Comparison and analysis of energy absorption characteristics of chiral structure in novel energy buffering absorption device
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摘要:
为改善采掘扰动及冲击地压对超前液压支架的冲击破坏作用,有效提升支护设备服役寿命,设计了一种新型缓冲吸能装置,作为一种独立设计的模块化单元,该种吸能装置通过螺栓安装在超前液压支架顶梁上端面,能够有效缓冲来压峰值,为液压支架安全阀的开启提供充足缓冲时间,极大程度地减少了液压支架立柱弯曲、断裂甚至爆缸现象的发生。文中重点对核心吸能体的结构参数及材质属性开展了相关研究,对比分析了6种不同材质手性蜂窝结构的变形响应特性、缓冲特性及吸能特性,结果表明:① 相同冲击载荷工况下,橡胶材质三韧带结构压缩变形量最大,为172.1 mm,而尼龙材质六韧带结构压缩变形量最小,为5.83 mm;② 经尼龙材质六韧带结构缓冲后的来压峰值最大,为2 148 kN,缓冲时间为20 ms,而经橡胶材质六韧带结构缓冲后的来压峰值最小,为147 kN,缓冲时间为209 ms,远大于液压支架安全阀60 ms的动态响应时间,满足安全阀正常开启的基本要求;③ 橡胶材质和尼龙材质的吸能峰值近似,均为104 J,相比其他工况而言,橡胶材质六韧带手性结构的吸能区间呈现为平缓的山峰状,有效吸能区间范围更大,吸能效果更佳,吸能缓冲时间更长。综合评估可知,橡胶材质六韧带手性结构具有较好的缓冲吸能效果,且结构变形较小,满足预期指标及煤矿现场的具体工况需求。
Abstract:In this paper, a novel energy buffering absorption device is designed to reduce the impact damage of advance hydraulic support caused by mining disturbance and rock burst, and to improve the service life of the support equipment. As an independently designed modular unit, this new type of energy buffering absorption device is installed on the upper of the top beam of the advanced hydraulic support by bolts, which can effectively buffer the peak incoming pressure, provide sufficient buffer time for the opening of the hydraulic support safety valve, and greatly reduce the occurrence of bending, fracture and even cylinder explosion of the hydraulic support column. Focusing on the structural parameters and material properties of the core energy absorber, the deformation response characteristics, cushioning characteristics and energy absorption characteristics of six chiral honeycomb structures with different materials are compared and analyzed. The results show: ① Under the same impact load condition, the compression deformation of rubber Tri-chiral structure is the largest (172.1 mm), while that of nylon Hexa-chiral structure is the smallest (5.83 mm); ② The peak value of the incoming pressure buffered by the nylon Hexa-chiral structure is the largest (
2148 kN), and the buffering time is 20 ms, while the peak value of the incoming pressure buffered by the rubber Hexa-chiral structure is the smallest (147 kN), and the buffering time is 209 ms, which is much longer than the dynamic response time of the safety valve of 60 ms, meeting the basic requirements of the normal opening of the safety valve. ③ The peak energy absorption of rubber and nylon is approximately the same, both of which are 1 × 104 J. Compared with other working conditions, the energy absorption interval of the rubber Hexa-chiral structure is a gentle peak shape, and the effective energy absorption interval is larger, the energy absorption effect is better, and the energy absorption buffer time is longer. The comprehensive evaluation shows that the rubber Hexa-chiral structure has a good buffer and energy absorption effect and a small degree of structural deformation, which meets the expected indicators and specific working conditions. -
0. 引 言
随着科学技术的不断发展以及人类对煤炭资源需求的持续增加,煤炭开采能力和开采效率得到了明显提升。由于浅部赋存煤炭资源逐渐趋向枯竭,煤炭资源开发不断向地球深部进军,深部资源开采成为我国矿产资源开发的重要方向[1-4]。然而,千米深井的原岩应力和构造应力明显增加,煤岩体内积聚大量能量,释放时对巷道产生强烈扰动,特殊工况下易诱发高冲击地压[5],这对井下支护设备的承载性能提出了较高的要求。
超前液压支架作为煤层开采的主要支护设备,不仅对工作面顶板起到支撑和防护作用,还为煤炭工作人员提供了安全的作业环境。然而,在面临冲击地压等瞬时超高压负载时,常规超前液压支架难以抵抗强大的冲击载荷,且安全阀的动态响应时间不足,泄压不及时容易造成液压支架立柱弯曲、断裂甚至爆缸现象的发生[6-8],进而引发安全事故。潘一山等[9-11]提出了巷道吸能让位防冲支护理论,当支护设备不足以抵抗围岩冲击时,通过其中特置耗能元件快速吸收冲击能,防止其冲击性失稳破坏;杨巨文等[12]提出了一种与液压立柱相结合使用的扩径式吸能构件,能显著增强液压立柱的防冲性能,有效防治煤矿冲击地压产生的破坏;唐治等[13]创新设计了一款自移式吸能防冲巷道超前支架,其顶梁安装薄壁六边形吸能防冲构件,立柱安装扩径式吸能防冲构件,支架具有较优异的吸能让位防冲功能;高永新等[14]以相似计算方法对缓冲装置进行了结构优化,将单一刚体提供的支撑力改为内部填充泡沫材料作为吸能材料与刚体相结合提供支撑力形成刚-柔耦合支护体系,可有效增强立柱缓冲能力。综上所述,众多学者在防冲击吸能结构和新型材料应用等方面取得了有一定的研究成果,然而鉴于煤矿井下工作环境的复杂性,装备应满足防爆、防火等安全特殊要求,同时,多数设计仅考虑了防冲吸能装置结构本身,并未考虑超前压力分布形式、初撑力适应性补偿以及锚固系统干涉等问题,极大程度限制了部分结构和材料在井下进行相关应用。因此,在充分考虑材料属性、结构属性、工作环境需求的基础上,笔者团队设计研发了一款新型缓冲吸能装置用于超前液压支架的冲击防护,并针对其核心部件——手性结构吸能体的结构参数及材质属性开展相关研究,以结构变形最小和吸能缓冲效果最佳为衡量指标确定吸能体的结构形式和材料参数,进一步改善采掘扰动以及冲击地压等载荷对支架的破坏作用,为煤矿开采技术向地球深部进军和智能化方向发展提供理论指导和安全保障。
1. 模型构建
1.1 新型缓冲吸能装置结构
新型缓冲吸能装置主要由顶板、底板、吸能体和弹性预紧力抵消装置(弹簧)4部分组成,如图1所示。其中,作为一种独立设计的模块化单元,每组新型缓冲吸能装置通过螺栓紧固在超前液压支架顶梁上端面,一组超前液压支架顶梁可布置4组或6组新型缓冲吸能装置,能够适用不同的超前压力分布形式;弹性预紧力抵消装置(弹簧)能够实现初撑力的适应性补偿,经计算6组新型缓冲吸能装置能够满足
6500 kN的初撑力工况;采用20 mm较厚的顶板以及“弹簧+三级立柱”形式的预紧力抵消装置,能够保证整套装置结构紧凑的同时具备较高的抗撕拉能力,进而保证支架泄压移架时锚固系统对其干涉破坏降低至最小;吸能体为新型缓冲装置的核心部件,吸能缓冲效果与其结构形状和材质属性密切相关,通过对其结构形状及材质属性开展相关研究,确定不同结构形状及材质属性下吸能体的缓冲吸能特性,以结构变形最小和吸能缓冲效果最佳为衡量指标,进而为吸能体的优选提供理论依据。1.2 手性蜂窝的几何特征
手性蜂窝结构(Chiral Honeycomb)[15-16]是近年来被提出的一种具有负泊松比特性的拉胀蜂窝材料结构,作为一种新型功能梯度多孔结构,手性蜂窝结构具有低比密度、高比强度刚度、抗震缓冲、结构可调整性强等优点[17-21],可以实现面内变形、面外承载以及隔振的多重作用,在众多碰撞及冲击能量吸收技术领域(如航空航天、交通运输以及汽车测试等)有着广泛的应用前景。研究针对常见的几种手性蜂窝结构受冲击载荷作用后的吸能特性开展相关研究,以结构变形最小和吸能效果最佳为衡量指标,确定每种结构的最优化结构参数,并优选吸能效果最佳的结构形状及材质属性构建相应的吸能体结构。
手性蜂窝结构由连接它们的圆环节点和韧带有序排列而成,其力学性能受到韧带数量、几何形状参数和排列方式的影响,常见的3种手性蜂窝结构如图2所示。其中,胞元的圆环节点半径r=8 mm,韧带长度l=27.72 mm,韧带厚度t=2 mm。基于上述3种手性蜂窝结构建立的吸能体结构如图2所示,3种模型尺寸参数为:1 280 mm×250 mm×180 mm。
1.3 有限元模型
笔者建立了模拟岩层坍塌时顶板下落对吸能体结构的冲击作用有限元模型,如图3所示。图3中,以六韧带手性蜂窝结构冲击模拟为例,底板底部设置为固定约束,手性蜂窝结构的底部与底板上端面设置为Tie绑定约束,顶板约束为刚体,设置为竖直向下的初始速度V边界条件,顶板与手性蜂窝结构之间设置为通用接触,两者之间的摩擦系数设定为0.1,模型忽略了弹性预紧力抵消装置(弹簧),并通过增大顶板材料密度来模拟大体积岩层的坍塌,明显提高了求解计算效率。
为了定量评估不同结构形状及材料参数的吸能特性,采用控制变量法,顶板下落速度为自变量,手性蜂窝结构变形特性及缓冲效果为因变量,表1和表2分别给出了橡胶和尼龙2种材料的参数。
表 1 橡胶材料参数Table 1. Material parameters of rubber参数 数值 密度ρ0/(kg·m−3) 1 560 Rivlin系数C10(表示截距) 1.221 Rivlin系数C01(表示斜率) 0.61 体积模量D1 1 屈服强度σs/MPa 9.237 37 传导率λ 0.14 材料线膨胀系数α/(℃−1) 0.000 67 表 2 尼龙6110材料参数Table 2. Material parameters of Nylon参数 数值 密度ρ0/(kg·m−3) 1 400 弹性模量G/MPa 8 300 泊松比υ 0.28 屈服强度σs/MPa 68.9 传导率λ 0.53 材料线膨胀系数α/(℃−1) 0.000 03 比热CP/(J·(kg·℃)−1) 1.5×103 2. 结果与分析
2.1 手性结构变形响应特性
不同材料类型的手性结构受冲击后的变形响应特性不同。图4展示了2种材质的六韧带手性结构受顶板冲击后的变形响应特性,其中顶板下落速度为1 m/s。由图4可知,橡胶材质受冲击后易发生弹性大变形,冲击过程吸能体结构的最大压缩变形量为123.7 mm,冲击顶板移除后发生弹性回弹至完全恢复,本身无明显塑性变形;而尼龙材质受冲击后发生轻微弹性变形以及一定程度的塑性变形,冲击过程吸能体结构的最大压缩变形量为5.83 mm,冲击顶板移除后发生轻微回弹并伴随永久塑性变形发生。对比分析可知,相同冲击工况下橡胶材质的变形程度明显大于尼龙材质的变形程度。
进一步对比研究3种手性结构不同材质的冲击变形响应特性如图5所示。由图5可知,从结构角度出发,相同冲击工况下相比三韧带和四韧带结构较大的变形行为,六韧带结构的变形程度偏小,最大压缩量小于其他2种手性结构,最大变形量对比:三韧带结构>四韧带结构>六韧带结构,该规律不受材质影响,即橡胶材质和尼龙材质变形特性均满足上述规律。从材质角度出发,不同材质的手性结构冲击变形响应特性也存在明显差异,橡胶材质受冲击后易发生弹性大变形,冲击顶板移除后发生弹性回弹至完全恢复,本身无明显塑性变形;而尼龙材质受冲击后发生轻微弹性变形以及一定程度的塑性变形,冲击顶板移除后发生轻微回弹并伴随永久塑性变形发生,因此观察到相同冲击工况下同种手性结构橡胶材质的变形程度明显大于尼龙材质的变形程度。
2.2 手性结构缓冲特性
冲击过程底板支反力的大小是衡量吸能装置缓冲效果的重要指标之一。图6展示了2种材质的六韧带手性结构受冲击后底板不同时刻的支反应力分布特征,相比尼龙材质,橡胶材质刚度更小,冲击过程缓冲作用更强,冲击顶板在12 ms时与手性结构发生初始接触,45 ms时应力波传至底板并产生轻微支反力,209 ms时手性结构压缩变形量达到最大值(图5b),此时,支反力同步达到最大值147 kN (图7a),随着冲击顶板的移除,手性结构发生回弹,支反力逐渐消失;尼龙材质的六韧带手性结构在12.5 ms时应力波传至底板并产生轻微的支反力,23 ms时手性结构压缩量达到最大值(图5b),此时支反力同步达到最大值2 148 kN(图7b),随着冲击顶板的移除,手性结构发生回弹,支反力逐渐消失。综上分析可知,顶板冲击不同材质的六韧带手性结构过程中,橡胶材质能够明显缓冲来压峰值,并提供充足的缓冲时间。
进一步获得了不同手性结构对应的底板平均支反力随时间的演化规律如图7所示,对比分析可知,橡胶材质的手性结构中(图7a),三种手性结构底板平均支反力峰值出现时间近似,均在200 ms附近,而支反力变化规律则存在明显差异,三韧带和四韧带结构对应的底板平均支反力分别为1 012 kN和894 kN,远远高于六韧带结构的147 kN,且经过三韧带和四韧带结构缓冲后的应力波存在明显的脉冲峰值,该应力波穿过吸能装置作用于液压支架后依旧会产生明显的破坏作用,而经过六韧带结构缓冲后的应力波脉冲峰值消失,平均支反力呈现缓慢上升趋势,后续对液压支架的破坏作用明显减弱,说明橡胶材质整体缓冲效果:六韧带结构>四韧带结构>三韧带结构。
尼龙材质的手性结构中(图7b),三韧带、四韧带和六韧带手性结构底板平均支反力峰值出现的时间分别为34,16.5和20 ms,平均支反力峰值大小分别为904,1 375和2 148 kN,经过3种手性结构缓冲后的应力波表现为不同的脉冲形态,其中六韧带手性结构应力波脉冲形态呈细长山峰状,而三韧带手性结构应力波脉冲形态呈宽广山岭状,缓冲后的应力波穿过吸能装置作用于液压支架后依旧会产生明显的破坏作用,且经六韧带手性结构缓冲后的平均支反力峰值远大于三韧带和四韧带结构,对应的尼龙材质整体缓冲效果:三韧带结构>四韧带结构>六韧带结构。
2.3 手性结构吸能特性
能量演化规律是衡量手性结构吸能特性的重要指标之一。图8给出了相同冲击工况下不同手性结构内能随时间的演化规律。对比分析可知,橡胶材质的手性结构中(图8a),3种结构的吸能峰值近似相同,为104 J,且均出现在200 ms附近,其中三韧带和四韧带的吸能区间呈现为陡峭的山峰状,有效吸能区间范围较小,吸能效果较差;而六韧带手性结构的吸能区间呈现为平缓的山峰状,有效吸能区间范围更大,吸能效果更佳;由于橡胶超弹性特质,冲击过程只发生弹性变形,冲击回弹后吸收的能量被迅速释放。
尼龙材质的手性结构中(图8b),3种结构的内能演化规律近似相同,吸能峰值近似相同,为104 J,且均出现在20~40 ms附近,随着手性结构韧带数量的减少,吸能峰值出现的时间有所滞后;由于冲击过程尼龙材质产生了轻微的弹性变形及一定程度的塑性变形,且在冲击顶板移除后仅发生轻微回弹,因此观察到内能曲线迅速达到峰值,随后下降至一定数值后保持恒定。冲击过程中,三韧带和六韧带结构仅在竖直方向产生了一定变形,而四韧带结构在竖直方向变形的同时在水平方向产生了一定的侧移,导致其变形程度小于其他两种结构,这是四韧带手性结构内能稳定增量小于其他2种结构的原因。
3. 结 论
1) 相同冲击工况下,橡胶材质的手性结构变形程度明显大于尼龙材质,最大变形量对比:橡胶材质三韧带结构>橡胶材质四韧带结构>橡胶材质六韧带结构>尼龙材质三韧带结构>尼龙材质四韧带结构>尼龙材质六韧带结构,即相同冲击工况下橡胶材质三韧带结构压缩变形量最大,为172.1 mm,而尼龙材质六韧带结构压缩变形量最小,为5.83 mm。
2) 相同冲击工况下,橡胶材质的手性结构缓冲效果明显大于尼龙材质,最大支反力对比:尼龙材质六韧带结构>尼龙材质四韧带结构>尼龙材质三韧带结构>橡胶材质三韧带结构>橡胶材质四韧带结构>橡胶材质六韧带结构,即经橡胶材质六韧带结构缓冲后的来压峰值最小,为147 kN,缓冲时间为209 ms,而经尼龙材质六韧带结构缓冲后的来压峰值最大,为2 148 kN,缓冲时间为20 ms。
3) 相同冲击工况下,橡胶材质和尼龙材质的吸能峰值近似相同,均为104 J,而吸能演化过程存在一定差异,橡胶材质的超弹性特质在顶板回弹后吸收的能量被迅速释放,而尼龙材质冲击过程产生了轻微的弹性变形及一定程度的塑性变形,顶板回弹后仅少部分弹性势能释放,大部分以塑性应变能的形式存储在手性结构内部。综上可知,橡胶材质六韧带手性结构具有较好的缓冲吸能效果以及较小的结构变形程度,满足预期指标及具体工况需求。
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表 1 橡胶材料参数
Table 1 Material parameters of rubber
参数 数值 密度ρ0/(kg·m−3) 1 560 Rivlin系数C10(表示截距) 1.221 Rivlin系数C01(表示斜率) 0.61 体积模量D1 1 屈服强度σs/MPa 9.237 37 传导率λ 0.14 材料线膨胀系数α/(℃−1) 0.000 67 表 2 尼龙6110材料参数
Table 2 Material parameters of Nylon
参数 数值 密度ρ0/(kg·m−3) 1 400 弹性模量G/MPa 8 300 泊松比υ 0.28 屈服强度σs/MPa 68.9 传导率λ 0.53 材料线膨胀系数α/(℃−1) 0.000 03 比热CP/(J·(kg·℃)−1) 1.5×103 -
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1. 杨超,付玉凯,董亚东,李鹏,任杰. 高冲击韧性锚杆(索)主动支护技术. 煤炭工程. 2025(04): 34-40 . 百度学术
其他类型引用(1)