一种分级吸能自启防冲装置及方法

1.本发明涉及矿山安全与地下空间支护领域，具体涉及一种分级吸能自启防冲装置及方法。


背景技术：

2.近年来，我国浅部煤炭资源日益减少，煤矿开采逐步由浅部煤层转向深部煤层。深部煤层受“三高一扰动”的影响，巷道的地质环境条件极其复杂，巷道面临冲击地压的风险日益增大，严重制约了煤矿安全高效生产。为应对上述问题，矿井巷道液压支架大都加装了大流量安全阀，但一方面冲击载荷作用时间短而安全阀启动时间长，另一方面液压弹簧刚度和活塞杆质量偏高使得阻尼系数偏低，在冲击载荷的作用下震动频率高，震动周期远快于安全阀的开启特性，使得大流量安全阀不能及时开启，冲击能量不能及时卸载，使得液压支架失稳变形，引发安全事故。此外，随着我国经济社会的发展，基础建设力度逐年增大，山岭隧道、引水隧洞、轨道交通等地下工程也存在岩爆现象频发的问题，同矿井巷道支护类似，山岭隧道，轨道交通等地下工程也亟需研发吸能防冲装置保护地下工程的安全。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种分级吸能自启防冲装置及方法，以解决现有技术中存在的问题。
4.为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种分级吸能自启防冲装置，包括缸体和活塞。
5.所述缸体的下端封闭，上端敞口。
6.所述缸体的内部包括相互连通的上腔体和下腔体，上腔体和下腔体均为圆柱状腔体且上腔体的直径小于下腔体的直径，上腔体的上端贯通缸体的上表面，上腔体的下端设置有收口，收口处安装有橡胶圈。
7.所述活塞的上下端分别安装到上腔体和下腔体内，活塞的上下端均设有环形凸缘，上端的环形凸缘套设有环形橡胶材料，环形橡胶材料与上腔体的内壁接触。
8.所述活塞的顶部安装有复位弹簧，复位弹簧上安装有应力传感器。
9.所述下腔体的底部安装有内缸，内缸的上端设有供活塞下端伸入的开口，该开口安装有橡胶圈，活塞下端的环形凸缘位于内缸内。
10.所述内缸装有磁流变液，内缸靠近其底部的侧壁上设有供磁流变液流通的若干单向阀ⅰ和若干单向阀ⅱ，内缸的底部安装有方柱吸能构件。
11.所述内缸的外围设有线圈，线圈固定在下腔体内壁上。
12.当所述缸体和复位弹簧受到冲击载荷时，应力传感器将监测到的压力值发送至上位机，上位机根据压力值指导外接电路向线圈供电，磁流变液的阻尼系数在电磁场作用下改变，活塞的下端冲击到磁流变液内进行耗能。
13.进一步，所述方柱吸能构件为蜂窝结构，该蜂窝结构的单个胞体为方柱，方柱吸能
构件的材料为不锈钢。
14.进一步，所述活塞的外壁与内缸上端开口处的橡胶圈紧密接触。
15.一种分级吸能自启防冲方法，基于上述的装置，包括以下步骤：
16.1)将所述的一种分级吸能自启防冲装置组装好。
17.2)将所述装置进行冲击试验，当磁流变液达到设定硬度时，对应的冲击载荷记为σ1。当所述方柱吸能构件发生塑性变形时，对应的冲击载荷记为σ2。其中，定义微冲击σ＜0.3σ1，弱冲击0.3σ1＜σ＜σ1，中等冲击σ1＜σ＜σ2，强烈冲击σ＞σ2。
18.3)将所述装置安装到支护结构中。其中，所述复位弹簧的上端与支护结构连接。
19.4)当所述装置遭受微冲击时，线圈通入电流，磁流变液呈流动状态，活塞的下端对磁流变液进行挤压，磁流变液通过若干单向阀ⅰ排出内缸进行泄压。
20.5)当所述装置遭受弱冲击时，线圈通入电流增大，流动状态的磁流变液阻尼系数增大，震动频率降低，阻挡多次弱冲击带来的疲劳损伤，磁流变液排出内缸进行泄压。
21.6)当所述装置遭受中等冲击时，线圈的电流使磁流变液变硬，固态的磁流变液与方柱吸能构件共同抵抗冲击。
22.7)当所述装置遭受强烈冲击时，线圈的电流使磁流变液变硬，固态的磁流变液与方柱吸能构件共同抵抗冲击，方柱吸能构件逐渐压密吸能。
23.8)更换掉屈曲变形的所述方柱吸能构件。
24.5.根据权利要求4所述的一种分级吸能自启防冲方法，其特征在于：在步骤3)和4)中，待冲击消失后，所述复位弹簧拉动活塞向上运动，内缸内产生负压，内缸外的磁流变液经若干单向阀ⅱ流入内缸。
25.本发明的有益效果在于：
26.1.本发明充填的磁流变液是一种新型智能材料，随着磁场的增加，磁流变液的阻尼系数会逐渐增强；根据这一特性，实现了对不同程度的冲击进行分级控制；
27.2.在冲击载荷消失后，若方形吸能构件未发生塑性变形，则该防冲装置能够重复使用；其次，在冲击载荷较小时，磁流变液的特征能够有效减轻疲劳损坏，减缓支护阻力的下降，较传统的防冲装置，其使用寿命得到了明显的提升。
28.3.该防冲装置本身能够吸收和卸载部分冲击能量，在冲击载荷较小时，能够减少支护系统中的安全阀开启次数，降低整个支护系统的维护成本；在冲击载荷较大时，能够及时吸能让位，为支护系统中的大流量安全阀的开启争取足够的时间。
附图说明
29.图1为本发明的一种分级吸能自启防冲装置示意图。
30.图中：缸体1、活塞2、上腔体3、线圈4、下腔体5、内缸6、磁流变液7、方柱吸能构件8、单向阀ⅰ9、单向阀ⅱ10和复位弹簧11。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
32.实施例1：
33.参见图1，本实施例公开了一种分级吸能自启防冲装置，将其应用于矿山巷道液压支架中，包括设置在液压支架底座和液压支柱之间的缸体1和活塞2。
34.所述缸体1的下端封闭且与支架底座连接，上端敞口且与液压支柱连接。
35.所述缸体1的内部包括相互连通的上腔体3和下腔体5，上腔体3和下腔体5均为圆柱状腔体且上腔体3的直径小于下腔体5的直径，上腔体3的上端贯通缸体1的上表面。所述上腔体3的下端设置有收口，收口处安装有橡胶圈。
36.所述活塞2的上下端分别安装到上腔体3和下腔体5内，活塞2的上下端均设有环形凸缘，上端的环形凸缘上套设有环形橡胶材料，环形橡胶材料与上腔体3的内壁接触。
37.所述活塞2的顶部与液压支柱之间连接有复位弹簧11，复位弹簧11上安装有应力传感器。
38.所述下腔体5的底部安装有内缸6，内缸6的上端设有供活塞2下端伸入的开口，该开口安装有橡胶圈，活塞2下端的环形凸缘位于内缸6内，活塞2的外壁与内缸6上端开口处的橡胶圈紧密接触，橡胶圈与环形橡胶材料能有效减少活塞2与缸体1缸壁摩擦造成的磨损。
39.所述内缸6装有磁流变液7，内缸6靠近其底部的侧壁上设有供磁流变液7流通的若干单向阀ⅰ9和若干单向阀ⅱ10，内缸6的底部安装有方柱吸能构件8。所述单向阀ⅰ9仅允许磁流变液从内缸6的内部流向内缸6的外部，单向阀ⅱ10仅允许磁流变液从内缸6的外部流向内缸6的内部。
40.所述方柱吸能构件8为蜂窝结构，该蜂窝结构的单个胞体为方柱，方柱吸能构件8的材料为不锈钢。
41.初始状态时，所述活塞2顶部与缸体1顶部平齐，活塞2下端伸入内缸6且与磁流变液7的液面存在间隙，磁流变液7的体积为内缸6体积的五分之四，方柱吸能构件8的上表面位于磁流变液7液面以下。
42.所述内缸6的外围设有线圈4，线圈4固定在下腔体5内壁上，线圈4与外接电路连通。
43.当所述缸体1和复位弹簧11受到冲击载荷时，应力传感器将监测到的压力值发送至上位机，上位机根据压力值的大小指导外接电路向线圈4供电，供电参数依据压力值的大小确定，磁流变液7的阻尼系数在电磁场作用下改变，活塞2的下端冲击到磁流变液7内进行耗能。
44.在正式投入使用前，需对装置进行冲击实验，所述磁流变液7达到设定硬度时，记冲击载荷为σ1；所述方柱吸能构件8发生塑性变形时，记冲击载荷为σ2；对冲击强度进行分级量化，定义微冲击σ＜0.3σ1，弱冲击0.3σ1＜σ＜σ1，中等冲击σ1＜σ＜σ2，强烈冲击σ＞σ2。
45.在受到冲击载荷时，所述活塞2会向下运动，与此同时，应力传感器受力控制线圈4电路通电，使得下腔体5中的磁流变液7阻尼系数增强。
46.当受到微冲击时，应力传感器受力较小，此时，通入电路的电流较小，下腔体5形成的磁场较弱，磁流变液体阻尼系数提升较小，此时，通过活塞2下端没入磁流变液7中，使内缸6内的液体排向内缸6外部；
47.当受到弱冲击时，活塞2向下运移，应力传感器受力进一步增大，整个线圈4通入电
流增大，磁流变液7的阻尼系数也进一步增大，支护刚度提升，冲击载荷下的震动频率降低，能够有效减轻多次小冲击载荷带来的疲劳损伤，有利于提高液压支架的支护性能。
48.当受到中等强度冲击时，应力传感器控制电路使得磁流变液变硬的同时，方柱吸能构件8发生屈曲吸能让位，能够保证较高的平台应力，满足液压支架抗冲击性能，此过程能吸收较大的能量，减少大流量安全阀开启次数。
49.当受到强烈冲击时，磁流变液7变硬，震动周期变大；同时，内缸6底部的方柱吸能构件8逐渐压密，吸能急剧增大，充分吸收冲击地压初期的部分能量，防止在冲击载荷进一步增大时，液压支架发生整体破坏，为大流量安全阀启动争取时间。
50.当冲击载荷消失后，复位弹簧11工作，带动活塞2回到初始位置，电路断电，磁流变液7阻尼系数减小，流动性变大，同时，单向阀开启，活塞2上升在内缸6内部产生负压使磁流变液7从内缸6的外部流入内部，回到初始状态。
51.总结来说，本实施例所述装置具有以下优点：
52.1.防冲装置通过排液让位、磁流变液增强液压支架阻尼系数以及吸能构件结构变形吸能让位三重防护，对不同程度的冲击地压进行分级控制。
53.2.磁流变液自身具有磁场增大，阻尼系数增强；磁场消失，流动性增大的特点；因此，磁流变液体能够在不同的冲击载荷下，采用排液让位、磁流变液增强液压支架阻尼系数两种不同的方式吸收部分冲击能量；此外磁流变液自身这种特性，能够有效减轻多次小冲击载荷带来的疲劳损伤，减缓液压支架支护阻力的下降，较传统的防冲装置，其使用寿命得到了明显的提升。
54.3.防冲装置本身能够吸收和卸载部分冲击能量，在冲击载荷较小时，能够减少安全阀开启次数，降低整个液压支护的维护成本；在冲击载荷较大时，能够及时吸能让位，为大流量安全阀的开启争取足够的时间，有利于提高矿井巷道与地下空间的支护稳定性。
55.4.在冲击载荷消失后，若方形吸能构件未发生塑性变形，则该防冲装置能够多次重复使用。
56.5.对冲击载荷的冲击强度进行了分级量化，有利于该防冲装置对不同的冲击载荷进行分级控制。
57.实施例2：
58.本实施例公开了一种分级吸能自启防冲方法，基于实施例1所述的装置，包括以下步骤：
59.1)将所述的一种分级吸能自启防冲装置组装好。
60.2)将所述装置进行冲击试验，当磁流变液7达到设定硬度时，对应的冲击载荷记为σ1。当所述方柱吸能构件8发生塑性变形时，对应的冲击载荷记为σ2。其中，定义微冲击σ＜0.3σ1，弱冲击0.3σ1＜σ＜σ1，中等冲击σ1＜σ＜σ2，强烈冲击σ＞σ2。
61.3)将所述装置安装到支护结构中。其中，所述复位弹簧11的上端与支护结构连接。待冲击消失后，所述复位弹簧11拉动活塞2向上运动，内缸6内产生负压，内缸6外的磁流变液7经若干单向阀ⅱ10流入内缸6。
62.4)当所述装置遭受微冲击时，线圈4通入较小电流，产生的磁场较小，磁流变液7流动性较强而呈流动状态，活塞2的下端对磁流变液7进行挤压，磁流变液7通过若干单向阀ⅰ9排出内缸6进行泄压。待冲击消失后，所述复位弹簧11拉动活塞2向上运动，内缸6内产生负
压，内缸6外的磁流变液7经若干单向阀ⅱ10流入内缸6。
63.5)当所述装置遭受弱冲击时，线圈4通入电流增大，流动状态的磁流变液7阻尼系数增大，震动频率降低，阻挡多次弱冲击带来的疲劳损伤，磁流变液7排出内缸6进行泄压。所述磁流变液7由于阻尼系数增大导致震动频率降低，能够有效减轻多次小冲击载荷带来的疲劳损伤。
64.6)当所述装置遭受中等冲击时，线圈4的电流使磁流变液7变硬，固态的磁流变液7与方柱吸能构件8共同抵抗冲击。所述磁流变液7变硬后，支护刚度增加，震动周期增大，方柱吸能构件8开始屈曲让位，维持较高的平台应力，为支护系统中的大流量安全阀开启争取时间.
65.7)当所述装置遭受强烈冲击时，线圈4的电流使磁流变液7变硬，固态的磁流变液7与方柱吸能构件8共同抵抗冲击，方柱吸能构件8逐渐压密吸能。方柱吸能构件8充分吸收冲击地压初期的部分能量，防止在冲击载荷进一步增大时，整个支护系统发生整体破坏，为支护系统中的大流量安全阀启动争取时间。
66.8)更换掉屈曲变形的所述方柱吸能构件8。
67.本实施例利用磁流变液这一新型智能材料随着磁场的增加磁流变液的阻尼系数会逐渐增强的特性，实现对不同程度的冲击进行分级控制。
68.实施例3：
69.参见图1，本实施例公开了一种分级吸能自启防冲装置，将其应用于隧道支护中，包括安装在锚杆垫板和锚杆螺母之间的缸体1和活塞2。
70.所述缸体1的下端封闭且与锚杆垫板连接，上端敞口且与锚杆螺母连接。
71.所述缸体1的内部包括相互连通的上腔体3和下腔体5，上腔体3和下腔体5均为圆柱状腔体且上腔体3的直径小于下腔体5的直径，上腔体3的上端贯通缸体1的上表面，上腔体3的下端设置有收口，收口处安装有橡胶圈。
72.所述活塞2的上下端分别安装到上腔体3和下腔体5内，活塞2的上下端均设有环形凸缘，上端的环形凸缘上套设有环形橡胶材料，环形橡胶材料与上腔体3的内壁接触。
73.所述活塞2的顶部与液压支柱之间连接有复位弹簧11，复位弹簧11上安装有应力传感器。
74.所述下腔体5的底部安装有内缸6，内缸6的上端设有供活塞2下端伸入的开口，该开口安装有橡胶圈，活塞2下端的环形凸缘位于内缸6内。
75.所述内缸6装有磁流变液7，内缸6靠近其底部的侧壁上设有供磁流变液7流通的若干单向阀ⅰ9和若干单向阀ⅱ10，内缸6的底部安装有方柱吸能构件8。
76.所述内缸6的外围设有线圈4，线圈4固定在下腔体5内壁上。
77.当所述缸体1和复位弹簧11受到冲击载荷时，应力传感器将监测到的压力值发送至上位机，上位机根据压力值指导外接电路向线圈4供电，磁流变液7的阻尼系数在电磁场作用下改变，活塞2的下端冲击到磁流变液7内进行耗能。
78.实施例4：
79.本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述方柱吸能构件8为蜂窝结构，该蜂窝结构的单个胞体为方柱，方柱吸能构件8的材料为不锈钢。
80.实施例5：
81.本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述活塞2的外壁与内缸6上端开口处的橡胶圈紧密接触。