防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析_沈佳兴.pdf

年第 卷 月第 期机 械 科 学 与 技 术 ：收稿日期：基金项目：中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目（）作者简介：沈佳兴（），副教授，博士，研究方向为机械系统动力学分析与控制，沈佳兴，徐平，范中海，等防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析机械科学与技术，（）：防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析沈佳兴，徐平，范中海，于英华（辽宁工程技术大学 矿产资源开发利用技术及装备研究院，辽宁阜新；辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁阜新）摘要：为提高防冲液压支架的让位吸能大小，提高防冲液压支架的安全性，设计一种点阵让位吸能装置。采用有限元仿真的方式分别研究 种典型点阵胞体的比吸能及单位质量支撑力，确定金字塔结构为最佳拓扑胞体结构。采用三因素五水平的正交实验分析胞体高度，胞体立足倾斜宽度及胞体立足直径对点阵芯体的吸能大小及支撑力的影响规律，确定最佳的胞体结构参数。通过仿真分析得到最佳结构参数的金字塔点阵吸能装置的总吸能为 ，支撑力为 ，且支撑力较平稳。证明金字塔结构点阵吸能装置具有优越的吸能性，能够提高防冲液压支架的安全性。关键词：防冲液压支架；安全性；点阵结构；正交实验中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；煤矿井下冲击地压是指井下巷道及采掘工作面具有高弹性势能的煤岩在外界因素影响下，弹性势能瞬间猛烈释放并导致煤岩爆裂并弹射的现象，冲击地压是煤矿井下开采活动面临的主要安全隐患之一。在冲击地压事故中巷道是易破机 械 科 学 与 技 术第 卷：坏位置，如：年，河南千秋煤矿的重大冲击地压事故，致使其长达 的巷道破坏严重甚至巷道完全合拢；山东新汶矿业集团累计发生冲击地压事故 余起，累计破坏巷道超过 ，摧毁巷道超过 ，经济损失达到 亿元；阜新矿业集团在计的破坏性冲击地压事故发生 次，破坏巷道高达达。传统解决冲击地压的方法是采用锚杆锚索网支护、型钢支撑及门式液压支架等方式提高支护强度进而减少冲击地压的发生次数；但相关研究发现上述方式支护的巷道虽然冲击地压发生次数减少，但在某些情况下依然会发生冲击地压且随着支护应力的提高冲击地压的破坏程度会更加严重。为解决上述问题，潘一山等提出让位吸能防冲击理论，该理论的思路是在支护设备中设计一个或多个强度相对较低的冲击吸能装置，利用该装置的弹塑性变形及时吸收煤岩的冲击能量避免冲击地压的发生。根据该理论，文献设计一种曲壳折棱管的让位吸能装置、文献设计一种变梯度薄壁吸能装置、文献 设计一种外翻型直纹管吸能装置。上述研究深入且得到一定应用并取得可喜的效果，但也存在如抗冲击吸能量有待提高，让位吸能阶段支撑力波动较大等问题。为此，本文设计一种支架用点阵让位吸能装置，点阵结构不但具有抗冲击，高吸能特点，还具有让位阻力稳定等优点。本文采用对比分析方式确定最佳点阵吸能装置的拓扑结构，并采用正交实验的方式分析点阵结构参数对吸能量大小及支撑力的影响规律并确定最佳的结构参数，以获得最佳拓扑结构及最佳结构参数的让位吸能装置，进而提高防冲液压支架的安全性。防冲液压支架点阵吸能装置防冲液压支架是在支架液压立柱底部安装能够轴向压缩的吸能装置，在吸能装置的内部安置有点阵材料吸能芯体。当来压作用到支架上时，冲击力通过液压立柱底部的压缩杆作用到点阵吸能芯体上，芯体压缩吸收冲击能，保护支架的其他结构，点阵吸能装置如图 所示。本文以 巷道门式吸能防冲液压支架为研究对象，该支架的工作阻力 ，液压立柱的缸体内径 为 ，吸能装置的极限安装长度 。图 点阵吸能装置 点阵结构胞体单元压缩性能分析点阵材料是一种新型多孔材料，其与常规多孔材料的本质不同是具有周期排列的孔或孔穴。常见的点阵材料胞体的拓扑结构有：类圆锥壳体、金字塔形、形等结构，如图 所示。图 点阵材料胞体拓扑结构为确定让位吸能装置的最佳拓扑点阵胞体结构，分别研究类圆锥壳体、金字塔形、形的胞体压缩力学性能，为使研究有可比性，设图 中各胞体的高度 和胞体底部尺寸 均为 ，金字塔胞体的杆直径为 ，形的钢板厚 ，类圆锥体的壳厚 。利用三维建模软件计算类圆锥胞体的质量为.，金字塔胞体的质量为.，形胞体的质量为.。因为胞体压缩过程为塑性大变形，所以采用 软件中的 模块进行分析。胞体的材料为钢，分析时直接调用软件材料库中的 模型模拟。根据文献可知井下冲击地压发生时围岩的冲击速度为.，因此设置上压头的压缩速度设为 ，并设置下压头完全约束，并将上下压头均设为刚体，类圆锥分析时的有限元模型如图 所示。图 有限元分析模型第 期 沈佳兴，等：防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析：分析胞体在高度方向压缩比为 时胞体吸收的变形能量和胞体产生的支撑力，各种胞体的压缩过程如图 所示，图 中单位为。图 压缩变形过程 根据图）可知：类圆锥屈曲变形是先上端内凹且上端直径扩大，通过材料的内屈曲及扩径吸收能量，当变形到一定程度时，胞体中间位置内凹（图（），随着压缩继续，类圆锥体上端部的变形区域将插入类圆锥体下端直径较大区域（图（）。金字塔胞体的变形主要为 根圆柱足的屈曲变形（图）。形胞体变形为上端与上压头接触的位置先发生屈曲变形，当上端变为水平后（图（）胞体的下端开始变形直至压实（图（）。分别取各结构胞体压缩时的变形能数据，并将其除以各胞体的质量得到比吸能，比吸能够反映各种胞体单位质量的吸能性，结果如图 所示。图 比吸能曲线由图 可知：种胞体在压缩比为 时比吸能相差较小，但压缩比超过 后，金字塔胞体的比吸能迅速提高且为 种胞体中最大，因此可以确定金字塔胞体的吸能性要优于其他两种拓扑结构的胞体。让位吸能结构不仅需要有较好的吸能性，同时要能提供合适的支撑力，若支撑力过大则难以实现让位吸能效果导致支架其他薄弱环节损坏，支撑力过小又难以起到支护效果。因此研究各种胞体的支撑力大小非常必要。根据上面的压缩仿真分析，分别提取 种胞体在压缩过程中的单位质量支撑力曲线，如图 所示。图 单位质量支撑力曲线机 械 科 学 与 技 术第 卷：由图 可知：在初始压缩时，三者支撑力均迅速激增后迅速下降，但 形胞体在后期压缩时的支撑力有较大波动，该支撑力对支架的其他结构有较大不利影响；类圆锥胞体和金字塔胞体的支撑力变化相对较平稳，且能提供一定的支撑力。综合分析各种胞体的比吸能和支撑力可知金字塔胞体的比吸能最大且支撑力较大，平稳。因此选取金字塔胞体作为防冲支架的吸能胞体单元。点阵吸能芯体参数设计采用正交实验研究金字塔胞体的结构参数对吸能性和支撑力的影响，寻找最优点阵吸能芯体参数方案。设计的吸能结构如图 所示。在液压立柱的底座内放置点阵吸能芯体，每层点阵吸能芯体底部与一层固定夹层板焊接到一起，当多层吸能芯体组合使用时相邻两层吸能芯体的固定夹层板构成“固定夹层板点阵吸能芯体固定夹层板”的夹芯结构，如图 中所示。分析点阵吸能芯体的胞体高度，胞体立足的倾斜宽度 及立足的直径 这 个因素对吸能性和支撑力的影响。图 单层点阵吸能结构因为底座安装吸能装置的空间有限，如图 中，的极限长度 。当 越大，在吸能装置的同一层沿其径向分布的金字塔胞体数目越少，当 越大沿着立柱轴向分布的金字塔胞体层数就越少。因此变量 和 不能无限大，为此设定 个因素（，）的研究范围分别为 ，。将 个因素划分为 个水平，具体划分方法如表 所示。表 胞体分析因素因素水平 水平 水平 水平 水平 考查吸能大小和支撑力两个指标，根据正交规则确定正交实验的研究样本如表 所示。表 正交实验样本及结果序号 吸能 支撑力.因为仿真分析需要耗费大量时间，又因为每层吸能芯体结构相同，为提高仿真效率只研究一层吸能芯体的吸能和支撑力大小，然后再将每层吸能芯体吸能大小乘以吸能装置能够容纳吸能芯体层数得到吸能装置的总吸能量。第 期 沈佳兴，等：防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析：利用.建立单层吸能芯体的三维模型并导入到 模块中，利用该模块分析单层吸能芯体在各个样本点时吸能特性。分析时吸能装置的底座壁、点阵吸能芯体、芯体固定夹层板均为柔性体其材料与胞体分析时相同，设置压头为刚性体。设置吸能芯体的网格大小为 ，其余结构为自适应网格，模型共有 节点，单元，如图 所示。图 网格模型设置点阵吸能芯体与固定夹层板的接触为绑定接触，点阵吸能芯体与底座壁的接触、点阵吸能芯体与压头的接触及固定夹层板与底座壁的接触均为摩擦接触，摩擦因数均为.。在压头上施加压缩速度为 ，在芯体夹层板的底面添加固定约束，各样本的计算结果见表。根据表 分析各因素对各考察指标的影响极差，结果如表 和表 所示。表 吸能大小的影响极差因素 因素 因素.极差.表 支撑力的影响极差因素 因素 因素 .极差 .由表 和表 的影响极差可知：对吸能影响最大的因素是胞体立足倾斜宽度，胞体高度 影响次之，立足直径 影响最小；对支撑力影响最大的因素是胞体立足倾斜宽度，立足直径 影响次之，胞体高度 影响最小。由此可知选取合适的胞体立足倾斜宽度 是设计点阵吸能装置的关键因素。为确定各因素的最佳组合，利用画图法绘制出各因素各水平的分布规律，如图 和图 所示。图 各因素对吸能大小影响规律图 各因素对支撑力影响规律由图 可知，从提高装置的吸能性角度出发最优的设计方案为，但考虑到支架的工作阻力为 ，因此吸能装置的支撑力至少大于 ，同时吸能装置的支撑力不能过大，根据图 和图 初步确定 个候选方案，具体大小如表 所示。表 候选方案方案因素 因素 因素（）（）（）机 械 科 学 与 技 术第 卷：采用同样的方法依次对 个候选方案进行分析，得到吸能曲线如图 所示，方案 的最大吸能为 ，方案 的最大吸能为 ，方案 的最大吸能为 。方案 和在压缩量小于等于时变化基本一致。当压缩量继续增加之后，的吸能量迅速增加。图 候选方案的吸能曲线 个候选方案的支撑力曲线如图 所示，可知方案 的支撑力最大，而 次之，最小。当压缩量达到约 时方案 的支撑力波动迅速减小且压缩后期变化较平稳。当压缩量达到约 时方案 的支撑力波动迅速减小，支撑力近似呈线性增加。方案 的支撑力变化均有较大波动。分析各方案的支撑力，其中的支撑力为 .，的支撑力为.，的支撑力为.。虽然方案 的吸能量最大，但其支撑力过大，且支撑力的波动较大，难以起到让位吸能作用易导致支架的其他结构损坏，因此确定 为最佳方案。图 候选方案的支撑力曲线提取 方案的应力云图如图 所示，根据图可知点阵芯体压缩时底座壁也发生变形并有应力，内部点阵吸能芯体几乎已经压实，装置的最大应力为 .。图 方案 的应力云图方案 的单层点阵吸能芯体高为 ，芯体夹层板（图）厚为 ，因此单层点阵吸能装置的总高为 ，考虑到点阵吸能装置最大安装长度 为 ，因此可以在内部安装 层点阵吸能芯体，因为每层点阵吸能芯体结构，参数一致，因此吸能大小也相同，所以该吸能装置的吸能量高达 ，约是现有让位吸能装置吸能大小的 倍，因此该点阵吸能装置具有高吸能性，能够抗击较大能量的冲击地压，能够提高支护设备的安全性。结论）分析了类圆锥体、金字塔形及 形点阵材料胞体的压缩吸能性能，金字塔胞体的比吸能最大且支撑力曲线比较平稳，确定金字塔胞体为最佳拓扑结构胞体。）通过正交分析研究金字塔形点阵吸能芯体的吸能性，研究表明胞体立足倾斜宽度 对吸能性和支撑力的影响最大。）金字塔形点阵吸能芯体的可行方案为，即胞体高度 ，胞体立足倾斜宽度，直径 。点阵吸能装置的总吸能量为 ，约是现有让位吸能装置吸能大小的倍，且支撑力为 .，证明该种吸能装置具有良好的吸能性。参考文献 潘一山，肖永惠，李国臻巷道防冲液压支架研究及应第 期 沈佳兴，等：防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析：用煤炭学报，（）：（），（）：（）马箫，潘一山，张建卓，等防冲支架的核心吸能构件设计与吸能性能研究煤炭学报，（）：，（）：（）潘一山，肖永惠，李忠华，等冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用煤炭学报，（）：，（）：（）张建卓，刘欢，王洁直纹管外翻式构件设计与吸能特性研究振动与冲击，（）：，（）：（）董双勇，褚晓威矿用锚杆吸能防冲支护构件的设计与分析煤矿机械，（）：，（）：（）付玉凯，鞠文君，吴拥政，等深部回采巷道锚杆（索）防冲吸能机理与实践