沈佳興, 徐平, 范中海, 于英華

(1. 遼寧工程技術(shù)大學 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院,遼寧阜新 123000;2. 遼寧工程技術(shù)大學 機械工程學院,遼寧阜新 123000)

煤礦井下沖擊地壓是指井下巷道及采掘工作面具有高彈性勢能的煤巖在外界因素影響下,彈性勢能瞬間猛烈釋放并導致煤巖爆裂并彈射的現(xiàn)象,沖擊地壓是煤礦井下開采活動面臨的主要安全隱患之一[1-3]。在沖擊地壓事故中巷道是易破壞位置,如:2011年,河南千秋煤礦的重大沖擊地壓事故,致使其長達380 m的巷道破壞嚴重甚至巷道完全合攏;山東新汶礦業(yè)集團累計發(fā)生沖擊地壓事故500余起,累計破壞巷道超過2 km,摧毀巷道超過600 m,經(jīng)濟損失達到1億元;阜新礦業(yè)集團在計的破壞性沖擊地壓事故發(fā)生323次,破壞巷道高達達2×104m[4]。傳統(tǒng)解決沖擊地壓的方法是采用錨桿錨索網(wǎng)支護、U型鋼支撐及門式液壓支架等方式提高支護強度進而減少沖擊地壓的發(fā)生次數(shù)[5-6];但相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)上述方式支護的巷道雖然沖擊地壓發(fā)生次數(shù)減少,但在某些情況下依然會發(fā)生沖擊地壓且隨著支護應力的提高沖擊地壓的破壞程度會更加嚴重。

為解決上述問題,潘一山等提出讓位吸能防沖擊理論,該理論的思路是在支護設(shè)備中設(shè)計一個或多個強度相對較低的沖擊吸能裝置,利用該裝置的彈塑性變形及時吸收煤巖的沖擊能量避免沖擊地壓的發(fā)生[1]。根據(jù)該理論,文獻[1-2]設(shè)計一種曲殼折棱管的讓位吸能裝置、文獻[7]設(shè)計一種變梯度薄壁吸能裝置、文獻[4]設(shè)計一種外翻型直紋管吸能裝置。上述研究深入且得到一定應用并取得可喜的效果,但也存在如抗沖擊吸能量有待提高,讓位吸能階段支撐力波動較大等問題。

為此,本文設(shè)計一種支架用點陣讓位吸能裝置,點陣結(jié)構(gòu)不但具有抗沖擊,高吸能特點,還具有讓位阻力穩(wěn)定等優(yōu)點[8-11]。本文采用對比分析方式確定最佳點陣吸能裝置的拓撲結(jié)構(gòu),并采用正交實驗的方式分析點陣結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸能量大小及支撐力的影響規(guī)律并確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù),以獲得最佳拓撲結(jié)構(gòu)及最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)的讓位吸能裝置,進而提高防沖液壓支架的安全性。

1 防沖液壓支架點陣吸能裝置

防沖液壓支架是在支架液壓立柱底部安裝能夠軸向壓縮的吸能裝置,在吸能裝置的內(nèi)部安置有點陣材料吸能芯體。當來壓作用到支架上時,沖擊力通過液壓立柱底部的壓縮桿作用到點陣吸能芯體上,芯體壓縮吸收沖擊能,保護支架的其他結(jié)構(gòu),點陣吸能裝置如圖1所示。本文以ZHDF4150/31/40巷道門式吸能防沖液壓支架為研究對象,該支架的工作阻力Fr=4 150 kN,液壓立柱的缸體內(nèi)徑D為230 mm,吸能裝置的極限安裝長度L=350 mm。

圖1 點陣吸能裝置

2 點陣結(jié)構(gòu)胞體單元壓縮性能分析

點陣材料是一種新型多孔材料,其與常規(guī)多孔材料的本質(zhì)不同是具有周期排列的孔或孔穴[12-13]。常見的點陣材料胞體的拓撲結(jié)構(gòu)有:類圓錐殼體、金字塔形、X形等結(jié)構(gòu)[14],如圖2所示。

圖2 點陣材料胞體拓撲結(jié)構(gòu)

為確定讓位吸能裝置的最佳拓撲點陣胞體結(jié)構(gòu),分別研究類圓錐殼體、金字塔形、X形的胞體壓縮力學性能,為使研究有可比性,設(shè)圖1中各胞體的高度h和胞體底部尺寸l均為20 mm,金字塔胞體的桿直徑為5 mm,X形的鋼板厚2 mm,類圓錐體的殼厚1 mm。利用三維建模軟件計算類圓錐胞體的質(zhì)量為5.25 g,金字塔胞體的質(zhì)量為10.7 g,X形胞體的質(zhì)量為17.1 g。

因為胞體壓縮過程為塑性大變形,所以采用ANSYS Workbench軟件中的Explicit Dynamics模塊進行分析[15]。胞體的材料為鋼,分析時直接調(diào)用軟件材料庫中的Steel 4340模型模擬。根據(jù)文獻[1]可知井下沖擊地壓發(fā)生時圍巖的沖擊速度為0.1～5 m/s,因此設(shè)置上壓頭的壓縮速度設(shè)為5 m/s,并設(shè)置下壓頭完全約束,并將上下壓頭均設(shè)為剛體,類圓錐分析時的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

分析胞體在高度方向壓縮比為75%時胞體吸收的變形能量和胞體產(chǎn)生的支撐力,各種胞體的壓縮過程如圖4所示,圖4中單位為MPa。

圖4 壓縮變形過程

根據(jù)圖4a)可知:類圓錐屈曲變形是先上端內(nèi)凹且上端直徑擴大,通過材料的內(nèi)屈曲及擴徑吸收能量,當變形到一定程度時,胞體中間位置內(nèi)凹(圖4(a4)),隨著壓縮繼續(xù),類圓錐體上端部的變形區(qū)域?qū)⒉迦腩悎A錐體下端直徑較大區(qū)域(圖4(a5))。金字塔胞體的變形主要為4根圓柱足的屈曲變形(圖4b))。X形胞體變形為上端與上壓頭接觸的位置先發(fā)生屈曲變形,當上端變?yōu)樗胶?圖4(c3))胞體的下端開始變形直至壓實(圖4(c5))。

分別取各結(jié)構(gòu)胞體壓縮時的變形能數(shù)據(jù),并將其除以各胞體的質(zhì)量得到比吸能,比吸能夠反映各種胞體單位質(zhì)量的吸能性,結(jié)果如圖5所示。

圖5 比吸能曲線

由圖5可知:3種胞體在壓縮比為10%時比吸能相差較小,但壓縮比超過10%后,金字塔胞體的比吸能迅速提高且為3種胞體中最大,因此可以確定金字塔胞體的吸能性要優(yōu)于其他兩種拓撲結(jié)構(gòu)的胞體。

讓位吸能結(jié)構(gòu)不僅需要有較好的吸能性,同時要能提供合適的支撐力,若支撐力過大則難以實現(xiàn)讓位吸能效果導致支架其他薄弱環(huán)節(jié)損壞,支撐力過小又難以起到支護效果。因此研究各種胞體的支撐力大小非常必要。根據(jù)上面的壓縮仿真分析,分別提取3種胞體在壓縮過程中的單位質(zhì)量支撐力曲線,如圖6所示。

圖6 單位質(zhì)量支撐力曲線

由圖6可知:在初始壓縮時,三者支撐力均迅速激增后迅速下降,但X形胞體在后期壓縮時的支撐力有較大波動,該支撐力對支架的其他結(jié)構(gòu)有較大不利影響;類圓錐胞體和金字塔胞體的支撐力變化相對較平穩(wěn),且能提供一定的支撐力。

綜合分析各種胞體的比吸能和支撐力可知金字塔胞體的比吸能最大且支撐力較大,平穩(wěn)。因此選取金字塔胞體作為防沖支架的吸能胞體單元。

3 點陣吸能芯體參數(shù)設(shè)計

采用正交實驗研究金字塔胞體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸能性和支撐力的影響,尋找最優(yōu)點陣吸能芯體參數(shù)方案。設(shè)計的吸能結(jié)構(gòu)如圖7所示。在液壓立柱的底座內(nèi)放置點陣吸能芯體,每層點陣吸能芯體底部與一層固定夾層板焊接到一起,當多層吸能芯體組合使用時相鄰兩層吸能芯體的固定夾層板構(gòu)成“固定夾層板-點陣吸能芯體-固定夾層板”的夾芯結(jié)構(gòu),如圖1中所示。分析點陣吸能芯體的胞體高度h,胞體立足的傾斜寬度a及立足的直徑d這3個因素對吸能性和支撐力的影響。

圖7 單層點陣吸能結(jié)構(gòu)

因為底座安裝吸能裝置的空間有限,如圖1中D=230 mm,L的極限長度350 mm。當a越大,在吸能裝置的同一層沿其徑向分布的金字塔胞體數(shù)目越少,當h越大沿著立柱軸向分布的金字塔胞體層數(shù)就越少。因此變量a和h不能無限大,為此設(shè)定3個因素(h,a,d)的研究范圍分別為10～90 mm,10～50 mm,4～8 mm。將3個因素劃分為5個水平,具體劃分方法如表1所示。

表1 胞體分析因素

考查吸能大小和支撐力兩個指標,根據(jù)正交規(guī)則確定正交實驗的研究樣本如表2所示。

表2 正交實驗樣本及結(jié)果

因為仿真分析需要耗費大量時間,又因為每層吸能芯體結(jié)構(gòu)相同,為提高仿真效率只研究一層吸能芯體的吸能和支撐力大小,然后再將每層吸能芯體吸能大小乘以吸能裝置能夠容納吸能芯體層數(shù)得到吸能裝置的總吸能量。

利用Creo2.0建立單層吸能芯體的三維模型并導入到Explicit Dynamics模塊中,利用該模塊分析單層吸能芯體在各個樣本點時吸能特性。分析時吸能裝置的底座壁、點陣吸能芯體、芯體固定夾層板均為柔性體其材料與胞體分析時相同,設(shè)置壓頭為剛性體。設(shè)置吸能芯體的網(wǎng)格大小為2 mm,其余結(jié)構(gòu)為自適應網(wǎng)格,模型共有124 789節(jié)點,508 598單元,如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格模型

設(shè)置點陣吸能芯體與固定夾層板的接觸為綁定接觸,點陣吸能芯體與底座壁的接觸、點陣吸能芯體與壓頭的接觸及固定夾層板與底座壁的接觸均為摩擦接觸,摩擦因數(shù)均為0.1。在壓頭上施加壓縮速度為5 m/s,在芯體夾層板的底面添加固定約束,各樣本的計算結(jié)果見表2。

根據(jù)表2分析各因素對各考察指標的影響極差,結(jié)果如表3和表4所示。

表3 吸能大小的影響極差

表4 支撐力的影響極差

由表2和表3的影響極差可知：對吸能影響最大的因素是胞體立足傾斜寬度a,胞體高度h影響次之,立足直徑d影響最??；對支撐力影響最大的因素是胞體立足傾斜寬度a,立足直徑d影響次之,胞體高度h影響最小。由此可知選取合適的胞體立足傾斜寬度a是設(shè)計點陣吸能裝置的關(guān)鍵因素。

為確定各因素的最佳組合,利用畫圖法繪制出各因素各水平的分布規(guī)律，如圖9和圖10所示。

圖9 各因素對吸能大小影響規(guī)律

圖10 各因素對支撐力影響規(guī)律

由圖9可知,從提高裝置的吸能性角度出發(fā)最優(yōu)的設(shè)計方案為h5a1d5,但考慮到支架的工作阻力為Fr=4 150 kN,因此吸能裝置的支撐力至少大于4 150 kN,同時吸能裝置的支撐力不能過大,根據(jù)圖9和圖10初步確定3個候選方案,具體大小如表5所示。

表5 候選方案

采用同樣的方法依次對3個候選方案進行分析,得到吸能曲線如圖11所示,方案h2a2d2的最大吸能為210 kJ,方案h3a2d2的最大吸能為294 kJ,方案h3a2d3的最大吸能為335 kJ。方案h3a2d2和h3a2d3在壓縮量小于等于20%時變化基本一致。當壓縮量繼續(xù)增加之后,h3a2d3的吸能量迅速增加。

圖11 候選方案的吸能曲線

3個候選方案的支撐力曲線如圖12所示,可知方案h3a2d3的支撐力最大,而h3a2d2次之,h2a2d2最小。當壓縮量達到約35%時方案h3a2d2的支撐力波動迅速減小且壓縮后期變化較平穩(wěn)。當壓縮量達到約45%時方案h2a2d2的支撐力波動迅速減小,支撐力近似呈線性增加。方案h3a2d3的支撐力變化均有較大波動。分析各方案的支撐力,其中h2a2d2的支撐力為3 881.01 kN,h3a2d2的支撐力為4 679.76 kN,h3a2d3的支撐力為5 251.54 kN。雖然方案h3a2d3的吸能量最大,但其支撐力過大,且支撐力的波動較大,難以起到讓位吸能作用易導致支架的其他結(jié)構(gòu)損壞,因此確定h3a2d2為最佳方案。

圖12 候選方案的支撐力曲線

提取h3a2d2方案的應力云圖如圖13所示,根據(jù)圖可知點陣芯體壓縮時底座壁也發(fā)生變形并有應力,內(nèi)部點陣吸能芯體幾乎已經(jīng)壓實,裝置的最大應力為1 253.7 MPa。

圖13 方案h3a2d2的應力云圖

方案h3a2d2的單層點陣吸能芯體高為50 mm,芯體夾層板(圖8)厚為10 mm,因此單層點陣吸能裝置的總高為60 mm,考慮到點陣吸能裝置最大安裝長度L為350 mm,因此可以在內(nèi)部安裝5層點陣吸能芯體,因為每層點陣吸能芯體結(jié)構(gòu),參數(shù)一致,因此吸能大小也相同,所以該吸能裝置的吸能量高達294×5=1 470 kJ,約是現(xiàn)有讓位吸能裝置吸能大小的2～4倍[2],因此該點陣吸能裝置具有高吸能性,能夠抗擊較大能量的沖擊地壓,能夠提高支護設(shè)備的安全性。

4 結(jié)論

1) 分析了類圓錐體、金字塔形及X形點陣材料胞體的壓縮吸能性能,金字塔胞體的比吸能最大且支撐力曲線比較平穩(wěn),確定金字塔胞體為最佳拓撲結(jié)構(gòu)胞體。

2) 通過正交分析研究金字塔形點陣吸能芯體的吸能性,研究表明胞體立足傾斜寬度a對吸能性和支撐力的影響最大。

3) 金字塔形點陣吸能芯體的可行方案為h3a2d2,即胞體高度h=50 mm,胞體立足傾斜寬度a=20 mm,直徑d=5 mm。點陣吸能裝置的總吸能量為1 470 kJ,約是現(xiàn)有讓位吸能裝置吸能大小的2～4倍,且支撐力為4 679.76 kN,證明該種吸能裝置具有良好的吸能性。