Проблемы контроля движения пневмоударной машины в грунтовом массиве акустическими методами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

- © Е.В. Денисова, А.И. Конурин, 2013

УДК 534.61

Е.В. Денисова, А.И. Конурин

ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ДВИЖЕНИЯ ПНЕВМОУДАРНОЙ МАШИНЫ1В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Выполнены модельные эксперименты по исследованию влияния неоднородностей грунтового массива на параметры распространения в нем ударного импульса. Произведено сравнение результатов модельных и натурных исследований. Сделаны выводы о рациональности применения акустических методов для контроля движения пневмоударной машины.

Ключевые слова: пневмоударная машина, грунтовый массив, спектральный ана-лиз,акустические волны.

последние годы в нашей

ШЭ стране получила развитие проблема создания систем навигации для бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций. В основу уже существующих в настоящее время отечественных и импортных систем навигации положено использование электромагнитного поля. Отдельные блоки таких систем интегрированы в рабочий орган пневмоударной машины [1, 2]. Недостаточное внимание уделено созданию акустических систем навигации для бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций, существуют всего две заявки на получение патента РФ на изобретение [3, 4], принцип работы которых основан на использовании акустического поля, создаваемого движением в грунтовом массиве бурового рабочего органа.

Практическая реализация акустических устройств навигации позволит без вмешательства в конструкцию машины, с поверхности земли, по

создаваемому ею акустическому полю определять местоположение пневмоударной машины.

Для оценки влияния искусственных неоднородностей в грунтовом массиве (например, уже проложенных коммуникаций или иных твердых включений в виде строительного мусора и т.п.) на параметры распространения упругих волн, вызванных ударным воздействием на грунтовый массив пневмоударной машины, был разработан стенд для модельных экспериментов.

Состав стенда: акселерометр КД29, USB-осциллограф АСК-3 106 и программное обеспечение к нему, ноутбук Acer 150, емкость с грунтом диаметром 700 мм, металлические трубы диаметром 35 мм и 25 мм, пластиковая труба диметром 20 мм, металлическая гильза диаметром 27 мм.

Методика проведения модельных исследований заключалась в следующем: металлический шар сбрасывался с фиксированной высоты на металлическую гильзу 2 (которая

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 гг.»

Рис. 1. Схема стенда для выполнения молельных экспериментов по исследованию параметров ударного импульса распространяющегося в грунтовом массиве с искусственными неолноролностями: 1 — емкость с грунтом; 2 — металлическая гильза; 3 — акселерометры; 4 — металлическая труба 035 мм; 5 — металлическая труба 025 мм; 6 — пластиковая труба 020 мм

имитирует рабочий орган машины), установленную в центре наполненной грунтом круглой емкости 1. Акселерометры 3 устанавливались по краям емкости на линии диаметра напротив друг друга. В емкости параллельно гильзе 2 были установлены искусственные неоднородности — трубы различного диаметра из металла и пластмассы 4—6.

Данные с акселерометра поступали на осциллограф АСК-3 106 и далее на ноутбук. Файлы с данными из программы АКТАКОМ АСК-3 106 PO-1 экспортировались в программу Excel 2 007, а затем в программу MathCAD 14 для построения спектров принятых сигналов.

При обработке модельных данных использовался метод спектрального анализа одиночных ударных импульсов. Рассчитывалось дискретное преобразование Фурье n-мерного вектора v n = 2m — число элементов в v, i— мнимая единица [5]:

vnk=0

где /— = — , а, — частота измере-П

ния исходного сигнала; А„=у1 (1Ш(с.))2 + (Нв(с.))2 .

На рис. 2 представлен результат спектрального анализа одиночного ударного импульса возникающего при ударе шара с энергией 044 Дж о металлическую гильзу. Приведены спектры сигнала для трех участков грунта: без неоднородности, с неоднородностью в виде металлической трубы диметром 35 мм и с неоднородностью в виде пластиковой трубы диаметром 20 мм. По результатам экспериментов (рис. 2) установлено, что при наличии неоднородностей на пути распространения ударного импульса в спектре сигнала появляются высокочастотные составляющие

О 300 600 900 1.2х103 1.5х103 1.8х103 2.1х103 2.4х103 2.7х103 400 510 620 730 840 950 1 1G3!. 17х 103! 2Sx 103! 39х 103

Гк.Гц __. Гк.Гц

-без неоднородностеи

---труба металлическая

......... труба пластиковая

Рис. 2. Спектральный анализ одиночных ударных импульсов, создаваемых при взаимодействии металлического шара и гильзы, расположенной в грунтовом массиве: а) общий вид; б) увеличенный участок

(600—1 500 Гц). При этом для металлической неоднородности этот эффект проявляется значительно сильнее, чем для пластиковой. Этот процесс может быть вызван передачей энергии колебания в неоднородность с последующим ее переизлучением на резонансной частоте по направлению к приемнику (акселерометру). Для сигнала, распространяющегося вдоль металлической неоднородности можно отметить сдвиг основного участка спектра в область 400 Гц, в отличие от сигнала, распространяющегося в однородном грунте, где основная энергия сосредоточена в области 250 Гц.

Кроме того, следует отметить, что любые включения на пути распространения импульса вызывают появление дополнительных выраженных максимумов в спектре в области высоких частот, уровень которых зависит от свойств неоднородности. При наличии на пути распространения ударного импульса металлической неоднородности в спектре обнаруживаются выраженные составляющие на

участках 900—1 000 Гц и 1 300— 1 400 Гц. Пластиковая неоднородность вызывает увеличение амплитуды спектральных составляющих на частотах 1 100—1 200 Гц. При этом в спектре сигнала, распространяющегося в грунте без неоднородностей, после 900 Гц наблюдается спад амплитуды. Таким образом, анализ спектра импульса, создаваемого ударным воздействием на среду, позволит с высокой степенью достоверности судить о наличии в ней металлических и пластиковых включений вплоть до определения свойств неод-нородностей.

Для анализа параметров ударного импульса, создаваемого движением в грунте пневмоударной машины, были проведены экспериментальные исследования в натурных условиях. При этом использовалось следующее оборудование: пневмоударная машина с энергией удара 22 Дж, длиной рабочего органа 55 см; акселерометр КД29, USB-осциллограф АСК-3 106, ноутбук Acer 150, влагомер (рис. 3, а).

а) б)

Рис. 3. а) Оборудование для исследования параметров нелинейных упругих воли, создаваемых движущейся в грунте пневмоударной машиной: 1 — акселерометр КД29; 2 — USB-осциллограф АСК-3 601; 3 — ноутбук Acer 150; 4 — влагомер; 5 — пнев-мопробойник; б) Схема проведения экспериментальных исследований

Методика проведения экспериментальных исследований заключалась в следующем: пневмоударная машина запускалась в грунтовый массив на глубине 25 и 50 см от поверхности земли, после заглубления машины на всю ее длину акселерометр устанавливался в точку над местом удара (т.е. над носовой частью машины, что соответствует отметке 0 на рис. 3, б), далее измерялся сигнал в точке 0, работу пневмопробойной машины останавливали в момент передвижения акселерометра в точку 20 (что соответствует отклонению машины на 20 см), после установки акселерометра движение пневмо-пробойной машины возобновлялось и осуществлялась запись сигнала, таким образом, были осуществлены измерения в точках 40, 60 и 80 влево относительно оси движения машины и вправо от нее (что соответст-

вует отклонению машины на 40, 60 и 80 см). Амплитудные ошибки контролировались с помощью постоянных замеров дальности до машины и установкой акселерометра строго вдоль оси, проходящей над носовой частью пневмопробойной машины. Подробно анализ изменения амплитуды сигнала от положения пневмо-пробойной машины в грунте представлен в работе [6].

На рис. 4 представлен результат спектрального анализа одиночного ударного импульса при отклонении машины на 15 см вправо (измерения осуществлялись над искусственной неоднородностью — металлической трубой) или влево (грунт без неодно-родностей). Согласно данным исследованиям можно отметить, что спектр импульса, записанного непосредственно над металлической неоднородностью, содержит высокочастотные

Рис. 4. Увеличенный участок спектра одиночного ударного импульса, индупиро-ваиного пневмоударной машиной движущейся в грунте

составляющие, амплитуды которых значительно превышают амплитуды спектра сигнала, записанного над однородным грунтом (рис. 4). Таким образом, можно инструментально выделить сигнал от неоднородности и не учитывать его при определении местоположения машины.

Вы1воды1

Таким образом, с помощью модельных и натурных экспериментов установлено, что наличие в грунте неоднородностей различного типа приводит к увеличению амплитуды ударного импульса и к появлению в

его спектре высокочастотных составляющих. При этом спектральный анализ одиночных ударных импульсов, создаваемых при движении машины в грунте, позволит инструментально отделять переотраженные от неоднородности сигналы и тем самым исключить возникновение ложной информации о координатах пневмоударной машины в грунте. Примеры реализации акустических устройств навигации для бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций представлены в публикациях [7, 8].

1. Опарин В.Н., Денисова Е.В. Принципы построения радиочастотных систем навигации для бестраншейных технологий

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

прокладки подземных коммуникаций. — Новосибирск: Издательство СО РАН, 2011. — 132 с.

2. Рыбаков А. П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика). — М.: ПрессБюро № 1, 2005. — 304 с.

3. Заявка на получения патента РФ на изобретение № 93027051. Устройство для непрерывного определения местоположения бурового инструмента / Иванов Ю.В. // Опубл. 10.02.1996.

4. Заявка на получения патента РФ на изобретение №93021187. Устройство для непрерывного определения местоположения бурового инструмента / Иванов Ю.В. // Опубл. 27.01.1996.

5. Харкевич А.А. Спектры и анализ. — М.: Государственное издательство теоретико-технической литературы, 1952. — 192 с.

6. Денисова Е.В., Неверов А.А., Гаври-лов С.Ю., Конурин А.И. Геомеханическое обоснование результатов экспериментальных исследований параметров акустического поля, индуцированного движущейся в грунте пневмоударной машиной // Вестник Кузбасского государственного техническо-

го университета. — Кемерово: КузГТУ, 2011. — № 5. — С. 36—39.

7. Денисова Е.В., Конурин А.И., По-лотнянко Н. С. Информационно-измерительный комплекс для контроля деформационно-волновых процессов, возникающих в массиве горных пород при движении в нем ударной машины // Труды Всероссийской конференции с участием иностранных ученых 03—06 октября 2011 г. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» — ИГД СО РАН, Новосибирск, 2011. — Т. 2. — С. 222—227.

8. Денисова Е.В., Конурин А.И., Полин К. С. Двухканальный акустический обнаружитель местоположения пневмоударной машины в грунте // Труды XIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 110-летию со дня рождения профессора, Лауреата Государственной премии СССР К.В. Радугина — Томск: Издательство ТПУ, 2009. — С. 633—635. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Денисова Екатерина Вячеславовна — кандидат технических наук, Конурин Антон Игоревич - аспирант,

Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, [email protected]

ГОРНАЯ КНИГА -

Обогащение углей. Том 2. Технологии

В.М. Авдохин 2012 год 475 с.

ISBN: 978-5-98672-308-2, 978-5-98672-310-5 UDK: 622.7:622.33 (075.3)

Дана краткая характеристика сырьевой базы. Рассмотрены технологии обогащения коксующихся и энергетических углей, основы проектирования, методы контроля, управления и организации производства. Уделено внимание направлениям охраны окружающей среды, а также практике работы современных отечественных и зарубежных углеобогатитель-

В.М. Авдохин— д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Обогащение полезных ископаемых» Московского государственного горного университета.

В.М ЛЦД(Ш|Н

ff ОБОГАЩЕНИЕ УГЛЕЙ

g

a

¡я ТОМ 2

ё ТЕХНОЛОГИИ

ных фабрик.