CN111156040A - 一种固液吸能装置及其在液压支护中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固液吸能装置及其在液压支护中的应用，装置包括第一缸体、固体吸能盒、支撑活塞和第二缸体，第一缸体上端开口，固体吸能盒设置于第一缸体内，且与第一缸体内壁形成一形变环隙；支撑活塞支撑在固体吸能盒上，支撑活塞的外侧面与所述第一缸体内壁呈轴向滑动连接，固体吸能盒及形变环隙内盛装有液体；第二缸体的下端开口，其下端面设置于支撑活塞上，可与支撑活塞呈端面密封连接；支撑活塞上设有用于连通第一缸体内腔和第二缸体内腔的溢流孔。采用固体吸能盒与液体的组合，液压支护的立柱与第二缸体的上端连接在一起，能够在发生冲击地压灾害时起到保护液压立柱不损坏、支架结构不失效，同时提高支架的防爆抗爆等性能要求。

Description

一种固液吸能装置及其在液压支护中的应用

技术领域

本发明涉及采矿安全技术领域，具体涉及一种固液吸能装置及其在液压支护中的应用，主要与防冲立柱相结合，用于冲击地压发生时，保护矿井巷道有效性及人员安全。

背景技术

冲击地压是煤矿开采过程中的一种严重动力灾害，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。冲击地压会造成井下巷道的严重破坏、设备损坏及人员伤亡，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，确保作业安全。

目前，地下开采及支护领域多采用液压支架进行支护，然而冲击地压具有发生的时间短、强度高、释放能量大的特点，导致传统的液压支架来不及卸载，会出现立柱结构损坏的问题，无法实现支护结构的吸能、消能。

中国专利文献CN 202596748U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6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8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10轻微向外侧扩张，同时上外凸面8开始弯曲，上内凹面6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7和下外凸面9同上外凸面8和上内凹面6一致，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7和下外凸面9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和失稳问题。

还有一个最为重要的一点：防冲构件受挤压损坏时可能出现火花，且煤矿内多存在瓦斯气体，稍有明火便会引起爆炸造成进一步灾害，危及工人生命安全。

发明内容

本发明针对现有技术中液压立柱或其他类型立柱在超过其设计荷载后，荷载下降较快、不易保持，同时支架破坏可能引起瓦斯爆炸后续灾害等问题，提出一种固液吸能装置及其在液压支护中的应用。

所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种固液吸能装置，所述装置包括第一缸体、固体吸能盒、支撑活塞和第二缸体，所述第一缸体的上端开口，所述固体吸能盒设置于所述第一缸体内，且与所述第一缸体内壁形成一形变环隙；所述支撑活塞支撑在所述固体吸能盒上，所述支撑活塞的外侧面与所述第一缸体内壁呈轴向滑动连接，所述固体吸能盒及所述形变环隙内盛装有液体；所述第二缸体的下端开口，其下端面设置于所述支撑活塞上，可与所述支撑活塞呈端面密封连接；所述支撑活塞上设有用于连通所述第一缸体内腔和所述第二缸体内腔的溢流孔。

优选地，所述第二缸体的下部设置于所述第一缸体内，且与所述第一缸体形成轴向滑动连接。

进一步地，所述第二缸体的上部伸出所述第一缸体的上端，且在所述第二缸体的伸出端侧壁上设有通气孔和注液孔。

所述形变环隙与所述固体吸能盒内腔之间设有用于保持压力平衡的连通孔。

所述连通孔沿所述支撑活塞的下端面和/或所述第一缸体的底部呈径向设置，将所述形变环隙与固体吸能盒内腔连通，所述支撑活塞的外侧面与所述第一缸体内壁间带有密封结构。

所述固体吸能盒优选为折纹式吸能盒或波纹式吸能盒。

所述溢流孔设置在所述支撑活塞的中部和/或环绕所述支撑活塞的中部平均分布有多个。

所述液体为水、乳化液或液压油等非易燃性液体，优选具有防锈性能的非易燃性液体；所述固体吸能盒优选浸没于所述液体中。

所述形变环隙的容积与所述固体吸能盒的容积之和小于等于所述第二缸体的容积。

一种固液吸能装置在液压支护中的应用，液压支护的立柱下端与所述第二缸体的上端固定连接。

本发明技术方案，具有如下优点：

A.本发明所提供的吸能装置包括固体吸能盒与液体的组合，将液压支护的立柱下端与第二缸体的上端连接在一起时，使得液压支护中的立柱具有更加优秀的恒定变形吸能能力，能够在发生冲击地压灾害时起到保护液压立柱不损坏、支架结构不失效，同时提高液压支护中的支架防爆抗爆等性能要求。

B.本发明与普通液压立柱或其他类型立柱相比，本发明中的固液吸能防冲器在受到冲击地压作用下，固体吸能盒在变形的过程中，液体从溢流孔中喷出并进入第二缸体中，液体溢流的过程会产生阻尼作用，能够帮助保持变形阻力稳定，减小变形阻力的波动。同时，固液吸能防冲器可以在保证立柱支撑力的前提下，最大限度地保护支架，维持支架的支撑有效性；由于整个固体吸能盒沉没于液体中，通过液体的密封作用克服了固体吸能盒变形产生火花的危险，从本质上消除了吸能防冲器变形引起瓦斯爆炸的可能性，达到防灾减灾的要求。

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为本发明所示的固液吸能装置结构剖视图；

图5为图4中所示支撑活塞平面示意图；

图6为本发明与液压支护的立柱安装结构示意图；

图7为本发明所采用的波纹式吸能盒结构示意图；

图8为本发明所采用的折纹式吸能盒结构示意图。

附图标记说明：

1-第一缸体；2-固体吸能盒；3-支撑活塞，31-溢流孔；4-第二缸体；5-立柱；6-上内凹面；7-下内凹面；8-上外凸面；9-下外凸面；10-外凸折纹线。

a-形变环隙；b-通气孔；c-注液孔；d-连通孔。

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，本发明提供了一种固液吸能装置，包括第一缸体1、固体吸能盒2、支撑活塞3和第二缸体4，第一缸体1的上端为敞口结构，固体吸能盒2设置于第一缸体1内，且与第一缸体1内壁形成一形变环隙a；支撑活塞3支撑在固体吸能盒2上，支撑活塞3的外侧面与第一缸体1内壁呈轴向滑动连接；固体吸能盒2及形变环隙a内盛装有液体；第二缸体4的下端为敞口结构，其下端面设置于支撑活塞3上，且与支撑活塞3呈端面密封连接，第二缸体4的下端还可以与支撑活塞3形成一个整体结构，二者通过连接件固定或者直接焊接形成一个整体，当然也可以直接加工形成一体件；支撑活塞3上设有用于连通第一缸体1内腔和第二缸体4内腔的溢流孔31，如图6所示，当向下迅速挤压第二缸体4时，支撑活塞3下降，并使固体吸能盒2发生挤压形变，此时，第一缸体1内中的液体会由溢流孔31中喷出，溢流的过程会产生阻尼作用，能够帮助保持变形阻力稳定，减缓固体吸能盒2的形变速度，实现恒阻，固体与液体组合协调吸能，在受压过程中，固体吸能部分和液体吸能部分协同工作。同时由于固体吸能盒2始终位于第一缸体1内的液体中，因此，消除了固体吸能盒2形变所产生的火星，从而避免矿井内产生瓦斯爆炸，在第一缸体1内腔中的液体起到关键作用。

本发明在第一缸体1内注入的液体可以为水，优选采为乳化液、防冻液或其它具有防锈蚀功能的非易燃性液体。

比如，乳化液是将油的润滑性和防锈性与水较好的冷却性相结合，同时具备较好的润滑冷却性和散热性，固体吸能盒2由于受挤压生成大量热，通过乳化液可以很好地吸收热量，综合效果更佳。

如图4所示，这里的第二缸体4的下部优选设置于第一缸体1内，且与第一缸体1形成轴向滑动连接。由于第一缸体1内存在液体，为防止第二缸体4下移过程中液体从两个缸体的缝隙中挤出，支撑活塞3与第一缸体1间可增加密封结构，具体密封液体的形式多样，比如采用迷宫式密封或其他液体密封结构，其为现有技术，这里不再赘述。

为了便于对第一缸体1内注入液体，本发明中的第二缸体4的上部伸出第一缸体1的上端，且在第二缸体4的伸出端侧壁上设有通气孔b和注液孔c。需要补液时，只需要打开注液孔c和通气孔b即可实现迅速补液。正常工作时，只需在通气孔b和注液孔c上罩上防尘盖即可。

本发明还进一步在形变环隙a与固体吸能盒2内腔之间设有用于保持压力平衡的连通孔d，连通孔d沿支撑活塞3的下端面呈径向设置，如图5所示，当然还可以沿着第一缸体1的底部呈径向设置，从而将形变环隙a与固体吸能盒2内腔连通，保持两内腔中的压力平衡。固体吸能盒2受挤压变形时，固体吸能盒2外部的形变环隙a和其内腔保持压力连通，从而避免了因两侧压力不同而对固体吸能盒2自身形变产生不利影响，保持变形阻力的稳定性。

这里的固体吸能盒2可以为折纹式吸能盒或波纹式吸能盒，如图7和图8所示吸能盒结构，当然不限于上述两种型式的固体吸能盒，由于其为现有技术，这里不再赘述。

为了使固液吸能装置具有更佳的吸能性能，本发明中优选地采用形变环隙a的容积与固体吸能盒2的容积之和小于等于第二缸体4的容积。冲击地压发生时，随着固体吸能盒2的逐渐挤压形变，第二缸体4沿着第一缸体1的内壁向下滑动，同时通气孔b和注液孔c也进入第一缸体1内，使得整个第二缸体4密闭，如此设置可以更好地保持第二缸体4的内部压强，保持固体吸能盒2具有稳定的变形阻力。

当然，为了实现更好防冲压效果，提供更佳的反力支撑，溢流孔31设置在支撑活塞3的中部，如图5所示；或者环绕支撑活塞3的中部平均分布有多个。

本发明通过设计固液吸能防冲立柱，在初始受压时，保证了较大的初始承载能力，冲击来压时，增强了冲击荷载作用下固体吸能盒恒载防冲能力，且通过模拟计算、室内实验，得到材料属性及尺寸、液体填充比例之间的相互搭配，优化固体吸能部分和液体吸能部分的参数组合，使立柱压缩变形时在结构稳定的前提下能够吸收较大的能量，达到吸能稳定，变形控制强目的；解决了现有技术中液压立柱或其他类型立柱在超过其设计荷载后，荷载下降较快、不易保持，最重要的是由于支架破坏可能引起瓦斯爆炸后续灾害等问题；本发明通过液体的密封作用克服了固体吸能盒变形产生火花的危险，从而避免了矿井内由于固体吸能盒挤压变形而发生瓦斯爆炸危险。

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 (10)

1.一种固液吸能装置，其特征在于，所述装置包括第一缸体(1)、固体吸能盒(2)、支撑活塞(3)和第二缸体(4)，所述第一缸体(1)的上端开口，所述固体吸能盒(2)设置于所述第一缸体(1)内，且与所述第一缸体(1)内壁形成一形变环隙(a)；所述支撑活塞(3)支撑在所述固体吸能盒(2)上，所述支撑活塞(3)的外侧面与所述第一缸体(1)内壁呈轴向滑动连接，所述固体吸能盒(2)及所述形变环隙(a)内盛装有液体；所述第二缸体(4)的下端开口，其下端面设置于所述支撑活塞(3)上，可与所述支撑活塞(3)呈端面密封连接；所述支撑活塞(3)上设有用于连通所述第一缸体(1)内腔和所述第二缸体(4)内腔的溢流孔(31)。

2.根据权利要求1所述的固液吸能装置，其特征在于，所述第二缸体(4)的下部设置于所述第一缸体(1)内，且与所述第一缸体(1)形成轴向滑动连接。

3.根据权利要求2所述的固液吸能装置，其特征在于，所述第二缸体(4)的上部伸出所述第一缸体(1)的上端，且在所述第二缸体(4)的伸出端侧壁上设有通气孔(b)和注液孔(c)。

4.根据权利要求1-3任一所述的固液吸能装置，其特征在于，所述形变环隙(a)与所述固体吸能盒(2)内腔之间设有用于保持压力平衡的连通孔(d)。

5.根据权利要求4所述的固液吸能装置，其特征在于，所述连通孔(d)沿所述支撑活塞(3)的下端面和/或所述第一缸体(1)的底部呈径向设置，将所述形变环隙(a)与所述固体吸能盒(2)内腔连通，所述支撑活塞(3)的外侧面与所述第一缸体(1)内壁间带有密封结构。

6.根据权利要求1所述的固液吸能装置，其特征在于，所述固体吸能盒(2)为折纹式吸能盒或波纹式吸能盒。

7.根据权利要求1所述的固液吸能装置，其特征在于，所述溢流孔(31)设置在所述支撑活塞(3)的中部和/或环绕所述支撑活塞(3)的中部平均分布有多个。

8.根据权利要求1所述的固液吸能装置，其特征在于，所述液体为非易燃性液体，所述固体吸能盒浸没于所述液体中。

9.根据权利要求1所述的固液吸能装置，其特征在于，所述形变环隙(a)的容积与所述固体吸能盒(2)的容积之和小于等于所述第二缸体(4)的容积。

10.一种固液吸能装置在液压支护中的应用，液压支护的立柱下端与权利要求1-9任一所述第二缸体(4)的上端固定连接。

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