CN113685208B - 一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱及其工作方法 - Google Patents

一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱及其工作方法 Download PDF

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Abstract

一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱及其工作方法，包括自上而下依次设置的防侧向冲击盒、液压缸、空心过渡吸能器、铠装饼型吸能器和连接底座，液压缸上端通过侧向活动支撑结构与防侧向冲击盒连接，液压缸下端与空心过渡吸能器上端同轴线连接，连接底座内部开设有顶部敞口的下圆柱槽，铠装饼型吸能器设置在下圆柱槽内，空心过渡吸能器下端伸入到下圆柱槽内并与铠装饼型吸能器上端压接配合。本发明可减弱侧向冲击对液压支架整体结构产生水平力作用，可实现多级（三级）快速消耗冲击能，同时解决了现有吸能构件在冲击压缩屈曲变形过程中产生火花等安全问题。

Description

一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱及其工作方法
技术领域
本发明属于煤矿巷道冲击地压支护技术领域，具体涉及一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱及其工作方法。
背景技术
近年以来，随着煤矿的开采深度和开采强度的不断增加，冲击地压事故发生的频率也逐年上升，冲击地压发生时，煤岩体内所积聚的能量大部分以动能和应力波的形式释放，会瞬间摧毁巷道支护，冲击地压是煤矿开采中遇到的严重动力灾害之一。
液压立柱因其超高的承载能力和自我调控支撑力而被广泛应用于冲击地压矿井巷道超前支护中，最常见的为应用于各种形式的液压支架中，当冲击地压来临时，液压支架以其巨大的承载能力和稳定性来抵抗冲击，保持巷道围岩的稳定与完整，但当冲击释放大能量级（＞106J）能量时，液压支架无法完全抵抗住冲击且当遭受以侧向水平冲击为主的冲击破坏时，常常发生液压立柱弯折、屈曲、缸体撕裂破坏，因此针对此种破坏形式，急需研制一种防止侧向水平冲击破坏、冲击来临时可迅速让位吸收冲击能的新式液压立柱。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱及其工作方法, 其可减弱水平方向冲击对支架整体结构产生水平力作用，同时在垂直方向实现多级快速消耗冲击能，解决了现有吸能构件在冲击压缩屈曲变形过程中产生火花等安全问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱，包括自上而下依次设置的防侧向冲击盒、液压缸、空心过渡吸能器、铠装饼型吸能器和连接底座，液压缸上端通过侧向活动支撑结构与防侧向冲击盒连接，液压缸下端与空心过渡吸能器上端同轴线连接，连接底座内部开设有顶部敞口的下圆柱槽，铠装饼型吸能器设置在下圆柱槽内，空心过渡吸能器下端伸入到下圆柱槽内并与铠装饼型吸能器上端压接配合。
防侧向冲击盒为底部敞口的长方体结构，侧向活动支撑结构包括支撑销，防侧向冲击盒左右相对两侧壁均开设有一条弧形槽，弧形槽顶部沿前后方向间隔开设有至少三个定位槽，定位槽的高度由前向后逐渐增高；
液压缸包括缸体和活塞杆，缸体内开设有顶部敞口的上柱腔，活塞杆下部滑动密封在上柱腔内，支撑销沿前后方向固定设置活塞杆上端，活塞杆上端伸入到防侧向冲击盒内部，支撑销前后两端分别伸入并支撑在最前侧且位置最低的两个定位槽内。
上柱腔内盛装有上液压油，缸体下部设有与上柱腔下部连通的进液口和排液口，进液口处设有封堵塞，出液口连接有溢流阀。
空心过渡吸能器外形为圆柱体，空心过渡吸能器内部设有空腔，空心过渡吸能器底部设有与空腔连通、上下通透的吸能孔；缸体下端内部开设有底部敞口的上圆柱槽，空心过渡吸能器上部过盈装配到上圆柱槽内，空心过渡吸能器下部外圆与连接底座内部的下圆柱槽内壁滑动密封连接，连接底座底面设有连接耳。
铠装饼型吸能器包括若干个球形钢壳和若干根竖向支杆，球形钢壳上端和下端均设有水平敞口结构，所有的球形钢壳自上而下依次串联并焊接为一体形成糖葫芦形状，竖向支杆沿球形钢壳的圆周方向均匀布置，竖向支杆与每个球形钢壳的外圆侧部均焊接为一体，最下端的一个球形钢壳固定连接在连接底座的下圆柱槽底部，最上端的一个球形钢壳与空心过渡吸能器下端面压接，下圆柱槽内部盛装有下圆柱槽内部空间体积2/3的下液压油，竖向支杆外侧与下圆柱槽内侧壁的距离为7～10mm。
防侧向冲击盒的左侧和右侧均固定设有将临近的弧形槽封堵的限位挡板。
一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱的工作方法，包括以下步骤：
（1）加工制作防侧向冲击盒；
（2）加工制作活塞杆；
（3）将活塞杆下端密封安装进液压缸缸体的上柱腔内，活塞杆上端伸入到防侧向冲击盒内，将支撑销由左向右依次穿过左侧最低的定位槽、活塞杆上端的穿孔和右侧最低的定位槽，再将两块限位挡板分别焊接到防侧向冲击盒的左侧面和右侧面对支撑销轴向限位；
（4）将空心过渡吸能器上端插入到步骤（3）中已组装好的液压缸缸体内的上圆柱槽内，空心过渡吸能器外圆与上圆柱槽内壁过盈装配；
（5）铠装饼型吸能器最下端的球形钢壳焊接到连接底座的下圆柱槽底部，在连接底座的下圆柱槽内注入下液压油至下圆柱槽体积的三分之二处，将步骤（4）中已组装好的空心过渡吸能器下端密封安装进下圆柱槽内，直到铠装饼型吸能器上端面与空心过渡吸能器下端压接，最后在缸体下端侧部与连接底座上端侧部之间竖向设置连接杆，连接杆上部和下部分别与缸体和连接底座点焊，这样防止空心过渡吸能器下部脱离连接底座的下圆柱槽；
（6）将安装好的液压立柱下端的连接耳通过连接螺栓设置到液压支架上，液压立柱上端的防侧向冲击盒支撑巷道围岩；
（7）当巷道发生以侧向水平冲击为主的冲击地压时，根据冲击能量的大小，防侧向冲击盒侧壁上的弧形槽沿支撑销移动，位置较高的定位槽水平移动到与支撑销配合，从而通过金属动摩擦让位来减弱侧向水平冲击能对液压立柱的危害，同时通过弧形槽的动摩擦让位使液压立柱始终保持竖直，最大发挥液压立柱的竖向承载能力优势；其次，当冲击能量在竖向方向持续增大时，空心过渡吸能器下端对铠装饼型吸能器施加冲击力，铠装饼型吸能器的球形钢壳被压缩屈曲变形，竖向支杆也被压弯，铠装饼型吸能器让位吸能，同时由于连接底座的下圆柱槽内腔体积减小，下液压油开始迅速通过空心过渡吸能器下端中间开设的吸能孔进入空心过渡吸能器内部，这不仅实现了与铠装饼型吸能器同步变形吸能的功能，也消除了铠装饼型吸能器在屈曲压溃变形过程中产生的火花、热效应，极大地确保了铠装饼型吸能器在吸能变形过程中安全防爆；同时当冲击力大于溢流阀的额定压力时，活塞杆向下移动并驱动上柱腔内的上液压油通过溢流阀向外溢出。
步骤（1）的具体过程为：总共切割五块等厚度的钢板，分为三份，分别按照前后设置两块、左右设置两块、顶端设置一块的布局将五块钢板边对边两两焊接成一个长方体型的盒体，前、后设置的两块钢板尺寸为200mm×150mm×20mm，左、右设置的两块钢板尺寸为150mm×150mm×20mm，顶端设置的一块钢板尺寸为200mm×150mm×20mm，在左、右设置的两块钢板上通过气割的方式分别加工两条弧形槽，并在弧形槽顶部加工出至少三个定位槽。
步骤（2）的具体过程为：加工一个直径100mm，高度800mm的活塞杆，在活塞杆上端焊接一个支座，支座上预先加工一组水平通透的穿孔。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1）本发明通过设置防侧向冲击盒与活塞杆之间通过侧向活动支撑结构连接，在受到侧向冲击时，防侧向冲击盒可水平位移，从而减弱侧向冲击对液压支架整体结构产生水平力作用。在受到沿支撑销轴向冲击力时，防侧向冲击盒和支撑销沿支座的穿孔水平移动。
2）本发明可实现多级（三级）快速消耗冲击能：包括相邻定位槽的高差、空心过渡吸能器下移驱动铠装饼型吸能器受压变形以及活塞杆驱动上柱腔内的上液压油通过溢流阀向外溢出。
3）由于在下圆柱槽内的铠装饼型吸能器外部注入下液压油，在铠装饼型吸能器受压变形时，下液压油解决了现有吸能构件在冲击压缩屈曲变形过程中产生火花等安全问题。
附图说明
图1为本发明的立体结构图。
图2为本发明的结构剖面图。
图3为本发明中防侧向冲击盒的立体结构图。
图4为本发明中活塞杆的立体结构图。
图5为本发明中空心过渡吸能器的立体结构图。
图6为本发明中铠装饼型吸能器的立体结构图。
图中附图标记分别为：1：防侧向冲击盒，2：活塞杆，3：缸体，4：空心过渡吸能器，5：铠装饼型吸能器，6：连接底座，7：弧形槽，8：支撑销，9：定位槽，10：下液压油，11：进液口，12：溢流阀，13：吸能孔，14：竖向支杆，15：连接耳，16：上柱腔，17：空腔，18：球形钢壳，19：上液压油，20：限位挡板，21：支座。
具体实施方式
如图1-图6所示，本发明的一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱，包括自上而下依次设置的防侧向冲击盒1、液压缸、空心过渡吸能器4、铠装饼型吸能器5和连接底座6，液压缸上端通过侧向活动支撑结构与防侧向冲击盒1连接，液压缸下端与空心过渡吸能器4上端同轴线连接，连接底座6内部开设有顶部敞口的下圆柱槽，铠装饼型吸能器5设置在下圆柱槽内，空心过渡吸能器4下端伸入到下圆柱槽内并与铠装饼型吸能器5上端压接配合。
防侧向冲击盒1为底部敞口的长方体结构，侧向活动支撑结构包括支撑销8，防侧向冲击盒1左右相对两侧壁均开设有一条弧形槽7，弧形槽7顶部沿前后方向间隔开设有至少三个定位槽9，定位槽9的高度由前向后逐渐增高；
液压缸包括缸体3和活塞杆2，缸体3内开设有顶部敞口的上柱腔16，活塞杆2下部滑动密封在上柱腔16内，支撑销8沿前后方向固定设置活塞杆2上端，活塞杆2上端伸入到防侧向冲击盒1内部，支撑销8前后两端分别伸入并支撑在最前侧且位置最低的两个定位槽9内。
上柱腔16内盛装有上液压油19，缸体3下部设有与上柱腔16下部连通的进液口11和排液口，进液口处设有封堵塞，出液口连接有溢流阀12。
空心过渡吸能器4外形为圆柱体，空心过渡吸能器4内部设有空腔17，空心过渡吸能器4底部设有与空腔17连通、上下通透的吸能孔13；缸体3下端内部开设有底部敞口的上圆柱槽，空心过渡吸能器4上部过盈装配到上圆柱槽内，空心过渡吸能器4下部外圆与连接底座6内部的下圆柱槽内壁滑动密封连接，连接底座6底面设有连接耳15。
铠装饼型吸能器5包括若干个球形钢壳18和若干根竖向支杆14，球形钢壳18上端和下端均设有水平敞口结构，所有的球形钢壳18自上而下依次串联并焊接为一体形成糖葫芦形状，竖向支杆14沿球形钢壳18的圆周方向均匀布置，竖向支杆14与每个球形钢壳18的外圆侧部均焊接为一体，最下端的一个球形钢壳18固定连接在连接底座6的下圆柱槽底部，最上端的一个球形钢壳18与空心过渡吸能器4下端面压接，下圆柱槽内部盛装有下圆柱槽内部空间体积2/3的下液压油10，竖向支杆14外侧与下圆柱槽内侧壁的距离为7～10mm。球形钢壳18采用两端开口的圆柱形薄壁钢筒通过外表面辊压折弯而成。
防侧向冲击盒1的左侧和右侧均固定设有将临近的弧形槽7封堵的限位挡板20。
一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱的工作方法，包括以下步骤：
（1）加工制作防侧向冲击盒1；
（2）加工制作活塞杆2；
（3）将活塞杆2下端密封安装进液压缸缸体3的上柱腔16内，活塞杆2上端伸入到防侧向冲击盒1内，将支撑销8由左向右依次穿过左侧最低的定位槽9、活塞杆2上端的穿孔和右侧最低的定位槽9，再将两块限位挡板20分别焊接到防侧向冲击盒1的左侧面和右侧面对支撑销8轴向限位；
（4）将空心过渡吸能器4上端插入到步骤（3）中已组装好的液压缸缸体3内的上圆柱槽内，空心过渡吸能器4外圆与上圆柱槽内壁过盈装配；
（5）铠装饼型吸能器5最下端的球形钢壳18焊接到连接底座6的下圆柱槽底部，在连接底座6的下圆柱槽内注入下液压油10至下圆柱槽体积的三分之二处，将步骤（4）中已组装好的空心过渡吸能器4下端密封安装进下圆柱槽内，直到铠装饼型吸能器5上端面与空心过渡吸能器4下端压接，最后在缸体3下端侧部与连接底座6上端侧部之间竖向设置连接杆，连接杆上部和下部分别与缸体3和连接底座6点焊，这样防止空心过渡吸能器4下部脱离连接底座6的下圆柱槽；
（6）将安装好的液压立柱下端的连接耳15通过连接螺栓设置到液压支架上，液压立柱上端的防侧向冲击盒1支撑巷道围岩；
（7）当巷道发生以侧向水平冲击为主的冲击地压时，根据冲击能量的大小，防侧向冲击盒1侧壁上的弧形槽7沿支撑销8移动，位置较高的定位槽9水平移动到与支撑销8配合，从而通过金属动摩擦让位来减弱侧向水平冲击能对液压立柱的危害，同时通过弧形槽7的动摩擦让位使液压立柱始终保持竖直，最大发挥液压立柱的竖向承载能力优势；其次，当冲击能量在竖向方向持续增大时，空心过渡吸能器4下端对铠装饼型吸能器5施加冲击力，铠装饼型吸能器5的球形钢壳18被压缩屈曲变形，竖向支杆14也被压弯，铠装饼型吸能器5让位吸能，同时由于连接底座6的下圆柱槽内腔体积减小，下液压油10开始迅速通过空心过渡吸能器4下端中间开设的吸能孔13进入空心过渡吸能器4内部，这不仅实现了与铠装饼型吸能器5同步变形吸能的功能，也消除了铠装饼型吸能器5在屈曲压溃变形过程中产生的火花、热效应，极大地确保了铠装饼型吸能器5在吸能变形过程中安全防爆；同时当冲击力大于溢流阀12的额定压力时，活塞杆2向下移动并驱动上柱腔16内的上液压油19通过溢流阀12向外溢出。
步骤（1）的具体过程为：总共切割五块等厚度的钢板，分为三份，分别按照前后设置两块、左右设置两块、顶端设置一块的布局将五块钢板边对边两两焊接成一个长方体型的盒体，前、后设置的两块钢板尺寸为200mm×150mm×20mm，左、右设置的两块钢板尺寸为150mm×150mm×20mm，顶端设置的一块钢板尺寸为200mm×150mm×20mm，在左、右设置的两块钢板上通过气割的方式分别加工两条弧形槽7，并在弧形槽7顶部加工出至少三个定位槽9。
步骤（2）的具体过程为：加工一个直径100mm，高度800mm的活塞杆2，在活塞杆2上端焊接一个支座21，支座21上预先加工一组水平通透的穿孔。
以上实施例说明了本发明的基本结构和特点，但上述仅仅说明了本发明的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱，其特征在于：包括自上而下依次设置的防侧向冲击盒、液压缸、空心过渡吸能器、铠装饼型吸能器和连接底座，液压缸上端通过侧向活动支撑结构与防侧向冲击盒连接，液压缸下端与空心过渡吸能器上端同轴线连接，连接底座内部开设有顶部敞口的下圆柱槽，铠装饼型吸能器设置在下圆柱槽内，空心过渡吸能器下端伸入到下圆柱槽内并与铠装饼型吸能器上端压接配合；
防侧向冲击盒为底部敞口的长方体结构，侧向活动支撑结构包括支撑销，防侧向冲击盒左右相对两侧壁均开设有一条弧形槽，弧形槽顶部沿前后方向间隔开设有至少三个定位槽，定位槽的高度由前向后逐渐增高；
液压缸包括缸体和活塞杆，缸体内开设有顶部敞口的上柱腔，活塞杆下部滑动密封在上柱腔内，支撑销沿前后方向固定设置活塞杆上端，活塞杆上端伸入到防侧向冲击盒内部，支撑销前后两端分别伸入并支撑在最前侧且位置最低的两个定位槽内；
上柱腔内盛装有上液压油，缸体下部设有与上柱腔下部连通的进液口和排液口，进液口处设有封堵塞，出液口连接有溢流阀。
2.根据权利要求1所述的一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱，其特征在于：空心过渡吸能器外形为圆柱体，空心过渡吸能器内部设有空腔，空心过渡吸能器底部设有与空腔连通、上下通透的吸能孔；缸体下端内部开设有底部敞口的上圆柱槽，空心过渡吸能器上部过盈装配到上圆柱槽内，空心过渡吸能器下部外圆与连接底座内部的下圆柱槽内壁滑动密封连接，连接底座底面设有连接耳。
3.根据权利要求2所述的一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱，其特征在于：铠装饼型吸能器包括若干个球形钢壳和若干根竖向支杆，球形钢壳上端和下端均设有水平敞口结构，所有的球形钢壳自上而下依次串联并焊接为一体形成糖葫芦形状，竖向支杆沿球形钢壳的圆周方向均匀布置，竖向支杆与每个球形钢壳的外圆侧部均焊接为一体，最下端的一个球形钢壳固定连接在连接底座的下圆柱槽底部，最上端的一个球形钢壳与空心过渡吸能器下端面压接，下圆柱槽内部盛装有下圆柱槽内部空间体积2/3的下液压油，竖向支杆外侧与下圆柱槽内侧壁的距离为7～10mm。
4.根据权利要求3所述的一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱，其特征在于：防侧向冲击盒的左侧和右侧均固定设有将临近的弧形槽封堵的限位挡板。
5.采用如权利要求4所述的一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）加工制作防侧向冲击盒；
（2）加工制作活塞杆；
（3）将活塞杆下端密封安装进液压缸缸体的上柱腔内，活塞杆上端伸入到防侧向冲击盒内，将支撑销由左向右依次穿过左侧最低的定位槽、活塞杆上端的穿孔和右侧最低的定位槽，再将两块限位挡板分别焊接到防侧向冲击盒的左侧面和右侧面对支撑销轴向限位；
（4）将空心过渡吸能器上端插入到步骤（3）中已组装好的液压缸缸体内的上圆柱槽内，空心过渡吸能器外圆与上圆柱槽内壁过盈装配；
（5）铠装饼型吸能器最下端的球形钢壳焊接到连接底座的下圆柱槽底部，在连接底座的下圆柱槽内注入下液压油至下圆柱槽体积的三分之二处，将步骤（4）中已组装好的空心过渡吸能器下端密封安装进下圆柱槽内，直到铠装饼型吸能器上端面与空心过渡吸能器下端压接，最后在缸体下端侧部与连接底座上端侧部之间竖向设置连接杆，连接杆上部和下部分别与缸体和连接底座点焊，这样防止空心过渡吸能器下部脱离连接底座的下圆柱槽；
（6）将安装好的液压立柱下端的连接耳通过连接螺栓设置到液压支架上，液压立柱上端的防侧向冲击盒支撑巷道围岩；
（7）当巷道发生以侧向水平冲击为主的冲击地压时，根据冲击能量的大小，防侧向冲击盒侧壁上的弧形槽沿支撑销移动，位置较高的定位槽水平移动到与支撑销配合，从而通过金属动摩擦让位来减弱侧向水平冲击能对液压立柱的危害，同时通过弧形槽的动摩擦让位使液压立柱始终保持竖直，最大发挥液压立柱的竖向承载能力优势；其次，当冲击能量在竖向方向持续增大时，空心过渡吸能器下端对铠装饼型吸能器施加冲击力，铠装饼型吸能器的球形钢壳被压缩屈曲变形，竖向支杆也被压弯，铠装饼型吸能器让位吸能，同时由于连接底座的下圆柱槽内腔体积减小，下液压油开始迅速通过空心过渡吸能器下端中间开设的吸能孔进入空心过渡吸能器内部，这不仅实现了与铠装饼型吸能器同步变形吸能的功能，也消除了铠装饼型吸能器在屈曲压溃变形过程中产生的火花、热效应，极大地确保了铠装饼型吸能器在吸能变形过程中安全防爆；同时当冲击力大于溢流阀的额定压力时，活塞杆向下移动并驱动上柱腔内的上液压油通过溢流阀向外溢出。
6.根据权利要求5所述的一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱的工作方法，其特征在于：步骤（1）的具体过程为：总共切割五块等厚度的钢板，分为三份，分别按照前后设置两块、左右设置两块、顶端设置一块的布局将五块钢板边对边两两焊接成一个长方体型的盒体，前、后设置的两块钢板尺寸为200mm×150mm×20mm，左、右设置的两块钢板尺寸为150mm×150mm×20mm，顶端设置的一块钢板尺寸为200mm×150mm×20mm，在左、右设置的两块钢板上通过气割的方式分别加工两条弧形槽，并在弧形槽顶部加工出至少三个定位槽。
7.根据权利要求6所述的一种流固耦合式多级吸能防冲液压立柱的工作方法，其特征在于：步骤（2）的具体过程为：加工一个直径100mm，高度800mm的活塞杆，在活塞杆上端焊接一个支座，支座上预先加工一组水平通透的穿孔。
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