部节点位移的影响不明显。当接触方式相同时，尾梁非碰撞接触区在岩石颗粒冲击下的节点位移总是大于煤颗粒冲击下的节点位移。

5.结论

本文通过建立煤岩单颗粒弹性冲击箱型结构尾梁的仿真模型，研究了煤岩颗粒冲击箱型结构尾梁时冲击响应的差异。并进一步研究了冲击速度和接触方式对差异的影响。结论如下:(1)基于箱型结构的尾梁在煤岩质点冲击下的冲击响应存在差异，在煤岩质点冲击下，尾梁接触碰撞区的速度峰值较大，系统的内能和动能较高，加速度和速度峰值较小非冲击接触区较大，箱形结构尾梁在岩石颗粒冲击下的冲击响应明显强于煤颗粒冲击下的冲击响应。（2)当煤岩颗粒撞击速度增大时，系统动能和受煤岩颗粒撞击的内能继续增大，速度峰值增大，在尾梁碰撞接触区响应较快，尾梁非碰撞接触区的加速度、速度和节点位移的振幅增大，冲击尾梁箱形结构的岩粒和煤粒的振动响应差异更为显著。冲击速度的变化不会改变基于箱尾梁的箱型结构振动响应的总体趋势。(3）当粒子和框之间的接触模式影响小尾梁是点接触,剩余的动能系统是最,内部系统的能量是最小的,动态响应的尾梁碰撞接触区,无冲突接触区和尾梁是最弱的,基于箱形结构的尾梁在煤岩颗粒冲击下的冲击响应差异最小。当碰撞接触方式为表面接触时，系统剩余动能最小，系统内能最大，尾梁碰撞接触区和非碰撞接触区动力响应最强;箱型结构尾梁在煤岩颗粒冲击下的冲击响应差异最大。当碰撞接触方式为线接触时，系统的剩余动能和内能介于前两者之间，尾梁碰撞接触区和非碰撞接触区的动态响应程度介于后两者之间。

本文研究了单个煤岩颗粒对箱形结构尾梁的影响，为进一步研究多个煤岩颗粒冲击箱形结构尾梁的振动响应提供了参考全梁法是利用放顶煤过程中的振动信号进行煤岩识别的基础。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包含在文章中。

的利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金资助项目(批准号:)。51974170)，泰山学者攀登专项资金。

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