礦用擴徑式吸能構件吸能防沖特性研究

第一作者楊巨文男，博士，高工，1969年5月生

郵箱：yjw8341@126.com

礦用擴徑式吸能構件吸能防沖特性研究

楊巨文1,2，唐治1，何峰，張瑩瑩1，于永江1

(1.遼寧工程技術大學礦業學院,遼寧阜新123000；2. 內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司,內蒙古錫林浩特026000)

摘要：為增強液壓立柱的防沖性能，有效防治煤礦沖擊地壓，或在一定程度上減小沖擊地壓事故造成的損失，提出了一種與液壓立柱結合使用的擴徑式吸能構件。采用理論分析和試驗研究方法，對構件吸能防沖特性進行研究，結果表明：軸向壓縮下擴徑式吸能構件具有非常好的穩定性和可重復性的變形破壞模式，且構件變形后向四周膨脹值僅為薄壁圓管厚度，幾乎不占用其它空間。擴徑式吸能構件壓縮過程中具有較為理想的力-位移曲線。擴徑式吸能構件沖程效率不受幾何尺寸影響，擴徑式防沖構件具有較小的載荷波動系數。理論推導得出了構件吸能防沖評價指標，并與試驗結果具有較好吻合，為構件選取提供了理論依據。擴徑式防沖構件是較為理想的吸能防沖構件。

關鍵詞：吸能防沖；沖擊地壓；擴徑式構件；試驗研究

基金項目：國家自然科學

收稿日期：2014-10-17修改稿收到日期：2014-12-02

中圖分類號:TD355+.3文獻標志碼：A

Energy absorption and anti-impact properties of mine diameter-expanding energy absorption components

YANGJu-wen1,2,TANGZhi1,HEFeng1,ZHANGYing-ying1,YUYong-jiang1(1.College of Mining Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China;2. Inner Mongolia Datang International Xilinhaote Mining Co., Ltd, Xilingol 026200,China)

Abstract:To enhance the anti-impact performance of hydraulic columns, prevent and control the rockburst in coal mine effectively or at a certain level and to reduce the losses caused by rockburst accident, a kind of diameter-expanding energy absorption components combined with the hydraulic columns was put forward. The energy absorption and anti-impact properties of the components were studied by using the methods of theory analysis and experimental study. The results showed that the diameter-expanding energy absorption components under axial pressure have an excellent stability and repeatability of deformation and failure modes; the expansion value of the components after deformation is only equal to the thickness of the thin-walled circular tube, and it doesn’t occupy any other space; the diameter-expanding energy absorption components have an ideal force-displacement curve in their compression process; their geometric size has no effect on their stroke efficiency, the diameter expanding anti-impact components have a smaller load fluctuation coefficient. The energy absorption and anti-impact evaluation index of the components was obtained through the theoretical derivation, and it agreed well with the experimental results. The study provided a theoretical basis for components selection. The diameter-expanding anti-impact components were ideal energy-absorption and anti-impact ones.

Key words:energy absorption and anti-imapct; rockburst; diameter-expanding component; experimental study

隨著我國國民經濟的迅速發展，煤炭的需求量不斷增加，煤礦開采深度和難度逐漸加大，沖擊地壓的發生越來越頻繁，煤礦沖擊地壓礦井越來越多，沖擊地壓造成的災害越來越嚴重[1]。近年來研究發現，大多數沖擊地壓發生在巷道中，而目前巷道支架大多沒有從防沖角度進行支護設計，抗沖擊載荷能力有限，不能滿足防沖支護發展要求。所以，巷道支架防沖設計成為一個重要課題。沖擊地壓的發生具有瞬時性、突發性和破壞性，同時伴隨著大量能量釋放，釋放沖擊能大到103MJ。如果把金屬薄壁結構作為支護部件應用于巷道支護結構中吸收沖擊能，可有效防治沖擊地壓，或在一定程度上保護巷道及其支護結構。基于此，潘一山等[2-3]提出將吸能構件用于液壓立柱，并設計了防沖液壓立柱。吸能構件是防沖液壓立柱最為重要的關鍵部件，構件壓縮過程中需要具有理想的力-位移曲線。

薄壁構件軸向壓潰是人們最早關注的吸能方式之一。薄壁構件形式簡單，受沖擊載荷作用后所產生的變形量遠遠大于其它傳統承載結構變形量，當薄壁防沖構件受到的外部沖擊載荷大于一定的閾值時，外部的沖擊能量轉換為構件的塑性變形能，從而達到吸收沖擊能量的目的[4]。近半個世紀以來，廣大科研工作者對金屬薄壁結構的沖擊行為進行了大量的研究工作[5]。從應用領域來看，主要應用在一般工業[6-8](汽車、船舶)、航空航天工業、高速公路安全防護等領域[9]，礦業領域應用研究較少。研究也主要集中在圓形管、多邊形管[10-11]、蜂窩管[12]、復合材料管[13-14]、泡沫填充管[15-16]、折紋管等的吸能效果研究。雖進行了大量研究，但目前還沒有找到較為理想的與液壓立柱結合使用的吸能構件。因此，提出一種礦用擴徑式吸能構件，并對其吸能防沖特性進行理論分析和試驗研究。

1吸能構件性能評價指標及設計

1.1　吸能構件性能評價指標

吸能防沖構件主要通過塑性變形來耗散圍巖沖擊能，采用以下主要指標來評估構件的防沖性能：壓潰峰值載荷Fmax、沖程效率SE、平均壓潰載荷Fmean、載荷波動系數Δ、總吸能E。

壓潰峰值載荷Fmax反映防沖構件承載力大小，通過構件的力-位移曲線得到。

沖程效率SE反應構件的塑性變形能力，沖程效率SE由有效變形讓位行程δ除以構件高度H得到，其定義為

(1)

平均壓潰載荷Fmean是反應構件整體受載荷水平，其定義為

(2)

式中，δ為構件有效變形讓位行程；F(s)為構件被壓縮距離為s時的力。

載荷波動系數Δ可對構件在防沖過程中載荷的平穩性進行有效評價，其定義為

(3)

總吸能E是構件壓潰變形過程中吸收的能量，可以通過載荷-位移曲線得到，其定義為

(4)

2.2　擴徑式吸能構件設計

擴徑式防沖構件由薄壁金屬圓管和上端部變徑壓模構成，分別如圖1(a)、(b)，薄壁圓管內徑2r0大于壓模上端直徑2r2，小于壓模下端直徑2r1，保證薄壁圓管能放在端部變徑壓模上方，如圖1(c)。擴徑過程為：端部變徑壓模下端固定，一垂直向下外力作用在薄壁圓管上端，隨外力增大，薄壁圓管下端與端部變徑壓模上端發生相對錯動，實現薄壁圓管半徑增大，如圖1(d)。薄壁圓管擴徑一段距離后，再往下壓縮過程中，單位時間內薄壁圓管擴徑區域大小保持不變，即在壓縮過程中，構件反力能保持恒定不變。

圖1　擴徑式防沖構件 Fig.1 Diameter expanding anti-impact components

2擴徑式吸能構件特性理論分析

在變形區用垂直薄壁圓管軸線的兩個平面截取一個圓環形基元體，如圖2，對薄壁圓管擴徑力進行解析。設薄壁圓管外徑為2R0，內徑為2r0，壁厚為t，擴徑變形后，外徑為2R1，內徑為2r1，端部變徑壓模錐角為α，軸向壓應力為σz，徑向壓應力為σn，環向拉應力為σθ。

基元體Z軸方向的平衡方程為：

(5)

略去高階微量，得：

(6)

式中μ為薄壁圓管內壁與端部變徑壓模的摩擦系數。

假設σr為圓環形基原體的徑向壓應力與摩擦應力的合應力，則可以引入下面關系式：

2πrσn(1-μtanα)dz

(7)

化簡得：

(8)

假設擴徑過程中薄壁圓管壁厚不變，則相應屈服條件為[17]：

σz+σθ=K

(9)

式中K為平面變形抗力，K=1.155σs；σs為材料屈服應力。

對半個圓環形基元體進行受力分析，如圖3所示。

圖2 擴徑及基元體Fig.2Diameterexpandingandprimitivebody圖3 半個圓環基元體的受力圖Fig.3Forcediagramofhalfacircleprimitivebody

垂直方向平衡方程為：

2σθt=∫π0σrrdθ·sinθ

(10)

將式(9)代入式(10)可得：

(11)

將式(11)代入式(8)可得：

(12)

將式(12)代入式(6)可得：

(13)

將式(13)積分，代入邊界條件R=R0,r=r0時，σz=0。得到薄壁圓管擴徑應力為：

(14)

由式(14)可得薄壁圓管擴徑所需的軸向峰值力為：

F=π(R02-r02)σz

(15)

即：

從式(16)得出，薄壁圓管擴徑力與圓管內徑、壁厚、材料屈服強度、壓模錐角、摩擦系數、擴徑后圓管內徑等有關。

可得擴徑式構件吸收能量為

(17)

式中L為薄壁圓管長度，δ為圓管壓縮距離。

擴徑式構件平均壓潰載荷為

(18)

載荷波動系數為

(19)

3擴徑式吸能構件特性試驗研究

3.1　試驗裝置和試件制備

采用微機控制電液伺服壓力試驗機(YAW-2000型)對構件進行準靜態壓縮實驗，加載系統工作額定值為2 000 kN，壓縮速率設置為0.4 mm/s。為研究擴徑式防沖構件承載力、反力變化規律、吸能特性及破壞的可重復性。采用45號鋼加工擴徑壓模，高150 mm，下端直徑為109 mm，上端直徑為95 mm，圓臺高40 mm，端部變徑壓模錐角為10°；采用Q235加工薄壁圓管，壁厚2 mm、內直徑100 mm、圓管高度150 mm。

3.2　試驗結果與分析

擴徑式吸能構件軸向壓潰變形試驗結果如圖4，軸向壓潰力-位移曲線、吸能特性曲線分別如圖5、6，實驗結果表明：①擴徑式防沖構件壓縮過程中具有穩定性和可重復性的變形破壞模式，向四周膨脹厚度僅為薄壁圓管厚度。②構件壓縮過程中反力變化趨勢大致分為二個階段。第一階段，薄壁圓管擴徑區域逐漸增大，構件反力逐漸增大。這一階段從壓縮開始，到薄壁圓管下端被壓縮到壓模定徑處結束。第二階段，薄壁圓管擴徑區域穩定，構件反力相對恒定。這一階段從第一階段結束開始，到薄壁圓管擴徑結束。③構件吸收能量變化趨勢也分為二個階段。第一階段薄壁圓管擴徑區域逐漸增大，反力逐漸增大，隨壓縮距離增加，吸能能量非線性增大。第二階段構件反力相對恒定，隨壓縮距離增加，吸能能量線性增大。④從構件力-位移曲線得出擴徑式防沖構件有以下兩個缺點，一是構件進入恒反力前需壓縮距離較大。二是壓入后不方便更換薄壁圓管。

圖4　防沖構件變形 Fig.4 Deformations of anti-impact components

圖5　力-位移曲線 Fig.5 Force-displacement curves

圖6　吸能特性曲線 Fig.6 Energy absorption characteristics curves

3.3　擴徑式防沖構件改進

為解決構件進入后不方便更換薄壁圓管問題，把壓摸下部分做了變薄處理，如圖7(a)。為解決構件壓縮距離較大才進入恒反力問題，把薄壁圓管一段做了預成型處理，如圖7(b)。改進后的擴徑式防沖構件如圖7(c)。考慮徑厚比對構件防沖性能的影響，采用Q235加工壁厚3 mm、4 mm、5 mm的薄壁圓管，內直徑100 mm、圓管高度150 mm，即對徑厚比分別為33.3、25、20的構件防沖性能進行研究。

圖7　改進的防沖構件 Fig.7 Modified anti-impact components

3.4　改進防沖構件實驗結果與分析

不同徑厚比的改進擴徑式防沖構件軸向壓潰力-位移曲線、吸能特性曲線分別如圖8、9，試驗結果表明壓縮過程中構件反力和吸能特性具有以下變化規律：①徑厚比對構件初始壓縮階段反力的恒穩性有較大影響，徑厚比為33.3、25時，構件反力較為恒定，具有較好的防沖構件性能；當徑厚比為20時，構件初始壓縮階段反力較小，壓縮一段距離后才進入恒反力階段，這是做預成型處理時，擴的區域較小所致。②改進后的構件壓縮后直接進入薄壁圓管擴徑區域穩定階段，有效解決了進入恒反力前需壓縮較大距離問題。③隨壓縮距離增加，吸收能量線性增大。

圖8　力-位移曲線 Fig.8 Force-displacement curves

圖9　吸能特性曲線 Fig.9 Energy absorption characteristics curves

不同徑厚比的擴徑式防沖構件壓潰峰值載荷、平均壓潰載荷、載荷波動系數、沖程效率和總吸能及理論值如表1，理論公式中材料屈服應力取235 MPa，摩擦系數取0.25。試驗結果表明構件防沖評價指標具有以下變化規律：①薄壁圓管內徑一定，徑厚比分別為33.3、25、20時，壓潰峰值載荷實驗與理論結果相對誤差分別為12、4、5；平均壓潰載荷相對誤差分別為19、7、4；總吸能相對誤差分別為19、7、4。說明理論預測與實驗結果有較好吻合。徑厚比較大時，理論預測誤差較大，主要是因理論公式假設擴徑過程中薄壁圓管壁厚不變造成。②隨徑厚比減小，即壁厚增加，構件壓潰峰值載荷、平均壓潰載荷和總吸能增大，且與壁厚有較好的線性關系。③擴徑式防沖構件沖程效率在50%左右，幾何尺寸對沖程效率沒有任何影響，擴徑式防沖構件具有較小的載荷波動系數。

通過試驗結果分析，改進后的防沖構件擴徑所需軸向峰值力不變，可將擴徑式構件吸收能量式(17)調整為

E=Fδ=1.15π(2r0t+t2)·

(20)

擴徑式構件平均壓潰載荷公式(18)調整為

(21)

載荷波動系數式(19)調整為

(22)

4結論

提出了一種礦用擴徑式吸能構件，并對其吸能防沖特性進行理論分析和試驗研究，主要得出以下結論：

(1)軸向壓縮下擴徑式吸能構件具有非常好的穩定性和可重復性的變形破壞模式，構件擴徑變形后向四周膨脹值僅為薄壁圓管厚度，幾乎不占用其它空間。

(2)擴徑式吸能構件壓縮過程中反力變化趨勢大致分為擴徑區域逐漸增大、擴徑區域穩定二個階段。構件反力沒有出現波動性，是較為理想的力-位移曲線。

(3)擴徑式吸能構件沖程效率為50%，幾何尺寸對沖程效率沒有任何影響，擴徑式防沖構件具有較小的載荷波動系數。

(4)理論分析結果與試驗結果的擴徑式吸能構件評價指標有較好的吻合，并根據試驗結果修訂了理論公式，為構件選取提供了理論依據。

擴徑式防沖構件是較為理想的吸能防沖構件，其與現有支架立柱結合使用，可增強立柱防沖性能。

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