锤击声学法锚杆轴力监测装置的设计与分析

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17.8t，听到声音的频率变化216.92Hz；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。