矿用扩径式吸能构件吸能防冲特性研究

第一作者杨巨文男，博士，高工，1969年5月生

邮箱：yjw8341@126.com

矿用扩径式吸能构件吸能防冲特性研究

杨巨文1,2，唐治1，何峰，张莹莹1，于永江1

(1.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁阜新123000；2. 内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司,内蒙古锡林浩特026000)

摘要：为增强液压立柱的防冲性能，有效防治煤矿冲击地压，或在一定程度上减小冲击地压事故造成的损失，提出了一种与液压立柱结合使用的扩径式吸能构件。采用理论分析和试验研究方法，对构件吸能防冲特性进行研究，结果表明：轴向压缩下扩径式吸能构件具有非常好的稳定性和可重复性的变形破坏模式，且构件变形后向四周膨胀值仅为薄壁圆管厚度，几乎不占用其它空间。扩径式吸能构件压缩过程中具有较为理想的力-位移曲线。扩径式吸能构件冲程效率不受几何尺寸影响，扩径式防冲构件具有较小的载荷波动系数。理论推导得出了构件吸能防冲评价指标，并与试验结果具有较好吻合，为构件选取提供了理论依据。扩径式防冲构件是较为理想的吸能防冲构件。

关键词：吸能防冲；冲击地压；扩径式构件；试验研究

基金项目：国家自然科学

收稿日期：2014-10-17修改稿收到日期：2014-12-02

中图分类号:TD355+.3文献标志码：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

随着我国国民经济的迅速发展，煤炭的需求量不断增加，煤矿开采深度和难度逐渐加大，冲击地压的发生越来越频繁，煤矿冲击地压矿井越来越多，冲击地压造成的灾害越来越严重[1]。近年来研究发现，大多数冲击地压发生在巷道中，而目前巷道支架大多没有从防冲角度进行支护设计，抗冲击载荷能力有限，不能满足防冲支护发展要求。所以，巷道支架防冲设计成为一个重要课题。冲击地压的发生具有瞬时性、突发性和破坏性，同时伴随着大量能量释放，释放冲击能大到103MJ。如果把金属薄壁结构作为支护部件应用于巷道支护结构中吸收冲击能，可有效防治冲击地压，或在一定程度上保护巷道及其支护结构。基于此，潘一山等[2-3]提出将吸能构件用于液压立柱，并设计了防冲液压立柱。吸能构件是防冲液压立柱最为重要的关键部件，构件压缩过程中需要具有理想的力-位移曲线。

薄壁构件轴向压溃是人们最早关注的吸能方式之一。薄壁构件形式简单，受冲击载荷作用后所产生的变形量远远大于其它传统承载结构变形量，当薄壁防冲构件受到的外部冲击载荷大于一定的阈值时，外部的冲击能量转换为构件的塑性变形能，从而达到吸收冲击能量的目的[4]。近半个世纪以来，广大科研工作者对金属薄壁结构的冲击行为进行了大量的研究工作[5]。从应用领域来看，主要应用在一般工业[6-8](汽车、船舶)、航空航天工业、高速公路安全防护等领域[9]，矿业领域应用研究较少。研究也主要集中在圆形管、多边形管[10-11]、蜂窝管[12]、复合材料管[13-14]、泡沫填充管[15-16]、折纹管等的吸能效果研究。虽进行了大量研究，但目前还没有找到较为理想的与液压立柱结合使用的吸能构件。因此，提出一种矿用扩径式吸能构件，并对其吸能防冲特性进行理论分析和试验研究。

1吸能构件性能评价指标及设计

1.1　吸能构件性能评价指标

吸能防冲构件主要通过塑性变形来耗散围岩冲击能，采用以下主要指标来评估构件的防冲性能：压溃峰值载荷Fmax、冲程效率SE、平均压溃载荷Fmean、载荷波动系数Δ、总吸能E。

压溃峰值载荷Fmax反映防冲构件承载力大小，通过构件的力-位移曲线得到。

冲程效率SE反应构件的塑性变形能力，冲程效率SE由有效变形让位行程δ除以构件高度H得到，其定义为

(1)

平均压溃载荷Fmean是反应构件整体受载荷水平，其定义为

(2)

式中，δ为构件有效变形让位行程；F(s)为构件被压缩距离为s时的力。

载荷波动系数Δ可对构件在防冲过程中载荷的平稳性进行有效评价，其定义为

(3)

总吸能E是构件压溃变形过程中吸收的能量，可以通过载荷-位移曲线得到，其定义为

(4)

2.2　扩径式吸能构件设计

扩径式防冲构件由薄壁金属圆管和上端部变径压模构成，分别如图1(a)、(b)，薄壁圆管内径2r0大于压模上端直径2r2，小于压模下端直径2r1，保证薄壁圆管能放在端部变径压模上方，如图1(c)。扩径过程为：端部变径压模下端固定，一垂直向下外力作用在薄壁圆管上端，随外力增大，薄壁圆管下端与端部变径压模上端发生相对错动，实现薄壁圆管半径增大，如图1(d)。薄壁圆管扩径一段距离后，再往下压缩过程中，单位时间内薄壁圆管扩径区域大小保持不变，即在压缩过程中，构件反力能保持恒定不变。

图1　扩径式防冲构件 Fig.1 Diameter expanding anti-impact components

2扩径式吸能构件特性理论分析

在变形区用垂直薄壁圆管轴线的两个平面截取一个圆环形基元体，如图2，对薄壁圆管扩径力进行解析。设薄壁圆管外径为2R0，内径为2r0，壁厚为t，扩径变形后，外径为2R1，内径为2r1，端部变径压模锥角为α，轴向压应力为σz，径向压应力为σn，环向拉应力为σθ。

基元体Z轴方向的平衡方程为：

(5)

略去高阶微量，得：

(6)

式中μ为薄壁圆管内壁与端部变径压模的摩擦系数。

假设σr为圆环形基原体的径向压应力与摩擦应力的合应力，则可以引入下面关系式：

2πrσn(1-μtanα)dz

(7)

化简得：

(8)

假设扩径过程中薄壁圆管壁厚不变，则相应屈服条件为[17]：

σz+σθ=K

(9)

式中K为平面变形抗力，K=1.155σs；σs为材料屈服应力。

对半个圆环形基元体进行受力分析，如图3所示。

图2 扩径及基元体Fig.2Diameterexpandingandprimitivebody图3 半个圆环基元体的受力图Fig.3Forcediagramofhalfacircleprimitivebody

垂直方向平衡方程为：

2σθt=∫π0σrrdθ·sinθ

(10)

将式(9)代入式(10)可得：

(11)

将式(11)代入式(8)可得：

(12)

将式(12)代入式(6)可得：

(13)

将式(13)积分，代入边界条件R=R0,r=r0时，σz=0。得到薄壁圆管扩径应力为：

(14)

由式(14)可得薄壁圆管扩径所需的轴向峰值力为：

F=π(R02-r02)σz

(15)

即：

从式(16)得出，薄壁圆管扩径力与圆管内径、壁厚、材料屈服强度、压模锥角、摩擦系数、扩径后圆管内径等有关。

可得扩径式构件吸收能量为

(17)

式中L为薄壁圆管长度，δ为圆管压缩距离。

扩径式构件平均压溃载荷为

(18)

载荷波动系数为

(19)

3扩径式吸能构件特性试验研究

3.1　试验装置和试件制备

采用微机控制电液伺服压力试验机(YAW-2000型)对构件进行准静态压缩实验，加载系统工作额定值为2 000 kN，压缩速率设置为0.4 mm/s。为研究扩径式防冲构件承载力、反力变化规律、吸能特性及破坏的可重复性。采用45号钢加工扩径压模，高150 mm，下端直径为109 mm，上端直径为95 mm，圆台高40 mm，端部变径压模锥角为10°；采用Q235加工薄壁圆管，壁厚2 mm、内直径100 mm、圆管高度150 mm。

3.2　试验结果与分析

扩径式吸能构件轴向压溃变形试验结果如图4，轴向压溃力-位移曲线、吸能特性曲线分别如图5、6，实验结果表明：①扩径式防冲构件压缩过程中具有稳定性和可重复性的变形破坏模式，向四周膨胀厚度仅为薄壁圆管厚度。②构件压缩过程中反力变化趋势大致分为二个阶段。第一阶段，薄壁圆管扩径区域逐渐增大，构件反力逐渐增大。这一阶段从压缩开始，到薄壁圆管下端被压缩到压模定径处结束。第二阶段，薄壁圆管扩径区域稳定，构件反力相对恒定。这一阶段从第一阶段结束开始，到薄壁圆管扩径结束。③构件吸收能量变化趋势也分为二个阶段。第一阶段薄壁圆管扩径区域逐渐增大，反力逐渐增大，随压缩距离增加，吸能能量非线性增大。第二阶段构件反力相对恒定，随压缩距离增加，吸能能量线性增大。④从构件力-位移曲线得出扩径式防冲构件有以下两个缺点，一是构件进入恒反力前需压缩距离较大。二是压入后不方便更换薄壁圆管。

图4　防冲构件变形 Fig.4 Deformations of anti-impact components

图5　力-位移曲线 Fig.5 Force-displacement curves

图6　吸能特性曲线 Fig.6 Energy absorption characteristics curves

3.3　扩径式防冲构件改进

为解决构件进入后不方便更换薄壁圆管问题，把压摸下部分做了变薄处理，如图7(a)。为解决构件压缩距离较大才进入恒反力问题，把薄壁圆管一段做了预成型处理，如图7(b)。改进后的扩径式防冲构件如图7(c)。考虑径厚比对构件防冲性能的影响，采用Q235加工壁厚3 mm、4 mm、5 mm的薄壁圆管，内直径100 mm、圆管高度150 mm，即对径厚比分别为33.3、25、20的构件防冲性能进行研究。

图7　改进的防冲构件 Fig.7 Modified anti-impact components

3.4　改进防冲构件实验结果与分析

不同径厚比的改进扩径式防冲构件轴向压溃力-位移曲线、吸能特性曲线分别如图8、9，试验结果表明压缩过程中构件反力和吸能特性具有以下变化规律：①径厚比对构件初始压缩阶段反力的恒稳性有较大影响，径厚比为33.3、25时，构件反力较为恒定，具有较好的防冲构件性能；当径厚比为20时，构件初始压缩阶段反力较小，压缩一段距离后才进入恒反力阶段，这是做预成型处理时，扩的区域较小所致。②改进后的构件压缩后直接进入薄壁圆管扩径区域稳定阶段，有效解决了进入恒反力前需压缩较大距离问题。③随压缩距离增加，吸收能量线性增大。

图8　力-位移曲线 Fig.8 Force-displacement curves

图9　吸能特性曲线 Fig.9 Energy absorption characteristics curves

不同径厚比的扩径式防冲构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷、载荷波动系数、冲程效率和总吸能及理论值如表1，理论公式中材料屈服应力取235 MPa，摩擦系数取0.25。试验结果表明构件防冲评价指标具有以下变化规律：①薄壁圆管内径一定，径厚比分别为33.3、25、20时，压溃峰值载荷实验与理论结果相对误差分别为12、4、5；平均压溃载荷相对误差分别为19、7、4；总吸能相对误差分别为19、7、4。说明理论预测与实验结果有较好吻合。径厚比较大时，理论预测误差较大，主要是因理论公式假设扩径过程中薄壁圆管壁厚不变造成。②随径厚比减小，即壁厚增加，构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能增大，且与壁厚有较好的线性关系。③扩径式防冲构件冲程效率在50%左右，几何尺寸对冲程效率没有任何影响，扩径式防冲构件具有较小的载荷波动系数。

通过试验结果分析，改进后的防冲构件扩径所需轴向峰值力不变，可将扩径式构件吸收能量式(17)调整为

E=Fδ=1.15π(2r0t+t2)·

(20)

扩径式构件平均压溃载荷公式(18)调整为

(21)

载荷波动系数式(19)调整为

(22)

4结论

提出了一种矿用扩径式吸能构件，并对其吸能防冲特性进行理论分析和试验研究，主要得出以下结论：

(1)轴向压缩下扩径式吸能构件具有非常好的稳定性和可重复性的变形破坏模式，构件扩径变形后向四周膨胀值仅为薄壁圆管厚度，几乎不占用其它空间。

(2)扩径式吸能构件压缩过程中反力变化趋势大致分为扩径区域逐渐增大、扩径区域稳定二个阶段。构件反力没有出现波动性，是较为理想的力-位移曲线。

(3)扩径式吸能构件冲程效率为50%，几何尺寸对冲程效率没有任何影响，扩径式防冲构件具有较小的载荷波动系数。

(4)理论分析结果与试验结果的扩径式吸能构件评价指标有较好的吻合，并根据试验结果修订了理论公式，为构件选取提供了理论依据。

扩径式防冲构件是较为理想的吸能防冲构件，其与现有支架立柱结合使用，可增强立柱防冲性能。

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