CN110307022B - 一种反折纹形变恒阻吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反折纹形变恒阻吸能装置，其为钢板围接而成的多面壳体结构，壳体的上端面和下端面均为多边型结构，壳体上设有至少一个首尾连接而成的闭合折纹线，其包括呈交替设置的内凹折纹线和外凸折纹线，壳体上的内凹折纹线上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上内凹面和下内凹面，壳体上的外凸折纹线上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上外凸面和下外凸面，壳体的每一组上外凸面和下外凸面处分别设有一个向着其中部延伸的内凸承压支撑结构。本发明通过在每组上外凸面和下外凸面的内侧面上分别设置内凸承压支撑结构，在承压变形时，能够快速变形让位，解决了巷道支架在冲击地压发生时结构失效以及立柱折损的问题。

Description

一种反折纹形变恒阻吸能装置

技术领域

本发明属于采矿安全技术领域，具体涉及一种反折纹形变恒阻吸能装置。

背景技术

冲击地压是一种严重的煤矿地质灾害，可以对井下巷道及工作面造成严重破坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。开采过程中，应采取积极主动的预防措施和强有力的支护措施，以确保工作作业安全。

目前矿井开采及支护领域多采用液压支架进行支护，然而由于冲击地压发生的时间短、强度高、释放能量大的特点，传统的液压支架安全保护通常来不及让位卸载，使得支柱出现破坏、立柱折损及支护结构失效的问题，导致支护结构无法起到有效的支撑作用，使得作业安全无法得到保障。

中国专利文献CN 202596748 U中公开了一种矿用快速吸能防冲让位支护构件，其具有折纹形状的筒状结构，如图1所示，整个让位支护构件的挤压变形过程如图2所示，整个挤压变形过程所形成的位移和轴向承载力之间的关系曲线如图3所示。

a阶段：防冲构件基本无变形承载能力基本呈线性增加；

b阶段：防冲构件的上内凹面2开始向内收缩，承载能力快速下降，压缩位移快速增加，上外凸面4逐渐弯曲折叠；承载能力短暂下降(弯曲折叠抵抗)；

c阶段：外凸折纹线12轻微向外侧扩张。同时上外凸面4开始弯曲，上内凹面2产生轴向折叠，承载能力出现提高。至结束时，径向扩张至最大；

d阶段：下内凹面3和下外凸面5同上外凸面4和上内凹面2一致，出现相互挤压至一定程度后，承载能力开始出现降低，最终完全压扁；

e阶段：下端部分再次重复c阶段，下内凹面3和下外凸面5进行折叠。

整个防冲让位构件在逐渐挤压变形的过程中，轴向承载力波动较大，不利于保护支架，支护结构整体很容易出现失效问题。

发明内容

针对现有矿用吸能装置在冲击地压超过其极限荷载后，荷载下降较快，不容易保持等问题，提出一种初始支撑力较大，且在压缩变形过程中提供接近恒定支撑力的反折纹形变恒压吸能装置，进而保护支架。同时，吸能装置在压缩变形时具有一定的行程，在冲击地压发生时起到让位作用，最大限度的保护支架及立柱，保证结构的整体性。

所采用的技术方案如下：

一种反折纹形变恒阻吸能装置，其为钢板围接而成的多面壳体结构，所述壳体的上端面和下端面均为多边型结构，所述壳体上设有至少一个首尾连接而成的闭合折纹线，所述闭合折纹线包括内凹折纹线和外凸折纹线，所述内凹折纹线与外凸折纹线在所述闭合折纹线上呈交替设置，所述壳体上的内凹折纹线上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上内凹面和下内凹面，所述壳体上的外凸折纹线上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上外凸面和下外凸面，所述壳体的每一组所述上外凸面和下外凸面处分别设有一个向着其中部延伸的内凸承压支撑结构，所述内凸承压支撑结构的两端分别与所述上外凸面的内侧面和所述下外凸面的内侧面固定连接。

所述内凸承压支撑结构为带有一预折纹的钢板结构，其包括呈一夹角连接的上内凸面和下内凸面，所述上内凸面的端部与所述上外凸面的内侧面固定连接，所述下内凸面与所述下外凸面的内侧面固定连接。

所述的上内凸面与下内凸面间所形成的夹角α小于等于所述的上外凸面与下外凸面间所形成的夹角β，且所述内凸承压支撑结构的预折纹与所述外凸折纹线位于同一水平面上。

所述上内凸面的端部与所述上外凸面的端部平齐，所述下内凸面的端部与所述下外凸面的端部平齐，所述的上内凸面与下内凸面间所形成的夹角α与所述的上外凸面与下外凸面间所形成的夹角β相等。

相邻两所述内凸承压支撑结构的两端通过连接钢板固定连接。

所述内凸承压支撑结构为一呈夹角设置的钢杆结构，所述钢杆结构的两端分别固定于所述上外凸面的内侧面和所述下外凸面的内侧面上。

每一组所述上外凸面和下外凸面上分别设有至少两根所述内凸承压支撑结构。

所述钢杆结构所形成的夹角α小于等于所述的上外凸面与下外凸面间所形成的夹角β。

位于所述闭合折纹线两侧的上内凹面数量或下内凹面数量，以及上外凸面数量或下外凸面数量分别与所述壳体上端面或下端面所形成的多边型结构的边数保持一致。

所述闭合折纹线为八边形结构，所述壳体的上端面和下端面为四边形结构。

本发明技术方案，具有如下优点：

A.本发明通过在每组上外凸面和下外凸面的内侧面上分别设置内凸承压支撑结构，在承压变形时，能够快速变形让位，内凸承压支撑结构和外凸面间在整个变形与支撑过程中相互牵制，吸收冲击能，从而保护液压支柱、立柱不损坏并且支架结构不失效，解决了巷道支架在冲击地压发生时结构失效以及立柱折损的问题。

B.本吸能装置能够满足液压支架极限承载力、变形吸能等性能要求，尤其是提供反力方面，能够保证支架达到极限承载力后，轴向支撑力基本保持恒定，不会出现突降，在保证初始支撑力的前提下，从而最大限度地保护支架，保证支护结构整体不失效。

C.本发明在液压支柱中应用时，当冲击地压来压时，吸能装置的整个壳体产生塑性弯曲及径向伸张来进行吸能，且其在压缩过程中所提供的支撑力保持稳定或逐渐增加，减小发生二次冲击的可能性。壳体压缩时具有合理的行程，确保其存在一定的让位过程，压扁后的结构稳定在支座上，压扁后整个壳体的占地面积得到减少，这样不会对液压支柱造成横向挤压，不破坏液压支柱原有的支撑作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的现有吸能装置的立体图；

图2为对图1所示结构进行挤压形变过程图；

图3为图1所示的承载力曲线示意图；

图4是本发明所提供的吸能装置立体示意图；

图5是图4所示结构俯视图；

图6是图5所示结构A-A截面剖视图；

图7是本发明所提供的具有另一种内凸承压支撑结构的吸能装置；

图8是图4吸能装置模型承载力曲线图；

图9是图4所示吸能装置有限元模型压缩变形示意图。

附图标记说明：

1-闭合折纹线

11-内凹折纹线，12-外凸折纹线

2-上内凹面；3-下内凹面；4-上外凸面；5-下外凸面

6-内凸承压支撑结构

61-上内凸面，62-下内凸面

7-连接钢板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，本发明提供了一种反折纹形变恒阻吸能装置，其为钢板围接而成的多面壳体结构，壳体的上端面和下端面均为多边型结构，壳体上设有至少一个首尾连接而成的闭合折纹线1，闭合折纹线1包括内凹折纹线11和外凸折纹线12，内凹折纹线11与外凸折纹线12在闭合折纹线1上呈交替设置，壳体上的内凹折纹线11上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上内凹面2和下内凹面3，壳体上的外凸折纹线12上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上外凸面4和下外凸面5，所形成的特定角度优选为120-150°，上外凸面4的边缘与相邻的上内凹面2的边缘连接，下外凸面5的边缘与相邻的下内凹面3的边缘连接；壳体的每一组上外凸面4和下外凸面5处分别设有一个向着其中部延伸的内凸承压支撑结构6，内凸承压支撑结构6的两端分别与上外凸面4的内侧面和下外凸面5的内侧面固定连接。本发明在位于同一外凸折纹线12上的上外凸面和下外凸面上设置对应的内凸承压支撑结构6，外层的壳体提供初始荷载，利用内部的内凸承压支撑结构与外层壳体呈反对称结构，当壳体变形时，内凸承压支撑结构提供荷载支撑，使整个吸能装置受冲击荷载时保持轴向支撑力接近恒定状态。保证外部壳体与内凸承压支撑结构同步变形，且内凸承压支撑结构压扁后不占用外部壳体的压缩空间。

如图4和图5所示，本发明优选的内凸承压支撑结构6为带有一预折纹的钢板结构，其包括呈一夹角连接的上内凸面61和下内凸面62，上内凸面61的端部与上外凸面4的内侧面固定连接，下内凸面62与下外凸面5的内侧面固定连接。同时还在相邻两内凸承压支撑结构6的两端通过连接钢板7固定连接。

本发明优选的上内凸面61与下内凸面62间所形成的夹角α小于等于上外凸面4与下外凸面5间所形成的夹角β，且内凸承压支撑结构6的预折纹与外凸折纹线12位于同一水平面上，当然也可以采用不对此方式，夹角α大于夹角β，或者夹角α小于夹角β。本发明优选的采用完全反对称设置结构，上内凸面61的端部与上外凸面4的端部平齐，下内凸面5的端部与下外凸面5的端部平齐，上内凸面61与下内凸面62间所形成的夹角α与上外凸面4与下外凸面5间所形成的夹角β相等，更有利于整体受力。

当然，本发明中的内凸承压支撑结构6还可以为一呈夹角设置的钢杆结构，钢杆结构的两端分别固定于上外凸面4的内侧面和下外凸面5的内侧面上。

优选地，在每一组上外凸面4和下外凸面5上分别设有至少两根内凸承压支撑结构6。钢杆结构所形成的夹角α小于等于上外凸面4与下外凸面5间所形成的夹角β，其与上外凸面和下外凸面形成完全反对称结构。

本发明中，位于闭合折纹线1两侧的内凹面数量或外凸面数量分别与壳体上端面或下端面所形成的多边型边数保持一致。闭合折纹线的上下结构呈完全对称形式，即上外凸面与下外凸面完全对称于外凸折纹线，上内凹面和下内凹面完全对称于内凹折纹线。

如图4所示，本发明对吸能装置进行受力分析，所采用的模型尺寸如下：折纹钢板厚度均为8mm。上、下部形状为正方形，边长180mm，中部形状近似八边形，边长约为90mm，整体为一步折纹，结构高度168mm。

通过利用单轴压缩试验并结合有限元计算，对图4所示的模型受力进行相关分析，所得到的模型承载力曲线如图8所示，有限元计算模型变形如图9所示。经过计算、有限元模拟、室内实验，得到钢板材料属性及尺寸之间的合理搭配，使吸能装置在压缩变形时能够吸收较大的能量并稳定形成预设的压缩结构。

结合图4和图8，具体压缩试验过程如下：

a阶段：吸能装置的外部壳体承担承载力，基本无变形，承载能力呈线性增加状态；

b阶段：吸能装置的上内凹面2开始向内收缩，压缩位移快速增加，上外凸面4逐渐弯曲折叠，承载能力短暂下降，处于弯曲折叠抵抗状态；

c阶段：上外凸面4弯曲至一定程度后，位于壳体内部的呈反对称设置的内凸承压支撑结构承担部分轴向承载力；外部壳体与内凸承压支撑结构呈现交替变形，交替承担载荷；下内凹面3和下外凸面5同上内凹面2和上外凸面4一致；

d阶段：逐步完全叠合，最终成为稳定的压缩结构。

从图8中可以看出，内部设置反对称的钢板结构，外部壳体压缩变形后，内凸承压支撑结构开始变形，在逐步压缩的过程中，其承载能力基本保持平衡。

将本发明的吸能装置放置于液压柱中，在冲击地压来压时，吸能装置的外部壳体产生塑性弯曲及径向伸张来进行吸能，且其在压缩过程中所提供的支撑力保持稳定或逐渐增加，减小发生二次冲击的可能性。吸能装置的外部壳体压缩时，具有合理的行程，确保其存在一定的让位过程，压扁后的结构稳定在支座上，压扁后整个壳体的占地面积得到减少，压扁后的吸能装置不会对液压支柱造成横向挤压，不破坏液压支柱原有的支撑作用。

本发明由带特定角度折纹的钢板组成的外部壳体结构，外凸面位于内凸面的外部呈反对称设置，二者存在一定距离；在受压变形后，外部壳体内的内凸承压支撑钢板结构不占用外部壳体空间，两者协同变形。

本发明在单轴受压时，有效地保持吸能装置整体的荷载，增强了对冲击荷载作用下吸能装置恒载防冲能力，且根据整体吸能装置的尺寸，经过计算和模拟，得到外部壳体与内凸钢板的特定距离，二者在压缩变形时做到不相互重叠影响，且压扁后内凸承压支撑结构不占用外部壳体的变形空间，并有效地保持稳定的轴向承载力，增强了对冲击荷载作用下吸能装置恒载防冲能力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种反折纹形变恒阻吸能装置，其为钢板围接而成的多面壳体结构，所述壳体的上端面和下端面均为多边型结构，所述壳体上设有至少一个首尾连接而成的闭合折纹线（1），所述闭合折纹线（1）包括内凹折纹线（11）和外凸折纹线（12），所述内凹折纹线（11）与外凸折纹线（12）在所述闭合折纹线（1）上呈交替设置，其特征在于，所述壳体上的内凹折纹线（11）上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上内凹面（2）和下内凹面（3），所述壳体上的外凸折纹线（12）上下两侧位置分别形成与其连接的呈夹角设置的上外凸面（4）和下外凸面（5），所述壳体的每一组所述上外凸面（4）和下外凸面（5）处分别设有一个向着其中部延伸的内凸承压支撑结构（6），所述内凸承压支撑结构（6）的两端分别与所述上外凸面（4）的内侧面和所述下外凸面（5）的内侧面固定连接；所述内凸承压支撑结构（6）为带有一预折纹的钢板结构，其包括呈一夹角连接的上内凸面（61）和下内凸面（62），所述上内凸面（61）的端部与所述上外凸面（4）的内侧面固定连接，所述下内凸面（62）与所述下外凸面（5）的内侧面固定连接。

2.根据权利要求1所述的反折纹形变恒阻吸能装置，其特征在于，所述的上内凸面（61）与下内凸面（62）间所形成的夹角α小于等于所述的上外凸面（4）与下外凸面（5）间所形成的夹角β，且所述内凸承压支撑结构（6）的预折纹与所述外凸折纹线（12）位于同一水平面上。

3.根据权利要求2所述的反折纹形变恒阻吸能装置，其特征在于，所述上内凸面（61）的端部与所述上外凸面（4）的端部平齐，所述下内凸面（62）的端部与所述下外凸面（5）的端部平齐，所述的上内凸面（61）与下内凸面（62）间所形成的夹角α与所述的上外凸面（4）与下外凸面（5）间所形成的夹角β相等。

4.根据权利要求1-3任一所述的反折纹形变恒阻吸能装置，其特征在于，相邻两所述内凸承压支撑结构（6）的两端通过连接钢板（7）固定连接。

5.根据权利要求1所述的反折纹形变恒阻吸能装置，其特征在于，位于所述闭合折纹线（1）两侧的上内凹面（2）数量或下内凹面（3）数量，以及上外凸面（4）数量或下外凸面（5）数量分别与所述壳体上端面或下端面所形成的多边型结构的边数保持一致。

6.根据权利要求5所述的反折纹形变恒阻吸能装置，其特征在于，所述闭合折纹线（1）为八边形结构，所述壳体的上端面和下端面为四边形结构。