一种复合式吸能防冲液压立柱及其使用方法

1.本发明涉及一种复合式吸能防冲液压立柱及其使用方法，属于煤矿支护设备技术领域。


背景技术：

2.冲击地压是煤矿开采过程中遇到的典型动力灾害，以其机理复杂性、发生突然性和破坏剧烈性，对煤矿安全高效生产构成了巨大威胁，成为深部绿色开采亟待解决的技术难题。因此，冲击地压巷道围岩控制及防冲技术一直是国内外学者研究的重点。
3.液压立柱，因其具有极强的支撑能力和自我调控载荷的功能，被广泛应用于当前的煤矿支护中。但是由于其工作机理，导致其在冲击地压等动力灾害来临时存在一个致命缺陷，液压立柱安全阀开启时间及排液卸压速度是一定的，当突发冲击地压时，立柱很难抵抗强大的冲击载荷(冲击地压过程一般在几秒到几十秒，冲击加载到最大载荷在几毫秒到几十毫秒之间，安全阀的动态响应时间不够，且远距离保护元件管路等存在流体阻力损失，在冲击地压发生时，溢流阀来不及打开)造成立柱弯曲、断裂和爆缸等，进而引发整个支架或支护体支护吸能失效。因此，为了弥补现有液压立柱防冲能力偏弱的缺陷，相关技术人员设计了多种具备吸能防冲能力的液压立柱，即在现有液压立柱的基础上增加了吸能防冲结构。
4.目前吸能防冲结构主要分为两类，第一类是以填充吸能材料(泡沫铝、聚氨酯、橡胶)为主的化学吸能防冲结构，第二类是以薄壁预折波纹管、金属切削式等结构变化达到物理吸能防冲效果，如中国专利文件cn103557016b公开了一种多级防冲支柱，利用多级液压吸能筒快速让位吸能。两类吸能防冲结构都是以压缩破坏吸能构件来实现吸能防冲目的，但都存在不足，对于第一类化学吸能结构件，现有的填充材料吸能效果有待提高，且不能重复利用，其支反承载能力偏弱；而仅靠结构改变的物理吸能构件，吸能效果单一，吸能过程不稳定，不具有可调节能力。
5.剪切增稠液(shear thickening fluids，stf)是一种将纳米或者微米尺度的颗粒分散到极性介质中，形成的浓缩颗粒悬浮液，即一种非牛顿流体。在一定的冲击(剪切)条件下，其粘度会随着剪切速率的增大而显著增加。通常这种粘度的增加可达几个数量级，且响应速度快、过程可逆，当应力撤去时流体会恢复到初始状态。在高速冲击下，stf甚至会由可流动的液体状态变成类固体状态，从而吸收大量冲击能量，具有良好的能量衰减能力。
6.基于stf这一特性，设计一种全新的多种吸能方式耦合的吸能防冲液压立柱，提高吸能防冲效果。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明提供一种复合式吸能防冲液压立柱，首次将剪切增稠液(stf)应用于液压立柱，利用其防冲吸能特性实现化学吸能效果，同时利用液体的粘性和结构部件的相互作用耗能达到物理吸能的效果，利用螺旋剪切式结构达到剪切吸能的效
果，三者结合于一体，从而大大增强了液压立柱的吸能防冲能力，在保证立柱吸能防冲工作稳定性的同时，提供了强力的支反承载力。
8.本发明还提供上述复合式吸能防冲液压立柱的使用方法。
9.本发明的技术方案如下：
10.一种复合式吸能防冲液压立柱，包括缸体、液压活塞杆、安全阀和复合式吸能防冲构件，其中，缸体内设置有液压活塞杆，缸体外设置有安全阀，液压活塞杆上设置有复合式吸能防冲构件，通过复合式吸能防冲构件的三重吸能增强液压立柱的吸能防冲能力。
11.优选的，复合式吸能防冲构件包括螺纹剪切件、螺纹切刀、吸能活塞杆、含孔活塞头、缓冲液和导向支撑筒，导向支撑筒一端连接有液压活塞杆，导向支撑筒为内部中空的柱形筒，导向支撑筒内设置有螺纹剪切件；
12.吸能活塞杆一端连接有含孔活塞头，含孔活塞杆头上设置有螺纹切刀，吸能活塞杆通过含孔活塞头和螺纹切刀连接于螺纹剪切件，导向支撑筒内填充有缓冲液。
13.进一步优选的，缓冲液为剪切增稠液。
14.优选的，螺纹剪切件为中空柱形，内部环绕设置有内螺纹，螺纹剪切件外径与导向支撑筒内径相同，螺纹切刀为中空柱形，外部设置有外螺纹，螺纹切刀套装于含孔活塞头，通过外螺纹和内螺纹的配合实现螺纹剪切件与螺纹切刀的螺纹剪切吸能。
15.优选的，吸能活塞杆与导向支撑筒的连接处设置有密封圈，保证导向支撑筒为密封空间。
16.优选的，吸能活塞杆另一端和缸体底端均设置有连接球头，方便使用。
17.优选的，含孔活塞头上均布设置有开孔，在受到冲击后，结构因变形使导向支撑筒和吸能活塞杆产生相对运时,迫使剪切增稠液从开孔或螺纹间隙流过,从而产生阻尼力,将冲击能量通过粘滞耗能消耗掉,达到吸能防冲的目的。
18.优选的，吸能活塞杆与含孔活塞头的长度之和大于导向支撑筒的长度。
19.工作原理：所述含孔活塞头与导向支撑筒底端之间构成剪切吸能让位通道，即物理吸能防冲。所述剪切增稠液填充于导向支撑筒内，与含孔活塞头相接触，当受到冲击时，冲击能量通过含孔活塞头传递给stf，此时stf粘度会随着应变率的增大而显著增加，由可流动的液体状态迅速变成类固体状态，从而吸收大量冲击能量，即达到化学吸能。
20.上述复合式吸能防冲液压立柱的工作方法，操作步骤如下：
21.(1)初始状态，通过缸体本身提供工作支撑阻力，复合式吸能防冲构件由螺纹切刀与螺纹剪切件旋合构成刚性支撑，提供初承力；
22.(2)受到冲击，复合式吸能防冲构件启动，含孔活塞头上的螺纹切刀在冲击载荷作用下被迫迅速下压，螺纹剪切件与螺纹切刀最先启动剪切吸能，随后剪切增稠液在含孔活塞头的冲击下，粘度随着应变率的增大而显著增加，由可流动的液体状态迅速变成类固体状态，从而吸收大量冲击能量，即达到化学吸能状态；
23.同时由于含孔活塞头设有开孔，在受到冲击后，结构因变形使导向支撑筒和吸能活塞杆产生相对运动，迫使剪切增稠液从开孔或螺纹间隙流过，从而产生阻尼力，将冲击能量通过粘滞耗能消耗掉,达到吸能防冲的目的，即物理吸能；
24.三种吸能方式几乎同时作用，瞬间降低冲击载荷的幅值，缓解缸体受到的超额冲击作用，为液压立柱安全阀的开启争取了宝贵的时间，防止安全阀被巨大的冲击瞬间破坏，
降低了爆缸，密封圈压碎，立柱失稳折弯等后果的发生几率，从而大大增强了液压立柱的吸能防冲能力，并提高了液压立柱及其所在支护体系的安全系数；
25.(3)安全阀打开，缸体进行卸压。
26.本发明的有益效果在于：
27.1、本发明首次将剪切增稠液(stf)应用于液压立柱，利用其防冲吸能特性实现化学吸能效果，同时利用液体的粘性和结构部件的相互作用耗能达到物理吸能的效果，利用螺旋剪切式结构达到剪切吸能的效果，三者结合于一体，从而大大增强了液压立柱的吸能防冲能力，在保证立柱吸能防冲工作稳定性的同时，提供了强力的支反承载力。
28.2、本发明的含孔活塞头上均布设置有开孔，在受到冲击后，结构因变形使导向支撑筒和吸能活塞杆产生相对运时,迫使剪切增稠液从开孔或螺纹间隙流过,从而产生阻尼力,将冲击能量通过粘滞耗能消耗掉,达到吸能防冲的目的。
附图说明
29.图1为本发明初始状态结构示意图；
30.图2为本发明冲击状态结构示意图；
31.图3为本发明的含孔活塞头正面结构示意图；
32.其中：1、缸体；2、液压活塞杆；3、螺纹剪切件；4、螺纹切刀；5、吸能活塞杆；6、含孔活塞头；7、剪切增稠液；8、密封圈；9、导向支撑筒；10、连接球头；11、连接球头；12、开孔。
具体实施方式
33.下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
34.实施例1：
35.如图1
‑
3所示，本实施例提供一种复合式吸能防冲液压立柱，包括缸体1、液压活塞杆2、安全阀和复合式吸能防冲构件，其中，缸体1内设置有液压活塞杆2，缸体1外设置有安全阀，液压活塞杆2上设置有复合式吸能防冲构件，通过复合式吸能防冲构件的三重吸能增强液压立柱的吸能防冲能力。
36.复合式吸能防冲构件包括螺纹剪切件3、螺纹切刀4、吸能活塞杆5、含孔活塞头6、缓冲液和导向支撑筒9，导向支撑筒9一端连接有液压活塞杆2，导向支撑筒9为内部中空的柱形筒，导向支撑筒9内设置有螺纹剪切件3；
37.吸能活塞杆5一端连接有含孔活塞头6，含孔活塞头6上设置有螺纹切刀4，吸能活塞杆5通过含孔活塞头6和螺纹切刀4连接于螺纹剪切件3，导向支撑筒9内填充有缓冲液。
38.缓冲液为剪切增稠液7。
39.螺纹剪切件3为中空柱形，内部环绕设置有内螺纹，螺纹剪切件3外径与导向支撑筒9内径相同，螺纹切刀4为中空柱形，外部设置有外螺纹，螺纹切刀4套装于含孔活塞头6，通过外螺纹和内螺纹的配合实现螺纹剪切件与螺纹切刀的螺纹剪切吸能。
40.含孔活塞头6上均布设置有开孔12，在受到冲击后，结构因变形使导向支撑筒和吸能活塞杆产生相对运时,迫使剪切增稠液从开孔或螺纹间隙流过,从而产生阻尼力,将冲击能量通过粘滞耗能消耗掉,达到吸能防冲的目的。
41.吸能活塞杆5与含孔活塞头6的长度之和大于导向支撑筒9的长度。
42.工作原理：所述含孔活塞头与导向支撑筒底端之间构成剪切吸能让位通道，即物理吸能防冲。所述剪切增稠液填充于导向支撑筒内，与含孔活塞头相接触，当受到冲击时，冲击能量通过含孔活塞头传递给stf，此时stf粘度会随着应变率的增大而显著增加，由可流动的液体状态迅速变成类固体状态，从而吸收大量冲击能量，即达到化学吸能。
43.上述复合式吸能防冲液压立柱的工作方法，操作步骤如下：
44.(1)初始状态，通过缸体1本身提供工作支撑阻力，复合式吸能防冲构件由螺纹切刀4与螺纹剪切件3旋合构成刚性支撑，提供初承力；
45.(2)受到冲击，复合式吸能防冲构件启动，含孔活塞6头上的螺纹切刀4在冲击载荷作用下被迫迅速下压，螺纹剪切件3与螺纹切刀4最先启动剪切吸能，随后剪切增稠液在含孔活塞头的冲击下，粘度随着应变率的增大而显著增加，由可流动的液体状态迅速变成类固体状态，从而吸收大量冲击能量，即达到化学吸能状态；
46.同时由于含孔活塞头6设有开孔12，在受到冲击后，结构因变形使导向支撑筒9和吸能活塞杆5产生相对运动，迫使剪切增稠液7从开孔12或螺纹间隙流过，从而产生阻尼力，将冲击能量通过粘滞耗能消耗掉,达到吸能防冲的目的，即物理吸能；
47.三种吸能方式几乎同时作用，瞬间降低冲击载荷的幅值，缓解缸体受到的超额冲击作用，为液压立柱安全阀的开启争取了宝贵的时间，防止安全阀被巨大的冲击瞬间破坏，降低了爆缸，密封圈压碎，立柱失稳折弯等后果的发生几率，从而大大增强了液压立柱的吸能防冲能力，并提高了液压立柱及其所在支护体系的安全系数；
48.(3)安全阀打开，缸体进行卸压。
49.实施例2：
50.一种复合式吸能防冲液压立柱，结构如实施例1所述，不同之处在于，吸能活塞杆5与导向支撑筒9的连接处设置有密度圈8，保证导向支撑筒为密封空间。吸能活塞杆5另一端设置有连接球头10，缸体1底端设置有连接球头11，方便使用。
51.以上所述，实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的技术范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。