防冲液压支架点阵吸能结构设计及其性能分析

沈佳兴, 徐平, 范中海, 于英华

(1. 辽宁工程技术大学 矿产资源开发利用技术及装备研究院,辽宁阜新 123000;2. 辽宁工程技术大学 机械工程学院,辽宁阜新 123000)

煤矿井下冲击地压是指井下巷道及采掘工作面具有高弹性势能的煤岩在外界因素影响下,弹性势能瞬间猛烈释放并导致煤岩爆裂并弹射的现象,冲击地压是煤矿井下开采活动面临的主要安全隐患之一[1-3]。在冲击地压事故中巷道是易破坏位置,如:2011年,河南千秋煤矿的重大冲击地压事故,致使其长达380 m的巷道破坏严重甚至巷道完全合拢;山东新汶矿业集团累计发生冲击地压事故500余起,累计破坏巷道超过2 km,摧毁巷道超过600 m,经济损失达到1亿元;阜新矿业集团在计的破坏性冲击地压事故发生323次,破坏巷道高达达2×104m[4]。传统解决冲击地压的方法是采用锚杆锚索网支护、U型钢支撑及门式液压支架等方式提高支护强度进而减少冲击地压的发生次数[5-6];但相关研究发现上述方式支护的巷道虽然冲击地压发生次数减少,但在某些情况下依然会发生冲击地压且随着支护应力的提高冲击地压的破坏程度会更加严重。

为解决上述问题,潘一山等提出让位吸能防冲击理论,该理论的思路是在支护设备中设计一个或多个强度相对较低的冲击吸能装置,利用该装置的弹塑性变形及时吸收煤岩的冲击能量避免冲击地压的发生[1]。根据该理论,文献[1-2]设计一种曲壳折棱管的让位吸能装置、文献[7]设计一种变梯度薄壁吸能装置、文献[4]设计一种外翻型直纹管吸能装置。上述研究深入且得到一定应用并取得可喜的效果,但也存在如抗冲击吸能量有待提高,让位吸能阶段支撑力波动较大等问题。

为此,本文设计一种支架用点阵让位吸能装置,点阵结构不但具有抗冲击,高吸能特点,还具有让位阻力稳定等优点[8-11]。本文采用对比分析方式确定最佳点阵吸能装置的拓扑结构,并采用正交实验的方式分析点阵结构参数对吸能量大小及支撑力的影响规律并确定最佳的结构参数,以获得最佳拓扑结构及最佳结构参数的让位吸能装置,进而提高防冲液压支架的安全性。

1 防冲液压支架点阵吸能装置

防冲液压支架是在支架液压立柱底部安装能够轴向压缩的吸能装置,在吸能装置的内部安置有点阵材料吸能芯体。当来压作用到支架上时,冲击力通过液压立柱底部的压缩杆作用到点阵吸能芯体上,芯体压缩吸收冲击能,保护支架的其他结构,点阵吸能装置如图1所示。本文以ZHDF4150/31/40巷道门式吸能防冲液压支架为研究对象,该支架的工作阻力Fr=4 150 kN,液压立柱的缸体内径D为230 mm,吸能装置的极限安装长度L=350 mm。

图1 点阵吸能装置

2 点阵结构胞体单元压缩性能分析

点阵材料是一种新型多孔材料,其与常规多孔材料的本质不同是具有周期排列的孔或孔穴[12-13]。常见的点阵材料胞体的拓扑结构有:类圆锥壳体、金字塔形、X形等结构[14],如图2所示。

图2 点阵材料胞体拓扑结构

为确定让位吸能装置的最佳拓扑点阵胞体结构,分别研究类圆锥壳体、金字塔形、X形的胞体压缩力学性能,为使研究有可比性,设图1中各胞体的高度h和胞体底部尺寸l均为20 mm,金字塔胞体的杆直径为5 mm,X形的钢板厚2 mm,类圆锥体的壳厚1 mm。利用三维建模软件计算类圆锥胞体的质量为5.25 g,金字塔胞体的质量为10.7 g,X形胞体的质量为17.1 g。

因为胞体压缩过程为塑性大变形,所以采用ANSYS Workbench软件中的Explicit Dynamics模块进行分析[15]。胞体的材料为钢,分析时直接调用软件材料库中的Steel 4340模型模拟。根据文献[1]可知井下冲击地压发生时围岩的冲击速度为0.1～5 m/s,因此设置上压头的压缩速度设为5 m/s,并设置下压头完全约束,并将上下压头均设为刚体,类圆锥分析时的有限元模型如图3所示。

图3 有限元分析模型

分析胞体在高度方向压缩比为75%时胞体吸收的变形能量和胞体产生的支撑力,各种胞体的压缩过程如图4所示,图4中单位为MPa。

图4 压缩变形过程

根据图4a)可知:类圆锥屈曲变形是先上端内凹且上端直径扩大,通过材料的内屈曲及扩径吸收能量,当变形到一定程度时,胞体中间位置内凹(图4(a4)),随着压缩继续,类圆锥体上端部的变形区域将插入类圆锥体下端直径较大区域(图4(a5))。金字塔胞体的变形主要为4根圆柱足的屈曲变形(图4b))。X形胞体变形为上端与上压头接触的位置先发生屈曲变形,当上端变为水平后(图4(c3))胞体的下端开始变形直至压实(图4(c5))。

分别取各结构胞体压缩时的变形能数据,并将其除以各胞体的质量得到比吸能,比吸能够反映各种胞体单位质量的吸能性,结果如图5所示。

图5 比吸能曲线

由图5可知:3种胞体在压缩比为10%时比吸能相差较小,但压缩比超过10%后,金字塔胞体的比吸能迅速提高且为3种胞体中最大,因此可以确定金字塔胞体的吸能性要优于其他两种拓扑结构的胞体。

让位吸能结构不仅需要有较好的吸能性,同时要能提供合适的支撑力,若支撑力过大则难以实现让位吸能效果导致支架其他薄弱环节损坏,支撑力过小又难以起到支护效果。因此研究各种胞体的支撑力大小非常必要。根据上面的压缩仿真分析,分别提取3种胞体在压缩过程中的单位质量支撑力曲线,如图6所示。

图6 单位质量支撑力曲线

由图6可知:在初始压缩时,三者支撑力均迅速激增后迅速下降,但X形胞体在后期压缩时的支撑力有较大波动,该支撑力对支架的其他结构有较大不利影响;类圆锥胞体和金字塔胞体的支撑力变化相对较平稳,且能提供一定的支撑力。

综合分析各种胞体的比吸能和支撑力可知金字塔胞体的比吸能最大且支撑力较大,平稳。因此选取金字塔胞体作为防冲支架的吸能胞体单元。

3 点阵吸能芯体参数设计

采用正交实验研究金字塔胞体的结构参数对吸能性和支撑力的影响,寻找最优点阵吸能芯体参数方案。设计的吸能结构如图7所示。在液压立柱的底座内放置点阵吸能芯体,每层点阵吸能芯体底部与一层固定夹层板焊接到一起,当多层吸能芯体组合使用时相邻两层吸能芯体的固定夹层板构成“固定夹层板-点阵吸能芯体-固定夹层板”的夹芯结构,如图1中所示。分析点阵吸能芯体的胞体高度h,胞体立足的倾斜宽度a及立足的直径d这3个因素对吸能性和支撑力的影响。

图7 单层点阵吸能结构

因为底座安装吸能装置的空间有限,如图1中D=230 mm,L的极限长度350 mm。当a越大,在吸能装置的同一层沿其径向分布的金字塔胞体数目越少,当h越大沿着立柱轴向分布的金字塔胞体层数就越少。因此变量a和h不能无限大,为此设定3个因素(h,a,d)的研究范围分别为10～90 mm,10～50 mm,4～8 mm。将3个因素划分为5个水平,具体划分方法如表1所示。

表1 胞体分析因素

考查吸能大小和支撑力两个指标,根据正交规则确定正交实验的研究样本如表2所示。

表2 正交实验样本及结果

因为仿真分析需要耗费大量时间,又因为每层吸能芯体结构相同,为提高仿真效率只研究一层吸能芯体的吸能和支撑力大小,然后再将每层吸能芯体吸能大小乘以吸能装置能够容纳吸能芯体层数得到吸能装置的总吸能量。

利用Creo2.0建立单层吸能芯体的三维模型并导入到Explicit Dynamics模块中,利用该模块分析单层吸能芯体在各个样本点时吸能特性。分析时吸能装置的底座壁、点阵吸能芯体、芯体固定夹层板均为柔性体其材料与胞体分析时相同,设置压头为刚性体。设置吸能芯体的网格大小为2 mm,其余结构为自适应网格,模型共有124 789节点,508 598单元,如图8所示。

图8 网格模型

设置点阵吸能芯体与固定夹层板的接触为绑定接触,点阵吸能芯体与底座壁的接触、点阵吸能芯体与压头的接触及固定夹层板与底座壁的接触均为摩擦接触,摩擦因数均为0.1。在压头上施加压缩速度为5 m/s,在芯体夹层板的底面添加固定约束,各样本的计算结果见表2。

根据表2分析各因素对各考察指标的影响极差,结果如表3和表4所示。

表3 吸能大小的影响极差

表4 支撑力的影响极差

由表2和表3的影响极差可知：对吸能影响最大的因素是胞体立足倾斜宽度a,胞体高度h影响次之,立足直径d影响最小；对支撑力影响最大的因素是胞体立足倾斜宽度a,立足直径d影响次之,胞体高度h影响最小。由此可知选取合适的胞体立足倾斜宽度a是设计点阵吸能装置的关键因素。

为确定各因素的最佳组合,利用画图法绘制出各因素各水平的分布规律，如图9和图10所示。

图9 各因素对吸能大小影响规律

图10 各因素对支撑力影响规律

由图9可知,从提高装置的吸能性角度出发最优的设计方案为h5a1d5,但考虑到支架的工作阻力为Fr=4 150 kN,因此吸能装置的支撑力至少大于4 150 kN,同时吸能装置的支撑力不能过大,根据图9和图10初步确定3个候选方案,具体大小如表5所示。

表5 候选方案

采用同样的方法依次对3个候选方案进行分析,得到吸能曲线如图11所示,方案h2a2d2的最大吸能为210 kJ,方案h3a2d2的最大吸能为294 kJ,方案h3a2d3的最大吸能为335 kJ。方案h3a2d2和h3a2d3在压缩量小于等于20%时变化基本一致。当压缩量继续增加之后,h3a2d3的吸能量迅速增加。

图11 候选方案的吸能曲线

3个候选方案的支撑力曲线如图12所示,可知方案h3a2d3的支撑力最大,而h3a2d2次之,h2a2d2最小。当压缩量达到约35%时方案h3a2d2的支撑力波动迅速减小且压缩后期变化较平稳。当压缩量达到约45%时方案h2a2d2的支撑力波动迅速减小,支撑力近似呈线性增加。方案h3a2d3的支撑力变化均有较大波动。分析各方案的支撑力,其中h2a2d2的支撑力为3 881.01 kN,h3a2d2的支撑力为4 679.76 kN,h3a2d3的支撑力为5 251.54 kN。虽然方案h3a2d3的吸能量最大,但其支撑力过大,且支撑力的波动较大,难以起到让位吸能作用易导致支架的其他结构损坏,因此确定h3a2d2为最佳方案。

图12 候选方案的支撑力曲线

提取h3a2d2方案的应力云图如图13所示,根据图可知点阵芯体压缩时底座壁也发生变形并有应力,内部点阵吸能芯体几乎已经压实,装置的最大应力为1 253.7 MPa。

图13 方案h3a2d2的应力云图

方案h3a2d2的单层点阵吸能芯体高为50 mm,芯体夹层板(图8)厚为10 mm,因此单层点阵吸能装置的总高为60 mm,考虑到点阵吸能装置最大安装长度L为350 mm,因此可以在内部安装5层点阵吸能芯体,因为每层点阵吸能芯体结构,参数一致,因此吸能大小也相同,所以该吸能装置的吸能量高达294×5=1 470 kJ,约是现有让位吸能装置吸能大小的2～4倍[2],因此该点阵吸能装置具有高吸能性,能够抗击较大能量的冲击地压,能够提高支护设备的安全性。

4 结论

1) 分析了类圆锥体、金字塔形及X形点阵材料胞体的压缩吸能性能,金字塔胞体的比吸能最大且支撑力曲线比较平稳,确定金字塔胞体为最佳拓扑结构胞体。

2) 通过正交分析研究金字塔形点阵吸能芯体的吸能性,研究表明胞体立足倾斜宽度a对吸能性和支撑力的影响最大。

3) 金字塔形点阵吸能芯体的可行方案为h3a2d2,即胞体高度h=50 mm,胞体立足倾斜宽度a=20 mm,直径d=5 mm。点阵吸能装置的总吸能量为1 470 kJ,约是现有让位吸能装置吸能大小的2～4倍,且支撑力为4 679.76 kN,证明该种吸能装置具有良好的吸能性。