CN114320391A - 一种让抗一体防冲吸能装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种让抗一体防冲吸能装置及方法，该装置包括连接环、防偏柱、防偏缸、防冲构件、防偏座和铰接头。防冲构件包括负泊松比结构Ⅰ、负泊松比结构Ⅱ和负泊松比结构Ⅲ，负泊松比结构芯层Ⅰ和负泊松比结构芯层Ⅲ内均填充有剪切增稠液。当受到冲击载荷时，利用防冲构件的剪切增稠液变硬效果以及负泊松比结构的弹塑性变形吸收能量，其缓冲吸能作用可以快速有效降低冲击载荷对支护装置的压力，确保支护装置承受的压力控制在允许范围内，提高了支护装置的支护性能和吸能防冲性能，有利于维护矿井巷道与地下空间稳定。
Description
技术领域
本发明涉及矿山安全与地下空间支护领域，具体涉及一种让抗一体防冲吸能装置及方法。
背景技术
近年来，我国浅部煤炭资源日益减少，煤矿开采逐步由浅部煤层转向深部煤层。深部煤层受“三高一扰动”的影响，巷道的地质环境条件极其复杂，巷道面临冲击地压的风险日益增大，严重制约了煤矿安全高效生产。与此同时，随着我国经济社会的发展，基础建设力度逐年增大，山岭隧道、引水隧洞、轨道交通等地下工程也存在岩爆现象频发的问题。在矿井支护方面，刚柔一体化吸能支护技术在冲击地压的防治中得到了广泛的应用，并取得了较大的成效，吸能防冲液压支架是一体化支护体系的重要组成部分。但现有吸能防冲液压支架的吸能器长期处于压缩状态，在多次小冲击载荷下易发生疲劳破坏，吸能性能减弱；此外，在较小冲击载荷作用下，吸能器无法通过变形达到吸能作用，致使液压支柱瞬时支撑压力增大，虽未发生明显变形，但易发生疲劳破坏，降低液压支架支护阻力，影响吸能防冲支架的吸能性能和支护性能。因此，亟需对现有的液压支架防冲吸能器做出改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种让抗一体防冲吸能装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种让抗一体防冲吸能装置，包括连接环、防偏柱、防偏缸、防冲构件、防偏座和铰接头。
所述连接环的下表面与防偏缸的上端连接，防偏缸的下端与铰接头连接。
所述防偏柱、防冲构件和防偏座均安装到防偏缸内，防冲构件的上端与防偏柱抵紧，下端与防偏座抵紧。
所述防冲构件包括负泊松比结构Ⅰ、负泊松比结构Ⅱ和负泊松比结构Ⅲ，负泊松比结构Ⅰ包括负泊松比结构芯层Ⅰ以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅰ上下表面的上面板Ⅰ和下面板Ⅰ。
负泊松比结构Ⅱ包括负泊松比结构芯层Ⅱ以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅱ上下表面的上面板Ⅱ和下面板Ⅱ。
负泊松比结构Ⅲ包括负泊松比结构芯层Ⅲ以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅲ上下表面的上面板Ⅲ和下面板Ⅲ。
所述上面板Ⅰ与防偏柱的下表面抵紧，下面板Ⅰ与上面板Ⅱ粘合，下面板Ⅱ与上面板Ⅲ粘合，下面板Ⅲ的下表面与防偏座的上表面抵紧。
所述负泊松比结构芯层Ⅰ包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅱ包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅲ包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅰ和负泊松比结构芯层Ⅲ内每个单胞均填充有剪切增稠液并密封处理。
进一步，所述负泊松比结构芯层Ⅱ上安装有应力传感器，应力传感器与支护装置的安全阀连接，当应力传感器监测到负泊松比结构芯层Ⅱ承受荷载达到设定临界值时，安全阀开始排液。
进一步，所述负泊松比结构芯层Ⅰ、负泊松比结构芯层Ⅱ和负泊松比结构芯层Ⅲ的材料均为不锈钢，上面板Ⅰ、下面板Ⅰ、上面板Ⅱ、下面板Ⅱ、上面板Ⅲ和下面板Ⅲ的材料相同且均为铝或FRP。
进一步，所述剪切增稠液为纳米二氧化硅颗粒和聚乙二醇的混合液。
一种让抗一体防冲吸能方法，基于上述的装置，当所述防冲构件遭受冲击或挤压时，负泊松比结构芯层Ⅰ和负泊松比结构芯层Ⅲ内的剪切增稠液变硬并与负泊松比结构芯层Ⅱ共同抵抗冲击，应力传感器监测负泊松比结构芯层Ⅱ承受的荷载。当所述应力传感器的监测值达到设定临界值时，支护装置的安全阀开始排液泄压。
本发明的有益效果在于：
1.本发明充填的剪切增稠液是一种新型智能材料，根据剪切增稠液的特性制造的防冲吸能器，在一定范围内的冲击下，剪切增稠液通过变硬吸收冲击，同时提高防冲吸能器的刚性强度；在冲击载荷消失后，恢复到原有状态，有效避免疲劳损坏，使用寿命显著提升；
2.本发明充填的剪切增稠液对剪切应变十分敏感，因此在工作时不需要像电流变材料或磁流变材料需外加电场或磁场，使得本防冲吸能器为无源器件，可以实现冲击载荷下的自启动；
3.在防冲吸能器的防冲构件中部安装应力传感器并连接到其他支护装置安全阀，使得防冲吸能器的防冲构件作为安全阀的启动装置，能够有效减少安全阀的响应时间，同时，能够避免安全阀在防冲构件的承受范围内启动安全阀，降低安全阀的消耗率；
4.在防冲吸能器的防冲构件中部安装应力传感器，可以实时监测冲击载荷对防冲吸能的应力作用，收集信息，为后期对冲击地压的监测、预测以及防治研究提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明的一种让抗一体防冲吸能装置的示意图；
图2为防冲构件的示意图。
图中：连接环1、防偏柱2、防偏缸3、防冲构件4、防偏座5、铰接头6、负泊松比结构Ⅰ7、负泊松比结构Ⅱ8、负泊松比结构Ⅲ9、上面板Ⅰ10、下面板Ⅰ11、上面板Ⅱ12、下面板Ⅱ13、上面板Ⅲ14、下面板Ⅲ15、负泊松比结构芯层Ⅰ16、负泊松比结构芯层Ⅱ17、负泊松比结构芯层Ⅲ18和应力传感器19。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种让抗一体防冲吸能装置，将其应用于矿山支护的液压支架中，包括设置在液压支架底座和液压支柱之间的连接环1、防偏柱2、防偏缸3、防冲构件4、防偏座5和铰接头6。
所述连接环1的上表面与液压支柱连接，下表面与防偏缸3的上端连接，防偏缸3的下端与铰接头6连接，铰接头6铰接在液压支架底座上。
参见图1，所述防偏柱2、防冲构件4和防偏座5均安装到防偏缸3内，防冲构件4的上端与防偏柱2抵紧，下端与防偏座5抵紧。
所述防冲构件4包括负泊松比结构Ⅰ7、负泊松比结构Ⅱ8和负泊松比结构Ⅲ9，参见图2，负泊松比结构Ⅰ7包括负泊松比结构芯层Ⅰ16以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅰ16上下表面的上面板Ⅰ10和下面板Ⅰ11。
负泊松比结构Ⅱ8包括负泊松比结构芯层Ⅱ17以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅱ17上下表面的上面板Ⅱ12和下面板Ⅱ13，负泊松比结构芯层Ⅱ17上安装有应力传感器19，应力传感器19与液压支架的安全阀连接。
负泊松比结构Ⅲ9包括负泊松比结构芯层Ⅲ18以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅲ18上下表面的上面板Ⅲ14和下面板Ⅲ15。
所述上面板Ⅰ10与防偏柱2的下表面抵紧，下面板Ⅰ11与上面板Ⅱ12粘合，下面板Ⅱ13与上面板Ⅲ14粘合，下面板Ⅲ15的下表面与防偏座5的上表面抵紧。所述上面板Ⅰ10、下面板Ⅰ11、上面板Ⅱ12、下面板Ⅱ13、上面板Ⅲ14和下面板Ⅲ15均与液压支柱的轴线垂直。
所述负泊松比结构芯层Ⅰ16、负泊松比结构芯层Ⅱ17和负泊松比结构芯层Ⅲ18的材料均为不锈钢，上面板Ⅰ10、下面板Ⅰ11、上面板Ⅱ12、下面板Ⅱ13、上面板Ⅲ14和下面板Ⅲ15的材料相同且均为铝或FRP，铝和FRP均具有较高的强度。所述负泊松比结构芯层Ⅰ16包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅱ17包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅲ18包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅰ16和负泊松比结构芯层Ⅲ18内每个单胞均填充有剪切增稠液并采用高强度塑料薄膜密封好，剪切增稠液为纳米二氧化硅颗粒和聚乙二醇的混合液，剪切增稠液在冲击地压发生瞬间变硬，在吸收大量能量的同时，刚性支撑增强，为负泊松比结构提供竖向支撑，增强负泊松比结构承载力，改善吸能结构整体性能，高强度塑料薄膜密封能有效防止负泊松比结构芯层剪切变形引起剪切增稠液渗漏。所述负泊松比结构芯层Ⅱ17无需充填剪切增稠液，负泊松比结构芯层Ⅱ17在局部压缩时胞元呈现出内凹的变形模式，应力扩散效果好，降低薄弱点和薄弱面出现的可能性，整体结构的受力更加合理，压痕阻力与抗冲击能力均有所提升。
当应力传感器19监测到负泊松比结构芯层Ⅱ17承受荷载达到设定临界值时，安全阀开始排液泄压，承受荷载的设定临界值需要提前测定所述负泊松比结构芯层Ⅱ17开始变形时的防冲构件4所受的应力值σ，设定临界值σ0＝0.8σ，所述应力传感器19，其数据应得到实时监控，并进行收集，为后期对冲击地压的监测、预测以及防治研究提供数据支撑。
在冲击载荷较小时，所述负泊松比结构Ⅰ7和负泊松比结构Ⅲ9中的剪切增稠液在冲击瞬间变硬，在吸收大量能量的同时，刚性支撑增强，为负泊松比结构提供竖向支撑，增强负泊松比结构承载力，改善吸能结构整体性能。避免疲劳损坏的发生，防止液压支架支护阻力的下降。
在冲击载荷较大时，所述负泊松比结构Ⅰ7和负泊松比结构Ⅲ9中的剪切增稠液在冲击瞬间变硬；同时，所述负泊松比结构Ⅱ8受到局部压缩，胞元呈现出内凹的变形模式，应力扩散效果好，降低薄弱点和薄弱面出现的可能性，整体结构的受力更加合理，使得压痕阻力与抗冲击能力均有所提升，吸能器即时吸能缓冲，避免损坏液压支架主体；
此外，在所述负泊松比结构Ⅱ8发生压缩变形的同时，安装在其中部的应力传感器19监测到负泊松比结构Ⅱ8达到设定临界值σ0，将信号传递到安全阀，使安全阀开始排液，缩短安全阀排液响应时间，并对应变传感器19数据实时监控，收集数据并储存，为后期对冲击地压的监测、预测以及防治研究提供数据支撑。
值得说明的是，本发明装置受到冲击载荷时，利用防冲构件的剪切增稠液变硬效果以及负泊松比结构的弹塑性变形吸收能量，其缓冲吸能作用可以快速有效降低冲击载荷对液压支架的压力，确保液压支柱承受的压力控制在允许范围内，提高了液压支架的支护性能和吸能防冲性能，有利于维护矿井巷道稳定。
实施例2：
本实施例公开了一种让抗一体防冲吸能方法，基于实施例1所述的装置，当所述防冲构件4遭受冲击或挤压时，负泊松比结构芯层Ⅰ16和负泊松比结构芯层Ⅲ18内的剪切增稠液变硬并与负泊松比结构芯层Ⅱ17共同抵抗冲击，应力传感器19监测负泊松比结构芯层Ⅱ17承受的荷载；当所述应力传感器19的监测值达到设定临界值时，支护装置的安全阀开始排液泄压。
实施例3：
本实施例公开了一种让抗一体防冲吸能装置，包括连接环1、防偏柱2、防偏缸3、防冲构件4、防偏座5和铰接头6。
所述连接环1的下表面与防偏缸3的上端连接，防偏缸3的下端与铰接头6连接。
所述防偏柱2、防冲构件4和防偏座5均安装到防偏缸3内，防冲构件4的上端与防偏柱2抵紧，下端与防偏座5抵紧。
所述防冲构件4包括负泊松比结构Ⅰ7、负泊松比结构Ⅱ8和负泊松比结构Ⅲ9，负泊松比结构Ⅰ7包括负泊松比结构芯层Ⅰ16以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅰ16上下表面的上面板Ⅰ10和下面板Ⅰ11。
负泊松比结构Ⅱ8包括负泊松比结构芯层Ⅱ17以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅱ17上下表面的上面板Ⅱ12和下面板Ⅱ13。
负泊松比结构Ⅲ9包括负泊松比结构芯层Ⅲ18以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅲ18上下表面的上面板Ⅲ14和下面板Ⅲ15。
所述上面板Ⅰ10与防偏柱2的下表面抵紧，下面板Ⅰ11与上面板Ⅱ12粘合，下面板Ⅱ13与上面板Ⅲ14粘合，下面板Ⅲ15的下表面与防偏座5的上表面抵紧。
所述负泊松比结构芯层Ⅰ16包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅱ17包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅲ18包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅰ16和负泊松比结构芯层Ⅲ18内每个单胞均填充有剪切增稠液并密封处理。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述负泊松比结构芯层Ⅱ17上安装有应力传感器19，应力传感器19与支护装置的安全阀连接，当应力传感器19监测到负泊松比结构芯层Ⅱ17承受荷载达到设定临界值时，安全阀开始排液。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述负泊松比结构芯层Ⅰ16、负泊松比结构芯层Ⅱ17和负泊松比结构芯层Ⅲ18的材料均为不锈钢，所述上面板Ⅰ10、下面板Ⅰ11、上面板Ⅱ12、下面板Ⅱ13、上面板Ⅲ14和下面板Ⅲ15的材料相同且均为铝或FRP。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述剪切增稠液为纳米二氧化硅颗粒和聚乙二醇的混合液。
Claims (5)
1.一种让抗一体防冲吸能装置，其特征在于：包括连接环(1)、防偏柱(2)、防偏缸(3)、防冲构件(4)、防偏座(5)和铰接头(6)；
所述连接环(1)的下表面与防偏缸(3)的上端连接，防偏缸(3)的下端与铰接头(6)连接；
所述防偏柱(2)、防冲构件(4)和防偏座(5)均安装到防偏缸(3)内，防冲构件(4)的上端与防偏柱(2)抵紧，下端与防偏座(5)抵紧；
所述防冲构件(4)包括负泊松比结构Ⅰ(7)、负泊松比结构Ⅱ(8)和负泊松比结构Ⅲ(9)，负泊松比结构Ⅰ(7)包括负泊松比结构芯层Ⅰ(16)以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅰ(16)上下表面的上面板Ⅰ(10)和下面板Ⅰ(11)；
负泊松比结构Ⅱ(8)包括负泊松比结构芯层Ⅱ(17)以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅱ(17)上下表面的上面板Ⅱ(12)和下面板Ⅱ(13)；
负泊松比结构Ⅲ(9)包括负泊松比结构芯层Ⅲ(18)以及分别连接在负泊松比结构芯层Ⅲ(18)上下表面的上面板Ⅲ(14)和下面板Ⅲ(15)；
所述上面板Ⅰ(10)与防偏柱(2)的下表面抵紧，下面板Ⅰ(11)与上面板Ⅱ(12)粘合，下面板Ⅱ(13)与上面板Ⅲ(14)粘合，下面板Ⅲ(15)的下表面与防偏座(5)的上表面抵紧；
所述负泊松比结构芯层Ⅰ(16)包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅱ(17)包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅲ(18)包括相互连接的若干单胞结构，负泊松比结构芯层Ⅰ(16)和负泊松比结构芯层Ⅲ(18)内每个单胞均填充有剪切增稠液并密封处理。
2.根据权利要求1所述的一种让抗一体防冲吸能装置，其特征在于：所述负泊松比结构芯层Ⅱ(17)上安装有应力传感器(19)，应力传感器(19)与支护装置的安全阀连接，当应力传感器(19)监测到负泊松比结构芯层Ⅱ(17)承受荷载达到设定临界值时，安全阀开始排液。
3.根据权利要求1所述的一种让抗一体防冲吸能装置，其特征在于：所述负泊松比结构芯层Ⅰ(16)、负泊松比结构芯层Ⅱ(17)和负泊松比结构芯层Ⅲ(18)的材料均为不锈钢，所述上面板Ⅰ(10)、下面板Ⅰ(11)、上面板Ⅱ(12)、下面板Ⅱ(13)、上面板Ⅲ(14)和下面板Ⅲ(15)的材料相同且均为铝或FRP。
4.根据权利要求1所述的一种让抗一体防冲吸能装置，其特征在于：所述剪切增稠液为纳米二氧化硅颗粒和聚乙二醇的混合液。
5.一种让抗一体防冲吸能方法，基于权利要求1～4任意一项所述的装置，其特征在于：当所述防冲构件(4)遭受冲击或挤压时，负泊松比结构芯层Ⅰ(16)和负泊松比结构芯层Ⅲ(18)内的剪切增稠液变硬并与负泊松比结构芯层Ⅱ(17)共同抵抗冲击，应力传感器(19)监测负泊松比结构芯层Ⅱ(17)承受的荷载；当所述应力传感器(19)的监测值达到设定临界值时，支护装置的安全阀开始排液泄压。
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2021
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114320391B (zh) | 2024-04-30 |
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