基于梯度方形蜂窩結(jié)構(gòu)支架緩沖裝置性能研究

趙紅斌

內(nèi)蒙古利民煤焦有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂托克旗 016064

隨 著煤礦開采向深部推進(jìn)，沖擊地壓發(fā)生次數(shù)及危害程度逐年上升，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)。液壓支架是巷道支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，當(dāng)頂板壓力過高時(shí)，液壓支架通過立柱內(nèi)的安全閥及時(shí)卸荷，支架降縮達(dá)到保護(hù)支架目的，而沖擊地壓發(fā)生時(shí)間遠(yuǎn)小于安全閥開啟響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力驟增，立柱處于剛性支護(hù)狀態(tài)，造成支架彎曲、爆缸，進(jìn)而引起設(shè)備損壞、人員傷亡等安全事故。因此，提高液壓支架防沖支護(hù)能力對(duì)煤礦安全高效開采至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)此問題開展了廣泛的研究，閻海琴等人[1]對(duì)提高液壓支架抗沖擊性能進(jìn)行了分析，提出在四連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，取雙扭線向前凸的一段為工作高度范圍，并選用大流量安全閥或安裝 2個(gè)安全閥來提高液壓支架抗沖擊能力。李兆福等人[2]提出了基于大流量安全閥及采用平頭式立柱的缸底和柱頭的抗沖擊液壓支架。王國(guó)法等人[3]為提高液壓支架抗沖擊能力，設(shè)計(jì)了抗沖擊雙伸縮立柱，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)特性研究。陳赫宇等人[4]為提高液壓支架的抗沖擊性能對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出增大立柱內(nèi)部緩沖容積、帶氣室的立柱、增加支架后立柱缸體壁厚的方法。宋宇寧[5]通過加雙級(jí)大流量閥來提高液壓支架抗沖擊能力，通過調(diào)整安全閥參數(shù)并加入阻尼孔調(diào)節(jié)套，設(shè)計(jì)出滿足不同工況需求的雙級(jí)大流量安全閥。孫遠(yuǎn)方[6]提出在支架液壓系統(tǒng)增加旁路增壓系統(tǒng)及立柱采用雙級(jí)大流量安全閥來提高液壓支架抗沖擊能力。李飛[7]采用前后四連桿結(jié)構(gòu)并將立柱雙排布置，以此來提高液壓支架抗沖擊能力。唐治[8]提出了自移式防沖巷道支架，理論推導(dǎo)出吸能構(gòu)件可大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)抗沖擊性能，設(shè)計(jì)了一種新型六邊形頂梁吸能構(gòu)件及擴(kuò)徑式立柱吸能構(gòu)件，進(jìn)而設(shè)計(jì)出自移式抗沖擊巷道液壓支架。

通過加裝吸能構(gòu)件提高液壓支架抗沖擊能力是一種較為理想的方法，基于此，筆者提出在液壓支架頂梁加裝防沖裝置的方法，設(shè)計(jì)出一種防沖裝置，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)特性分析，以提高支架支護(hù)能力，有效防治沖擊地壓，保障煤礦安全高效生產(chǎn)。

1 方形蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

蜂窩結(jié)構(gòu)擁有獨(dú)特的孔隙，使得其具有較好的綜合性能。與其他緩沖結(jié)構(gòu)相比，其內(nèi)部的孔隙使其具有大剛度、高韌性以及良好的超輕性能和吸能特性，既能吸收沖擊產(chǎn)生的能量，也能緩沖速度驟減帶來的慣性[9]，因此廣泛應(yīng)用于交通、航空以及軍事等各個(gè)領(lǐng)域，并具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。方形蜂窩結(jié)構(gòu)是一種典型的蜂窩結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其胞元的等效彈性參數(shù)決定整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，因此筆者基于胞元材料理論對(duì)其等效彈性參數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo)。

通過對(duì)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)等效參數(shù)的研究，推導(dǎo)出方形蜂窩胞元的等效彈性參數(shù)。

式中：Ex、Ey為面內(nèi)等效彈性模量；Gxy為面內(nèi)等效剪切模量；δ為胞元厚度；Es為材料彈性模量；l為胞元邊長(zhǎng)。方形蜂窩胞元的等效密度ρ*及面外剛度Sz分別為：

式中：ρs為材料密度。

將胞元等效為等體積實(shí)心單元，則等效單元在yz面上與胞元有相同的剪切模量，則得到等效單元總變形能

胞元的總變形能

式中：Gyz為yz面內(nèi)剪切模量；T為胞元所受剪應(yīng)力。

等效單元與胞元的總變形能相等，即Uz=U，則

綜上所述，對(duì)于方形蜂窩結(jié)構(gòu)，其壓縮特性取決于方形胞元的邊長(zhǎng)及壁厚，因此筆者選取壁厚來研究其對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，進(jìn)而選取合適的胞元壁厚，設(shè)計(jì)梯度方形蜂窩緩沖裝置。

2 緩沖裝置設(shè)計(jì)及力學(xué)特性研究

2.1 支架緩沖裝置性能要求

緩沖裝置能夠?qū)⑼饨鐩_擊能量通過塑性變形吸收，其塑性變形特性直接決定裝置的吸能效果，理想的緩沖裝置具有如下性能要求。

(1) 最大變形阻力 緩沖裝置最大變形阻力為緩沖裝置變形過程中的最大阻力，大于液壓支架的工作阻力。為保證加裝裝置后支架具有正常的支撐能力，最大變形阻力小于支架發(fā)生破壞的阻力，使其受大沖擊載荷作用時(shí)，緩沖裝置發(fā)生變形吸收沖擊能，實(shí)現(xiàn)支架剛?cè)狁詈稀?/p>

(2) 恒定變形阻力 當(dāng)緩沖裝置受到大沖擊載荷作用時(shí)，其發(fā)生恒阻變形，即變形阻力與位移曲線近似為水平直線，此時(shí)裝置吸能量最多。

我院2016年5月--2017年9月收治的64例行口腔修復(fù)患者,按照隨機(jī)數(shù)字表法分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組,每組患者32例。實(shí)驗(yàn)組:男16例,女16例,年齡42-76歲,平均年齡(58.5±14.5)歲,病程1-5周,平均病程(2.5±0.5)周;對(duì)照組:男17例,女15例,年齡43-78歲,平均年齡(60.5±15.5)歲,病程1.5-5周,平均病程(3.25±0.75)周。將兩組患者基本資料進(jìn)行精細(xì)對(duì)比分析,差異不明顯(P>0.05),具有臨床可比性。所有患者均自愿入組并簽署知情同意書。

(3) 大的變形讓位行程 變形阻力一定，變形行程越大則吸能量越多，緩沖裝置具有大的變形讓位行程吸收沖擊產(chǎn)生的沖擊能。

(4) 能量轉(zhuǎn)換不可逆 當(dāng)緩沖裝置受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，通過其塑性變形吸收沖擊產(chǎn)生的能量，并且吸收能量不再釋放，否則會(huì)造成二次破壞。

(5) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且裝拆方便 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的緩沖裝置變形可靠，且加工制造方便及成本低。

2.2 方形蜂窩緩沖裝置設(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究

為了提高液壓支架的抗沖擊能力，選擇在支架頂梁上安裝緩沖裝置，利用緩沖裝置變形吸能，降低頂板對(duì)支架的沖擊。筆者選取方形蜂窩結(jié)構(gòu)作為頂梁支撐部件。蜂窩結(jié)構(gòu)的共面動(dòng)態(tài)響應(yīng)有多種變化，牽扯大變形、應(yīng)變應(yīng)力及吸能量等問題，由于實(shí)際應(yīng)用中的邊界條件變化較多，故建模過程中，需要定義對(duì)模型的相關(guān)約束，此外，還要考慮選取適合的材料，構(gòu)建過程較為復(fù)雜。壓縮過程中，蜂窩裝置和剛板之間的接觸直接影響計(jì)算結(jié)果。構(gòu)建準(zhǔn)確的有限元計(jì)算模型對(duì)模擬蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮試驗(yàn)研究非常重要[10]。

蜂窩結(jié)構(gòu)胞元壁厚極小這一特殊性決定了方形蜂窩胞元有限元模型選用有 4個(gè)節(jié)點(diǎn)的顯式薄殼單元，利用殼體單元實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)施加平面載荷及法向載荷。定義胞元壁厚δ分別為 1、2、3、4 mm，邊長(zhǎng)l為 60 mm，建立不同壁厚胞元模型。利用解析剛體建立 500 mm×500 mm 的上下鋼性板，上鋼板施加豎直向下、大小為 10 m/s 的沖擊速度，下鋼板固定，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮仿真分析，得到不同壁厚的胞元結(jié)構(gòu)的變形過程，如圖 2～ 5 所示。

基于不同壁厚胞元壓縮有限元模型，提取胞元能量吸收曲線，如圖 6 所示，可以看出不同壁厚胞元的吸能量曲線擁有相同的趨勢(shì)。在壓縮初始階段，胞元吸能量開始增加，但增量較小，壁厚δ=4 mm 胞元增長(zhǎng)趨勢(shì)快于其他壁厚胞元；隨著壓縮進(jìn)行，胞元進(jìn)入塑性變形階段，曲線近乎為豎直線，能量吸收驟增，此時(shí)是吸能量效率最高的階段；隨后胞元進(jìn)入壓實(shí)階段，吸能量減慢并逐漸停止增大，胞元被逐漸壓實(shí)而失效。即壁厚越大，其吸能量越大。

基于上述分析，不考慮材料應(yīng)變率的影響，根據(jù)文獻(xiàn) [11]中不同沖擊速度對(duì)吸能裝置的影響，筆者選取施加v=10、20、30 m/s 的沖擊速度，研究不同厚度胞元在不同沖擊速度下的胞元力學(xué)性能，得到胞元應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖 7～ 10 所示。整體來看，不同壁厚方形胞元在受到外部載荷作用時(shí)其變形過程相似，均出現(xiàn)彈性階段、屈服階段、塑性階段、壓實(shí)階段。

從圖 7～ 10 可以看出，在壓縮過程中，不同壁厚胞元變形過程近似，都存在波動(dòng)，隨沖擊速度增加波動(dòng)均增大。δ=1 mm 和δ=2 mm 胞元在不同沖擊速度下，經(jīng)歷彈性階段、屈服階段、塑形階段進(jìn)入壓實(shí)階段，出現(xiàn)應(yīng)力突然減小后回升現(xiàn)象。相同沖擊速度下，δ=3 mm 胞元明顯較其他胞元具有良好的力學(xué)性能，在沖擊速度v=20 m/s 時(shí)，胞元進(jìn)入壓實(shí)階段，出現(xiàn)應(yīng)力驟降后回升現(xiàn)象。δ=1 mm 和δ=3 mm 胞元在沖擊速度v=30 m/s 時(shí)，應(yīng)力波動(dòng)較小。

基于以上分析，選取δ=1 mm 和δ=3 mm 胞元為緩沖裝置結(jié)構(gòu)單元，利用有限元軟件結(jié)合方形蜂窩壓縮力學(xué)特性建立梯度方形蜂窩緩沖裝置。緩沖裝置由多個(gè)邊長(zhǎng)l=60 mm 的方形胞元有序排列而成，共排布 2 層，第 1 層胞元δ=1 mm，第 2 層胞元δ=3 mm，根據(jù) ZCZ25600/22/38 液壓支架的幾何尺寸，確定胞元長(zhǎng)度為 400 mm。胞元材料選擇 G45 鋼，密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，支架主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)選用 1.2 倍工作阻力，故緩沖裝置工作阻力為 1.1 倍支架工作阻力。采用三維軟件建立整體模型，利用有限元軟件進(jìn)行試驗(yàn)仿真，設(shè)置上鋼板以分別以 20、40、80 m/s 的速度沿垂直方向移動(dòng)，得到不同沖擊速度下緩沖裝置變形過程，如圖 11～ 13 所示。

由圖 11～ 13 可知，梯度方形蜂窩緩沖裝置壓縮過程呈現(xiàn)自上而下變形，由第 1 層蜂窩向第 2 層蜂窩逐漸折疊壓實(shí)，即壓縮的初始階段，第 1、2 層方形蜂窩同時(shí)進(jìn)入彈性變形階段，此時(shí)主要由第 1 層蜂窩承受沖擊，第 2 層蜂窩變形不明顯，應(yīng)力變化較小；隨著壓縮的進(jìn)行，第 1 層蜂窩變形逐漸增大而被壓實(shí)，第 2 層蜂窩開始出現(xiàn)小變形，應(yīng)力不斷增大，此時(shí)第 1 層蜂窩失效，第 2 層蜂窩開始變形吸能；繼續(xù)壓縮，第 2 層蜂窩逐漸出現(xiàn)大變形，應(yīng)力不斷增加，最大應(yīng)力不斷向側(cè)壁緊縮處傳遞，直至第 2 層蜂窩壓實(shí)而裝置失效。此外，隨鋼板沖擊速度增大，第 1 層方形蜂窩和第 2 層方形蜂窩進(jìn)入塑性變形階段時(shí)間逐漸提前，在鋼板速度為 20 m/s 和 40 m/s 時(shí)，第 1 層最大應(yīng)力值接近；在速度為 80 m/s 時(shí)，第 1 層蜂窩最大應(yīng)力值為 4.3×108Pa。

通過有限元軟件的后處理功能，得到圖 14 所示的吸能量-位移曲線。由圖 14 可以看出，隨著沖擊速度的增加，吸能量不斷增加，且變化趨勢(shì)相同，說明在不同沖擊速度下該裝置緩沖效果平穩(wěn)，尺寸為 120 mm×400 mm×480 mm 的梯度方形蜂窩緩沖裝置在20、40、80 m/s 的沖擊速度下，吸能量分別為 68.7、102.0、180.0 kJ。

3 結(jié)論

為了提高液壓支架防沖支護(hù)能力，提出在液壓支架頂梁加裝防沖裝置的方法，并設(shè)計(jì)防沖裝置對(duì)其進(jìn)行力學(xué)特性分析，得到以下結(jié)論：

(1) 通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮仿真試驗(yàn)，得到在壓縮載荷作用下，最大應(yīng)力發(fā)生在胞元的兩側(cè)壁，兩側(cè)壁面被壓縮向兩側(cè)擴(kuò)展，同時(shí)上壁面呈現(xiàn)凹狀，下壁面呈現(xiàn)凸?fàn)?，胞元?cè)面以及上下邊出現(xiàn)應(yīng)力集中。

(2) 研究了不同沖擊速度下方形胞元的力學(xué)性能，得到了在不同沖擊速度下不同壁厚方形胞元的能量曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。胞元壁厚越大，其吸能量越大。不同壁厚胞元變形過程近似，相同沖擊速度下，壁厚δ=3 mm 胞元明顯較其他胞元具有良好的力學(xué)性能。

(3) 基于不同壁厚方形胞元力學(xué)性能分析，提出設(shè)計(jì)梯度方形蜂窩緩沖裝置，并研究了不同沖擊速度下裝置的力學(xué)性能，得到梯度方形蜂窩緩沖裝置壓縮過程呈現(xiàn)自上而下變形，由第 1 層蜂窩向第 2 層蜂窩逐漸折疊壓實(shí)，并得到其吸能量位移曲線。