新型錨固劑快速裝入器動(dòng)力學(xué)特性研究

王李進(jìn) 李銳 張林軍 張景良

摘 ?要：針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)錨桿支護(hù)操作中存在的人員登高危險(xiǎn)、錨固劑裝填困難以及安裝效率低下等問(wèn)題，該研究開發(fā)一種新型的錨固劑快速裝入器。該裝入器利用空氣壓力將錨固劑通過(guò)導(dǎo)管順利注入錨桿孔中，從而方便錨固劑的裝填，并減少錨固劑的損耗，提高裝填效率。為深入探究錨固劑快速裝入器的動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)行流固耦合分析，并得到在不同氣壓力下錨固劑在導(dǎo)管中的動(dòng)力學(xué)特性數(shù)據(jù)。最后，采用錨固劑快速裝入器成功地對(duì)模擬的錨桿孔進(jìn)行錨固劑裝填，獲得令人滿意的裝填效果。

關(guān)鍵詞：錨固劑；快速裝入器；流固耦合；動(dòng)力特性；裝填

中圖分類號(hào)：TH48 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）14-0032-05

Abstract： In view of the problems existing in the current domestic bolt support operation， such as the danger of personnel climbing， difficulties in loading anchoring agent and low installation efficiency， a new type of fast loader of anchoring agent is developed in this paper. The loader uses air pressure to smoothly inject the anchoring agent into the anchor hole through the conduit， which facilitates the filling of the anchoring agent， reduces the loss of the anchoring agent， and improves the filling efficiency. In order to further explore the dynamic characteristics of the rapid loader of anchoring agent， the fluid-solid coupling analysis was carried out， and the dynamic characteristic data of anchoring agent in the conduit under different gas pressure were obtained. Finally， the simulated anchor hole is successfully filled with anchoring agent fast loader， and a satisfactory filling effect is obtained.

Keywords： anchoring agent; rapid loader; fluid-solid coupling; dynamic characteristics; loading

錨桿支護(hù)技術(shù)廣泛應(yīng)用于井下煤礦開采巷道支護(hù)，巷道支護(hù)流程主要為打錨桿孔、裝錨固劑、打錨桿。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)錨固劑的安裝主要靠人工裝填，人員登高作業(yè)存在一定的安全隱患且安裝效率低下，尤其人工進(jìn)行錨固劑裝填易出現(xiàn)錨固劑破損與脫落，材料損耗嚴(yán)重[1]。錨固劑的安裝效果對(duì)錨桿支護(hù)穩(wěn)定性影響顯著，為了簡(jiǎn)化錨固劑安裝工序，實(shí)現(xiàn)安全、快速錨固劑裝入，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款新型錨固劑快速裝入器[2]。研制的錨固劑快速裝入器主要包括錨固劑箱、錨固劑導(dǎo)入裝置、錨固劑推動(dòng)裝置、導(dǎo)管和進(jìn)氣倉(cāng)[3-4]。錨固劑導(dǎo)入裝置將錨固劑從錨固劑箱運(yùn)輸?shù)藉^固劑導(dǎo)向槽，錨固劑推動(dòng)裝置將錨固劑推入錨固劑導(dǎo)管，減壓閥控制空壓機(jī)給進(jìn)氣倉(cāng)指定的空氣壓力，通過(guò)空氣壓力將錨固劑沿著導(dǎo)管噴射出去[5-7]。

錨固劑快速裝入器在進(jìn)行錨固劑噴射的時(shí)候，進(jìn)氣倉(cāng)提供的空氣壓力對(duì)于錨固劑的運(yùn)動(dòng)影響顯著，空氣壓力太大，錨固劑在導(dǎo)管中易提前破損，空氣壓力太小，錨固劑難以進(jìn)入錨桿孔底，降低錨固劑的錨固效果，因此需要提出適應(yīng)錨固劑運(yùn)動(dòng)特性的研究方法。流固耦合分析是多分支學(xué)科的交叉融合，在許多工程領(lǐng)域中都較為常見(jiàn)。錨固劑快速裝入器采用氣動(dòng)的方式將錨固劑噴出導(dǎo)管，主要就是研究錨固劑在空氣作用下的運(yùn)動(dòng)情況，因此屬于流固耦合問(wèn)題[8-10]。本文結(jié)合工況和實(shí)驗(yàn)難度提出了一個(gè)研究錨固劑運(yùn)動(dòng)的雙向流固耦合仿真分析方法。首先建立起錨固劑設(shè)備的流固幾何模型，并在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)錨固劑運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行雙向瞬態(tài)流固耦合分析，獲得了錨固劑的整體變形及其應(yīng)力分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)錨固劑的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析與實(shí)驗(yàn)，為設(shè)備的進(jìn)氣選擇提供了參考。

1 ?總體方案設(shè)計(jì)

1.1 ?模型構(gòu)建

錨固劑快速裝入器結(jié)構(gòu)如圖1所示，錨固劑導(dǎo)入裝置將錨固劑從錨固劑箱運(yùn)輸?shù)藉^固劑導(dǎo)向槽，錨固劑推動(dòng)裝置將錨固劑順著導(dǎo)向槽推出進(jìn)氣倉(cāng)導(dǎo)管接口，錨固劑進(jìn)入導(dǎo)管后進(jìn)氣倉(cāng)導(dǎo)管接口閉合。

空壓機(jī)通過(guò)減壓閥給進(jìn)氣倉(cāng)指定的氣壓值，錨固劑在氣壓作用下沿著約7 m長(zhǎng)的導(dǎo)管噴出進(jìn)入錨桿孔。考慮到導(dǎo)管在巷道中實(shí)際操作時(shí)會(huì)有不同的彎度但最終管道的導(dǎo)向都是將錨固劑從水平狀態(tài)輸送至豎直狀態(tài)最后噴入錨桿孔，對(duì)導(dǎo)管模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，圖2為簡(jiǎn)化后的錨固劑、導(dǎo)管示意圖，幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 ?仿真方法

錨固劑進(jìn)入導(dǎo)管后，錨固劑在空壓機(jī)給的氣壓作用下順著摩擦管道運(yùn)動(dòng)，錨固劑受到空氣壓力的作用位移，錨固劑位移以后又改變氣體對(duì)錨固劑的影響，屬于流體仿真中的雙向流固耦合問(wèn)題，其中管道中氣體在進(jìn)氣倉(cāng)釋放高壓氣體的作用下向外高速流動(dòng)，氣體可看作湍流模型。因此，本文采用ANSYS軟件中Tluent模塊聯(lián)合Transient模塊進(jìn)行錨固劑運(yùn)動(dòng)的雙向流固耦合仿真。

2 ?錨固劑噴出仿真

2.1 ?流固耦合控制方程

2.1.1 ?流體控制方程

流體控制方程主要包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程。本文研究?jī)?nèi)容不考慮能量轉(zhuǎn)換，選用絕熱模型。連續(xù)性是指在單位時(shí)間內(nèi)流體流入流出的質(zhì)量是相等的。根據(jù)實(shí)際情況，錨固劑噴出實(shí)驗(yàn)中，流體介質(zhì)空氣為可壓縮性流體，因此流體單位質(zhì)量的減少量等于流出量，得到流體連續(xù)性方程如下

式中：ρ為流體密度；u為流體沿x軸方向的速度；？淄為流體沿y軸方向的速度；w為流體沿z軸方向的速度。

流體的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓定律，因此流體的運(yùn)動(dòng)形式與作用于流體上的力有關(guān)，動(dòng)量方程是指對(duì)于一個(gè)設(shè)定好的流體單元，外界對(duì)該單元作用力的合力與該流體單元?jiǎng)恿繉?duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)相等，把力與加速度的關(guān)系式代入牛頓第二定律公式中，得到流體的動(dòng)量方程式

， （2）

式中：fx為單位流體質(zhì)量受到x方向的體積力；fy為單位流體質(zhì)量受到y(tǒng)方向的體積力；fz為單位流體質(zhì)量受到z方向的體積力；τ為單位流體受到的正應(yīng)力與切應(yīng)力。

2.1.2 ?固體控制方程

流體作用于固體引起的固體位移方程為

式中：Ks為固體的剛度矩陣；Ms為固體的質(zhì)量矩陣；Cs為固體的阻尼矩陣；r為固體的位移；τs為固體的應(yīng)力。

2.1.3 ?耦合控制方程

因?yàn)槲闹兄环治鲥^固劑的流固耦合性質(zhì)，即采用絕熱模型，所以耦合控制方程表示的是流固耦合面位移與應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，公式如下

式中：rf為流體的位移；rs為固體的位移；τx為固體x軸方向的應(yīng)力；τy為y軸方向的應(yīng)力；n為流固耦合面數(shù)據(jù)交換次數(shù)。

2.2 ?錨固劑噴出仿真流程

雙向流固耦合仿真是流體分析與瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的一種聯(lián)合仿真，先獲得流體分析的結(jié)果，通過(guò)設(shè)置耦合界面將壓力值傳輸?shù)焦腆w運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中對(duì)應(yīng)交界面，固體在流體產(chǎn)生的壓力作用下位移，再把位移數(shù)據(jù)通過(guò)耦合界面?zhèn)骰氐搅黧w分析中，不斷迭代進(jìn)行求解。運(yùn)用ANSYS Workbench軟件中的Fluent模塊、Transient Structure模塊以及System Coupling模塊進(jìn)行雙向流固耦合分析，流程圖如圖3所示。

1）基于Tluent模塊，以瞬態(tài)RNG k-？著湍流模型設(shè)置邊界條件：進(jìn)口為0.5 MPa壓力口，出口為自由出口，管道壁面采用無(wú)滑移，SIMPLE求解器，設(shè)置錨固劑表面為流固耦合交界面用于后續(xù)與瞬態(tài)分析進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。創(chuàng)建管道內(nèi)流體區(qū)域?yàn)殄^固劑運(yùn)動(dòng)的動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，尺寸重構(gòu)間隔為一步一更新，根據(jù)流體域網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置單元重構(gòu)網(wǎng)格高度為2 mm。流體域網(wǎng)格如圖4所示。

2）創(chuàng)建Transient Structure模塊，導(dǎo)入錨固劑和管道固體模型，設(shè)置邊界條件：錨固劑與管道壁面摩擦系數(shù)為0.05，重力加速度為9.8 m/s2，創(chuàng)建流固耦合交界面，注意要和Fluent設(shè)置中的耦合邊界對(duì)應(yīng)，部件材料屬性見(jiàn)表2。

3）創(chuàng)建System Coupling模塊，將瞬態(tài)仿真設(shè)置和流體仿真設(shè)置導(dǎo)入到系統(tǒng)耦合設(shè)置Coupling中，創(chuàng)建流體計(jì)算與瞬態(tài)計(jì)算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)定分析時(shí)長(zhǎng)為3 s，步長(zhǎng)為0.000 1，進(jìn)行求解計(jì)算，實(shí)現(xiàn)雙向流固耦合仿真，數(shù)據(jù)交互設(shè)置如圖5所示。

3 ?不同工況下性能分析

錨固劑流固耦合分析目的有2個(gè)，探究不同氣壓下，錨固劑運(yùn)動(dòng)過(guò)程的應(yīng)力和錨固劑噴出時(shí)刻的速度，設(shè)置進(jìn)口壓力分別為0.5、0.75和1.0 MPa進(jìn)行仿真求解，得到的錨固劑運(yùn)動(dòng)過(guò)程應(yīng)力云圖如圖6所示。錨固劑在通過(guò)管道彎道處的時(shí)候受到的應(yīng)力最大，進(jìn)口處次之，出口處最小。錨固劑在通過(guò)管道圓弧處時(shí)，由于受到較大的向心力，因此受到較大的摩擦力，受到的應(yīng)力最大。錨固劑在進(jìn)口處剛開始處于靜止?fàn)顟B(tài)，錨固劑相對(duì)于空氣流速差最大，受到的氣壓力最大，因此受到的應(yīng)力次之。在出口處由于錨固劑本身已經(jīng)有了較高的速度，流速差較小，因此受到的氣壓力較小，錨固劑受到的應(yīng)力最小。隨著進(jìn)口壓力的增大，錨固劑在管道各段受到的氣體應(yīng)力隨之增大，在進(jìn)口壓力為1.0 MPa的時(shí)候，錨固劑在管道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的最大應(yīng)力為6 000 Pa。

在ANSYS中Transient Structure模塊中加入速度探針繪制錨固劑運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖7所示，錨固劑最后噴出管道的時(shí)刻分別為0.61、0.73和0.89 s，隨著進(jìn)口的加壓，錨固劑的最終噴出速度有顯著的提升，錨固劑噴出管道后在重力加速度的作用下最后速度降到0。錨固劑噴出管道后在僅考慮重力的影響下，錨固劑噴出高度分別為8.10、13.56和20.82 m，但是并不是錨固劑的噴出速度越快，噴出高度越高越好，在進(jìn)口壓力為0.5 MPa的時(shí)候，錨固劑的噴出速度達(dá)到12.6 m/s，這個(gè)速度錨固劑很難順利噴入錨桿孔底。進(jìn)口壓力為0.75 MPa的時(shí)候，錨固劑的噴出速度達(dá)到16.3 m/s。錨固劑理論上可以順利進(jìn)入孔底，1.0 MPa的時(shí)候，錨固劑的噴出速度達(dá)到20.2 m/s，但是錨固劑運(yùn)動(dòng)過(guò)程受到的最大應(yīng)力達(dá)到6 000 Pa，錨固劑為塑料聚乙烯材質(zhì)，有可能會(huì)出現(xiàn)錨固劑提前破損。

4 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于錨固劑快速裝入器的錨固劑快速裝入實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，需要針對(duì)不同的進(jìn)口空氣壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在保證進(jìn)氣口壓力不一樣的前提下對(duì)錨固劑的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀測(cè)分析。如何采集進(jìn)氣口壓力數(shù)據(jù)和錨固劑噴出速度成為錨固劑快速裝入器實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在，本系統(tǒng)采用數(shù)顯減壓閥采集進(jìn)氣倉(cāng)的壓力值，在導(dǎo)管出口處相距0.2 m分別安裝光電傳感器用于捕捉錨固劑在噴出導(dǎo)管時(shí)刻短距離的時(shí)間差，根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)反饋的時(shí)間差值估算錨固劑噴出導(dǎo)管時(shí)刻的速度值，原理如圖8所示。

在通過(guò)仿真驗(yàn)證了整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性符合要求以后，對(duì)錨固劑快速裝入器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖9所示，圖10展示為利用封閉鋼管模擬的巷道錨桿孔。管道出口處裝有光電傳感器可以測(cè)出錨固劑噴出時(shí)刻速度，可拆卸錨桿孔底裝有壓力傳感器可以測(cè)錨固劑噴入孔底產(chǎn)生的壓力。采用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)錨固劑裝入，空壓機(jī)提供氣動(dòng)力，電磁閥控制壓力閥空壓機(jī)放氣吹動(dòng)錨固劑噴出管道，實(shí)驗(yàn)選擇和仿真一致的3組進(jìn)口壓力數(shù)值，分別設(shè)置0.5、0.75和1.0 MPa對(duì)錨固劑設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)最終得到錨固劑噴出速度分別為13、17和25 m/s。在理想狀態(tài)下，錨固劑可以噴出的高度分別為8.2、10.6和17.5 m?？紤]到錨桿孔壁面的摩擦力，這個(gè)高度會(huì)有所下降，錨桿孔壁面摩擦是不規(guī)則的，沒(méi)有辦法直接測(cè)得，最終錨固劑在進(jìn)口壓力為0.75 MPa的實(shí)驗(yàn)效果如圖10所示。錨固劑順利進(jìn)入錨桿孔底。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在進(jìn)氣倉(cāng)壓力設(shè)置為1.0 MPa的時(shí)候，錨固劑未吹出管道已經(jīng)發(fā)生了破損。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)我們可以得出結(jié)論，在實(shí)際工況中要避免進(jìn)口壓力大于1.0 MPa，否則錨固劑易出現(xiàn)提前破損。假如進(jìn)口壓力為1.0 MPa時(shí)仍然無(wú)法把錨固劑吹入錨桿孔底，此時(shí)要考慮打孔的時(shí)候如何讓錨桿孔更加光順。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一款新型錨固劑快速裝入器，解決了手動(dòng)裝藥問(wèn)題，不需要多人登高作業(yè)，減少了安全隱患，顯著縮短了錨固劑安裝時(shí)間，減少了錨固劑的損耗，提高了施工效率。對(duì)新設(shè)備的錨固劑氣動(dòng)性進(jìn)行了一系列研究，研究得到以下結(jié)果。

1）構(gòu)建了雙向流固耦合錨固劑實(shí)驗(yàn)仿真模型，分析出錨固劑在導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力最大在彎管處，錨固劑在彎管處最容易破損。仿真得到各個(gè)速度曲線，隨著加壓速度加快，并以此為指標(biāo)得到了保證錨固劑順利噴出的預(yù)壓力設(shè)定指標(biāo)。

2）開展了不同氣壓下的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性，為實(shí)際工況的預(yù)壓設(shè)定提供了參考。

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