CN110331995B - 一种波纹式恒阻吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹式恒阻吸能装置，其为多面壳体结构，壳体上设有一个首尾相连的闭合折纹线，包括内凹和外凸圆弧折纹线，内凹圆弧折纹线与外凸圆弧折纹线在闭合折纹线上呈交替设置，位于壳体外侧面的所有外凸圆弧折纹线的外接圆直径大于壳体上端面和下端面的外接圆直径；外凸圆弧折纹线的上下两侧位置分别设有一上圆弧凸面和下圆弧凸面，内凹圆弧折纹线的上下两侧位置分别设有一上圆弧凹面和下圆弧凹面，上圆弧凸面与上圆弧凹面之间、下圆弧凸面与下圆弧凹面之间分别通过圆弧过渡连接，使壳体的上端面和下端面呈圆形的波纹结构；本发明将吸能装置整体壳体设为近似圆形结构，壳体表面上类似波纹结构，稳定性强，局部屈曲出现较晚，初始支撑力大。

Description

一种波纹式恒阻吸能装置

技术领域

本发明属于采矿安全技术领域，具体涉及一种波纹式恒阻吸能装置。

背景技术

冲击地压造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，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。

目前地下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，传统的吸能装置未来得及让位或出现突降的问题，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的吸能消能的作用，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8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10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30轻微向外侧扩张。同时上外凸面10开始弯曲，上内凹面8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9和下外凸面20同上外凸面10和上内凹面8一致，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9和下外凸面20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一种波纹式恒阻吸能装置，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：

一种波纹式恒阻吸能装置，其由钢板围接而成的多面壳体结构，所述壳体上设有一个首尾相连的闭合折纹线，所述闭合折纹线包括内凹圆弧折纹线和外凸圆弧折纹线，所述内凹圆弧折纹线与所述外凸圆弧折纹线在所述闭合折纹线上呈交替设置，位于所述壳体外侧面的所有外凸圆弧折纹线的外接圆直径大于所述壳体上端面边线和下端面边线的外接圆直径；所述外凸圆弧折纹线的上下两侧位置分别设有一上圆弧凸面和下圆弧凸面，所述上圆弧凸面和下圆弧凸面分别延伸至所述壳体的上端面和下端面，所述内凹圆弧折纹线的上下两侧位置分别设有一上圆弧凹面和下圆弧凹面，所述上圆弧凹面和下圆弧凹面分别延伸至所述壳体的上端面和下端面，所述上圆弧凸面与所述上圆弧凹面之间、所述下圆弧凸面与所述下圆弧凹面之间分别通过圆弧过渡连接，使所述壳体的上端面和下端面呈圆形的波纹结构。

所述内凹圆弧折纹线所对应的圆心角α与所述外凸圆弧折纹线所对应的圆心角β相等。

所述的上圆弧凸面、下圆弧凸面、上圆弧凹面和下圆弧凹面)均为扇形弧面，所述上圆弧凸面的左右两侧分别通过上三角形外凸弧面与所述上圆弧凹面过渡连接，所述下圆弧凸面的左右两侧分别通过下三角形外凸弧面与所述下圆弧凹面过渡连接。

所述闭合折纹线上所有内凹圆弧折纹线的内接圆直径小于所述壳体上端和下端的所有凹面的内接圆直径。

所述闭合折纹线的上下两侧呈对称设置。

所述闭合折纹线上设有至少四个内凹圆弧折纹线和四个外凸圆弧折纹线。

本发明技术方案，具有如下优点：

A.本发明将吸能装置整体壳体设为近似圆形结构，其具备薄壁壳体的受力特点，且通过在壳体表面上设计凹凸的类似波纹结构，建立近似于圆形的承载面，稳定性强，局部屈曲出现较晚，初始支撑力大；出现屈曲后，变形可靠，克服了以往吸能装置存在屈曲吸能不稳定的缺点，同时克服了初始支撑力较小的缺点。

B.本发明通过设计波纹钢板结构，在单轴受压时，保证了较大的初始承载能力，并有效地保持基本恒定的轴向承载力，增强了对冲击荷载作用下吸能装置的恒载防冲能力，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。

C.当冲击地压来压时，吸能装置通过产生塑性弯曲及径向伸张来进行吸能，且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，不破坏液压支柱的支撑作用，从而保护液压支架，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。

D.本发明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。

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4所示结构壳体上端面或下端面的结构俯视图；

图7是图4所示结构中的闭合折纹线结构示意图；

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-内凹圆弧折纹线，12-外凸圆弧折纹线

2-上圆弧凸面；3-下圆弧凸面；4-上圆弧凹面；5-下圆弧凹面

6-上三角形外凸弧面；7-下三角形外凸弧面；8-上内凹面

9-下内凹面；10-上外凸面；20-下外凸面；30外凸折纹线。

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，本发明提供了一种波纹式恒阻吸能装置，其由钢板围接而成的具有多个弧形面的壳体结构，在壳体上设有一个首尾相连的闭合折纹线1，闭合折纹线1包括内凹圆弧折纹线11和外凸圆弧折纹线12，内凹圆弧折纹线11与外凸圆弧折纹线12在闭合折纹线1上呈交替设置，位于壳体外侧面的所有外凸圆弧折纹线12的外接圆直径大于壳体上端面边线和下端面边线的外接圆直径，使整个壳体呈现中部较粗、两端较细的外形；在外凸圆弧折纹线12的上下两侧位置分别设有一上圆弧凸面2和下圆弧凸面3，上圆弧凸面2和下圆弧凸面3分别延伸至壳体的上端面和下端面，内凹圆弧折纹线11的上下两侧位置分别设有一上圆弧凹面4和下圆弧凹面5，上圆弧凹面4和下圆弧凹面5分别延伸至壳体的上端面和下端面，上圆弧凸面2与上圆弧凹面4之间、下圆弧凸面3与下圆弧凹面5之间分别通过圆弧过渡连接，使壳体的上端面和下端面呈圆形的波纹结构。本发明优选的采用带有特定角度波纹的钢板，利用塑性弯曲和壳体径向伸张来吸能，这里的闭合折纹线是在壳体的内侧面和外侧面都预先制得，具备薄壁壳体的特点，且通过设计凹凸弧面结构及依据钢板表面的波纹结构，克服了屈曲吸能不稳定的缺点，同时克服了初始支撑力较小的缺点。

本发明进一步优选地，如图7所示，内凹圆弧折纹线11所对应的圆心角α与外凸圆弧折纹线12所对应的圆心角β相等。也就是说内凹圆弧折纹线11与外凸圆弧折纹线12在闭合折纹线1上呈等间距排列，使得壳体的稳定性更好。

本发明中采用的上圆弧凸面2、下圆弧凸面3、上圆弧凹面4和下圆弧凹面5均为扇形弧面，上圆弧凸面2的左右两侧分别通过上三角形外凸弧面6与上圆弧凹面4过渡连接，下圆弧凸面3的左右两侧分别通过下三角形外凸弧面7与下圆弧凹面5过渡连接。从整体上可以看出，壳体外侧面上所形成的外凸弧面的面积大于内凹弧面的面积。

同时，本发明还对壳体外侧面所形成的内凹面的深度进行了进一步优化，采用闭合折纹线1上所有内凹圆弧折纹线12的内接圆直径小于壳体上端边线和下端边线的所有凹面的内接圆直径。也就是说，对于壳体外侧面上的所有凹面来讲，凹型的扇形弧面大尺寸端的凹陷距离较深，优选的已超出了凹型的扇形弧面小尺寸端的凹陷位置，也可以结合图4、图5和图6看出这种结构。

当然，本发明中最优选的将闭合折纹线的上下两侧所设置的凸面和凹面呈对称设置，在闭合折纹线1上设有四个内凹圆弧折纹线11和四个外凸圆弧折纹线12，这里不限制外凸圆弧折纹线12和内凹圆弧折纹线11的数量，还可以设置更多。

通过利用单轴压缩试验并结合有限元计算，对模型受力进行相关分析。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。

a阶段：整个吸能装置的壳体基本无变形承载能力，基本呈线性增加；

b阶段：外凸圆弧折纹线12轻微向外侧扩张，内凹圆弧折纹线11开始向内收缩，承载能力快速下降，压缩位移快速增加，上圆弧凸面2位置逐渐弯曲折叠；

c阶段：上圆弧凸面2的弯曲折叠至一定程度后，波纹板抗弯强度提高，局部稳定性增强，径向扩张速度较慢，承载能力出现提高；

d阶段：外凸圆弧折纹线12扩张至一定程度后，径向约束变弱，外凸圆弧折纹线12和内凹圆弧折纹线11继续压缩扩张，承载能力开始出现降低，最终完全压扁；

e阶段：压扁后形成实心圆环状稳定结构，承载能力显著提高。

本发明通过采用带有特定波纹的钢板结构，在单轴受压时，保证了较大的初始承载能力，并有效地保持接近恒定的轴向支撑力，增强了对冲击荷载作用下吸能装置恒载防冲能力；且根据吸能装置的尺寸，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。

当冲击地压来压时，吸能装置能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，不破坏液压支柱的支撑作用，从而保护液压支架，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。

本发明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，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。

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)

1.一种波纹式恒阻吸能装置，其由钢板围接而成的多面壳体结构，其特征在于，所述壳体上设有一个首尾相连的闭合折纹线(1)，所述闭合折纹线(1)包括内凹圆弧折纹线(11)和外凸圆弧折纹线(12)，所述内凹圆弧折纹线(11)与所述外凸圆弧折纹线(12)在所述闭合折纹线(1)上呈交替设置，位于所述壳体外侧面的所有外凸圆弧折纹线(12)的外接圆直径大于所述壳体上端面边线和下端面边线的外接圆直径；所述外凸圆弧折纹线(12)的上下两侧位置分别设有一上圆弧凸面(2)和下圆弧凸面(3)，所述上圆弧凸面(2)和下圆弧凸面(3)分别延伸至所述壳体的上端面和下端面，所述内凹圆弧折纹线(11)的上下两侧位置分别设有一上圆弧凹面(4)和下圆弧凹面(5)，所述上圆弧凹面(4)和下圆弧凹面(5)分别延伸至所述壳体的上端面和下端面，所述上圆弧凸面(2)与所述上圆弧凹面(4)之间、所述下圆弧凸面(3)与所述下圆弧凹面(5)之间分别通过圆弧过渡连接，使所述壳体的上端面和下端面呈圆形的波纹结构。

2.根据权利要求1所述的波纹式恒阻吸能装置，其特征在于，所述内凹圆弧折纹线(11)所对应的圆心角α与所述外凸圆弧折纹线(12)所对应的圆心角β相等。

3.根据权利要求2所述的波纹式恒阻吸能装置，其特征在于，所述的上圆弧凸面(2)、下圆弧凸面(3)、上圆弧凹面(4)和下圆弧凹面(5)均为扇形弧面，所述上圆弧凸面(2)的左右两侧分别通过上三角形外凸弧面(6)与所述上圆弧凹面(4)过渡连接，所述下圆弧凸面(3)的左右两侧分别通过下三角形外凸弧面(7)与所述下圆弧凹面(5)过渡连接。

4.根据权利要求3所述的波纹式恒阻吸能装置，其特征在于，所述闭合折纹线(1)上所有内凹圆弧折纹线(12)的内接圆直径小于所述壳体上端和下端的所有凹面的内接圆直径。

5.根据权利要求1-4任一所述的波纹式恒阻吸能装置，其特征在于，所述闭合折纹线(1)的上下两侧呈对称设置。

6.根据权利要求5所述的波纹式恒阻吸能装置，其特征在于，所述闭合折纹线(1)上设有至少四个内凹圆弧折纹线(11)和四个外凸圆弧折纹线(12)。