礦用擴(kuò)徑式吸能構(gòu)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(kuò)徑式吸能構(gòu)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(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,遼寧阜新123000；2. 內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古錫林浩特026000)

摘要：為增強(qiáng)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(jié)合使用的擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件。采用理論分析和試驗研究方法，對構(gòu)件吸能防沖特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：軸向壓縮下擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件具有非常好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性的變形破壞模式，且構(gòu)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(kuò)徑式吸能構(gòu)件壓縮過程中具有較為理想的力-位移曲線。擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件沖程效率不受幾何尺寸影響，擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件具有較小的載荷波動系數(shù)。理論推導(dǎo)得出了構(gòu)件吸能防沖評價指標(biāo)，并與試驗結(jié)果具有較好吻合，為構(gòu)件選取提供了理論依據(jù)。擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件是較為理想的吸能防沖構(gòu)件。

關(guān)鍵詞：吸能防沖；沖擊地壓；擴(kuò)徑式構(gòu)件；試驗研究

基金項目：國家自然科學(xué)

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(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)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(fā)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(zāi)害越來越嚴(yán)重[1]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)沖擊地壓發(fā)生在巷道中，而目前巷道支架大多沒有從防沖角度進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，抗沖擊載荷能力有限，不能滿足防沖支護(hù)發(fā)展要求。所以，巷道支架防沖設(shè)計成為一個重要課題。沖擊地壓的發(fā)生具有瞬時性、突發(fā)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(jié)構(gòu)作為支護(hù)部件應(yīng)用于巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)中吸收沖擊能，可有效防治沖擊地壓，或在一定程度上保護(hù)巷道及其支護(hù)結(jié)構(gòu)?；诖?，潘一山等[2-3]提出將吸能構(gòu)件用于液壓立柱，并設(shè)計了防沖液壓立柱。吸能構(gòu)件是防沖液壓立柱最為重要的關(guān)鍵部件，構(gòu)件壓縮過程中需要具有理想的力-位移曲線。

薄壁構(gòu)件軸向壓潰是人們最早關(guān)注的吸能方式之一。薄壁構(gòu)件形式簡單，受沖擊載荷作用后所產(chǎn)生的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它傳統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)變形量，當(dāng)薄壁防沖構(gòu)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(zhuǎn)換為構(gòu)件的塑性變形能，從而達(dá)到吸收沖擊能量的目的[4]。近半個世紀(jì)以來，廣大科研工作者對金屬薄壁結(jié)構(gòu)的沖擊行為進(jìn)行了大量的研究工作[5]。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，主要應(yīng)用在一般工業(yè)[6-8](汽車、船舶)、航空航天工業(yè)、高速公路安全防護(hù)等領(lǐng)域[9]，礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(fù)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(jìn)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(jié)合使用的吸能構(gòu)件。因此，提出一種礦用擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件，并對其吸能防沖特性進(jìn)行理論分析和試驗研究。

1吸能構(gòu)件性能評價指標(biāo)及設(shè)計

1.1　吸能構(gòu)件性能評價指標(biāo)

吸能防沖構(gòu)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(biāo)來評估構(gòu)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(shù)Δ、總吸能E。

壓潰峰值載荷Fmax反映防沖構(gòu)件承載力大小，通過構(gòu)件的力-位移曲線得到。

沖程效率SE反應(yīng)構(gòu)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(gòu)件高度H得到，其定義為

(1)

平均壓潰載荷Fmean是反應(yīng)構(gòu)件整體受載荷水平，其定義為

(2)

式中，δ為構(gòu)件有效變形讓位行程；F(s)為構(gòu)件被壓縮距離為s時的力。

載荷波動系數(shù)Δ可對構(gòu)件在防沖過程中載荷的平穩(wěn)性進(jìn)行有效評價，其定義為

(3)

總吸能E是構(gòu)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(kuò)徑式吸能構(gòu)件設(shè)計

擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件由薄壁金屬圓管和上端部變徑壓模構(gòu)成，分別如圖1(a)、(b)，薄壁圓管內(nèi)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(kuò)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(fā)生相對錯動，實現(xiàn)薄壁圓管半徑增大，如圖1(d)。薄壁圓管擴(kuò)徑一段距離后，再往下壓縮過程中，單位時間內(nèi)薄壁圓管擴(kuò)徑區(qū)域大小保持不變，即在壓縮過程中，構(gòu)件反力能保持恒定不變。

圖1　擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件 Fig.1 Diameter expanding anti-impact components

2擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件特性理論分析

在變形區(qū)用垂直薄壁圓管軸線的兩個平面截取一個圓環(huán)形基元體，如圖2，對薄壁圓管擴(kuò)徑力進(jìn)行解析。設(shè)薄壁圓管外徑為2R0，內(nèi)徑為2r0，壁厚為t，擴(kuò)徑變形后，外徑為2R1，內(nèi)徑為2r1，端部變徑壓模錐角為α，軸向壓應(yīng)力為σz，徑向壓應(yīng)力為σn，環(huán)向拉應(yīng)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(nèi)壁與端部變徑壓模的摩擦系數(shù)。

假設(shè)σr為圓環(huán)形基原體的徑向壓應(yīng)力與摩擦應(yīng)力的合應(yīng)力，則可以引入下面關(guān)系式：

2πrσn(1-μtanα)dz

(7)

化簡得：

(8)

假設(shè)擴(kuò)徑過程中薄壁圓管壁厚不變，則相應(yīng)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(yīng)力。

對半個圓環(huán)形基元體進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

圖2 擴(kuò)徑及基元體Fig.2Diameterexpandingandprimitivebody圖3 半個圓環(huán)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(kuò)徑應(yīng)力為：

(14)

由式(14)可得薄壁圓管擴(kuò)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(kuò)徑力與圓管內(nèi)徑、壁厚、材料屈服強(qiáng)度、壓模錐角、摩擦系數(shù)、擴(kuò)徑后圓管內(nèi)徑等有關(guān)。

可得擴(kuò)徑式構(gòu)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(kuò)徑式構(gòu)件平均壓潰載荷為

(18)

載荷波動系數(shù)為

(19)

3擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件特性試驗研究

3.1　試驗裝置和試件制備

采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)(YAW-2000型)對構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗，加載系統(tǒng)工作額定值為2 000 kN，壓縮速率設(shè)置為0.4 mm/s。為研究擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件承載力、反力變化規(guī)律、吸能特性及破壞的可重復(fù)性。采用45號鋼加工擴(kuò)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(nèi)直徑100 mm、圓管高度150 mm。

3.2　試驗結(jié)果與分析

擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件軸向壓潰變形試驗結(jié)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(jié)果表明：①擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件壓縮過程中具有穩(wěn)定性和可重復(fù)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(gòu)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(kuò)徑區(qū)域逐漸增大，構(gòu)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(jié)束。第二階段，薄壁圓管擴(kuò)徑區(qū)域穩(wěn)定，構(gòu)件反力相對恒定。這一階段從第一階段結(jié)束開始，到薄壁圓管擴(kuò)徑結(jié)束。③構(gòu)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(kuò)徑區(qū)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(gòu)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(gòu)件力-位移曲線得出擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件有以下兩個缺點，一是構(gòu)件進(jìn)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(gòu)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(kuò)徑式防沖構(gòu)件改進(jìn)

為解決構(gòu)件進(jìn)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(gòu)件壓縮距離較大才進(jìn)入恒反力問題，把薄壁圓管一段做了預(yù)成型處理，如圖7(b)。改進(jìn)后的擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件如圖7(c)?？紤]徑厚比對構(gòu)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(nèi)直徑100 mm、圓管高度150 mm，即對徑厚比分別為33.3、25、20的構(gòu)件防沖性能進(jìn)行研究。

圖7　改進(jìn)的防沖構(gòu)件 Fig.7 Modified anti-impact components

3.4　改進(jìn)防沖構(gòu)件實驗結(jié)果與分析

不同徑厚比的改進(jìn)擴(kuò)徑式防沖構(gòu)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(jié)果表明壓縮過程中構(gòu)件反力和吸能特性具有以下變化規(guī)律：①徑厚比對構(gòu)件初始壓縮階段反力的恒穩(wěn)性有較大影響，徑厚比為33.3、25時，構(gòu)件反力較為恒定，具有較好的防沖構(gòu)件性能；當(dāng)徑厚比為20時，構(gòu)件初始壓縮階段反力較小，壓縮一段距離后才進(jìn)入恒反力階段，這是做預(yù)成型處理時，擴(kuò)的區(qū)域較小所致。②改進(jìn)后的構(gòu)件壓縮后直接進(jìn)入薄壁圓管擴(kuò)徑區(qū)域穩(wěn)定階段，有效解決了進(jìn)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(kuò)徑式防沖構(gòu)件壓潰峰值載荷、平均壓潰載荷、載荷波動系數(shù)、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(yīng)力取235 MPa，摩擦系數(shù)取0.25。試驗結(jié)果表明構(gòu)件防沖評價指標(biāo)具有以下變化規(guī)律：①薄壁圓管內(nèi)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(jié)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(yù)測與實驗結(jié)果有較好吻合。徑厚比較大時，理論預(yù)測誤差較大，主要是因理論公式假設(shè)擴(kuò)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(gòu)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(guān)系。③擴(kuò)徑式防沖構(gòu)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(kuò)徑式防沖構(gòu)件具有較小的載荷波動系數(shù)。

通過試驗結(jié)果分析，改進(jìn)后的防沖構(gòu)件擴(kuò)徑所需軸向峰值力不變，可將擴(kuò)徑式構(gòu)件吸收能量式(17)調(diào)整為

E=Fδ=1.15π(2r0t+t2)·

(20)

擴(kuò)徑式構(gòu)件平均壓潰載荷公式(18)調(diào)整為

(21)

載荷波動系數(shù)式(19)調(diào)整為

(22)

4結(jié)論

提出了一種礦用擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件，并對其吸能防沖特性進(jìn)行理論分析和試驗研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)軸向壓縮下擴(kuò)徑式吸能構(gòu)件具有非常好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性的變形破壞模式，構(gòu)件擴(kuò)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(kuò)徑式吸能構(gòu)件壓縮過程中反力變化趨勢大致分為擴(kuò)徑區(qū)域逐漸增大、擴(kuò)徑區(qū)域穩(wěn)定二個階段。構(gòu)件反力沒有出現(xiàn)波動性，是較為理想的力-位移曲線。

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

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

擴(kuò)徑式防沖構(gòu)件是較為理想的吸能防沖構(gòu)件，其與現(xiàn)有支架立柱結(jié)合使用，可增強(qiáng)立柱防沖性能。

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