声学法矿用锚杆轴力监测装置的设计与研究

摘要

锚杆支护因其具有“高效、低成本”的特点，已广泛运用于矿山、隧道、桥梁、基坑等工程中，使得施工环境得到显著改善，并且还具有提高生产效率和安全生产条件的优点。然而近年来，因为支护失效所引发的冒顶、坍滑等事故时有发生，带来难以预见的损失。因而,设法对锚杆力进行准确、高效、可靠的监测，对保护经济、人身安全具有深远意义。国内外各高校院所、科研机构、各大矿区等设计和应用的锚杆力检测装置和监测设备主要包括两大类。一类是诸如光纤光栅式、钢弦式等需要电源供电的传统锚杆力检测装置。该类检测装置普遍存在的问题有：误差值大、稳定性不足、不易管理、对岩体扰动大。另外一类是诸如液压式、纯机械变形式等不需要电源供电的检测装置。然而，结构过于复杂、成本较高、误差大且不易推广是该类检测装置普遍存在的不足。本文在总结了现有监测装置的基础上，针对所存在的缺陷和不足，利用结构固有频率随预应力不同而发生改变的原理，采用理论分析和模拟仿真相结合的研究方法，设计出一种通过听不同频率声音判断锚杆力的新型监测装置。
　　本研究主要内容包括：⑴对所提出监测装置的工作原理和操作方法进行简要介绍，并利用机械振动的相关知识，进行相关公式的推导，对该监测装置的理论可行性进行验证。⑵对监测装置的设计过程进行介绍：利用三维建模软件Pro/E5.0建立监测装置的仿真模型，导入到有限元仿真软件ANSYS14.5中完成对本监测装置的强度和模态分析。然后利用LMS Virtual.lab Acoustic声学仿真平台对本监测装置的声学性能进行分析。分析结果表明所设计的监测装置满足强度需要，监测装置固有频率与所受应力之间呈近似线性规律变化，工作人员可以实现听敲击该监测装置发出声音的频率来判断此时锚杆受力状况这一终极目标。⑶在对监测装置的设计过程及可行性进行介绍的基础上，利用ANSYS14.5和LMS Virtual.lab Acoustic12.0联合仿真平台对结构参数的改变对监测装置的强度、结构模态以及监听时的听觉效果的影响进行分析讨论。结果表明：振动板材料，振动板厚度，上、下壳体厚度，振动板有效振动高度，承载体直径等发生改变后会对监测装置的各项性能造成不同程度的影响。⑷利用LMS Virtual.lab Acoustic12.0仿真平台对所施加激振力的大小和位置，阻尼比，以及监测人员与监测装置所呈角度、距离的不同对监听效果的影响进行了分析讨论。结果表明：激振力大小、位置和阻尼比的改变对监测结果无影响，监测人员与监测装置间没有固定的位置要求。⑸对监测装置在实际工作时可能出现的“偏载”问题给最终监测带来的偏差进行了分析。验证了在实际安装时必须避免“偏载”的发生。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究动态

1.3主要研究内容和整体结构

第二章 声学法矿用锚杆轴力监测装置的结构及原理

2.1锚杆的分类

2.2监测装置想法来源

2.3监测装置的结构

2.4监测装置的原理

2.5本章小结

第三章 声学法矿用锚杆轴力监测装置的设计与分析

3.1监测装置的基本设计要求

3.2监测装置的结构简介和材料选择

3.3监测装置的强度分析

3.4监测装置含预应力的模态分析

3.5监测装置声学性能分析

3.6本章小结

第四章 结构参数对监测装置的影响分析

4.1振动板厚度的影响

4.2振动板与壳体搭接长度的影响

4.3壳体厚度的影响

4.4振动板有效振动高度的影响

4.5承载体直径的影响

4.6振动板材料的影响

4.7本章小结

第五章 可能影响声学法矿用锚杆轴力监测装置的因素分析

5.1激振力施加的影响

5.2监听位置的影响

5.3结构阻尼比的影响

5.4偏载对监测装置性能的影响

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果