一种非均匀壁厚恒阻吸能装置的制作方法

本实用新型属于采矿安全技术领域，具体涉及一种非均匀壁厚恒阻吸能装置。

背景技术：

冲击地压是一种严重的煤矿地质灾害，可以对井下巷道及工作面造成严重破坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。开采过程中，应采取积极主动的预防措施和强有力的支护措施，以确保工作作业安全。

目前矿井开采及支护领域多采用液压支架进行支护，然而由于冲击地压发生的时间短、强度高、释放能量大的特点，传统的液压支架安全保护通常来不及让位卸载，使得支柱出现破坏、立柱折损及支护结构失效的问题，导致支护结构无法起到有效的支撑作用，使得作业安全无法得到保障。

中国专利文献cn202596748u中公开了一种矿用快速吸能防冲让位支护构件，其具有折纹形状的筒状结构，如图1所示，整个挤压变形过程所形成的位移和轴向承载力之间的关系曲线如图2所示。

a阶段：防冲构件基本无变形承载能力基本呈线性增加；

b阶段：防冲构件的上内凹面2开始向内收缩，承载能力快速下降，压缩位移快速增加，上外凸面4逐渐弯曲折叠；承载能力短暂下降(弯曲折叠抵抗)；

c阶段：外凸折纹线12轻微向外侧扩张。同时上外凸面4开始弯曲，上内凹面2产生轴向折叠，承载能力出现提高。至结束时，径向扩张至最大；

d阶段：下内凹面3和下外凸面5同上外凸面4和上内凹面2一致，出现相互挤压至一定程度后，承载能力开始出现降低，最终完全压扁；

e阶段：下端部分再次重复c阶段，下内凹面3和下外凸面5进行折叠。

整个防冲让位构件在逐渐挤压变形的过程中，轴向承载力波动较大，不利于保护支架，支护结构整体很容易出现失效问题。

技术实现要素：

针对现有矿用防冲构件在冲击地压超过其极限荷载后，荷载下降较快，不容易保持等问题，提出一种初始支撑力较大，且在压缩变形过程中提供近乎恒定支撑力的非均匀壁厚恒阻吸能装置，进而保护支架。同时，吸能装置在压缩变形时具有一定的行程，在冲击地压发生时起到让位作用，最大限度的保护支架及立柱，保证结构的整体性。

所采用的技术方案如下：

一种非均匀壁厚恒阻吸能装置，其为钢板围接而成的多面壳体结构，所述壳体的上端面和下端面均为多边型结构，所述壳体上设有至少一个首尾连接而成的闭合折纹线，所述闭合折纹线包括内凹折纹线和外凸折纹线，所述内凹折纹线与外凸折纹线在所述闭合折纹线上呈交替设置，所述壳体上的内凹折纹线上下两侧位置分别设有与其连接的呈夹角设置的上内凹面和下内凹面，所述壳体上的外凸折纹线上下两侧位置分别设有与其连接的呈夹角设置的上外凸面和下外凸面，位于各所述上外凸面的外侧设有上承压支撑结构，所述上承压支撑结构使所述上外凸面在与轴向承载力相垂直的方向上的壁厚呈非等厚设置，所述上承压支撑结构在压缩变形时所承受的最大轴向承载力保持近恒定状态。

所述上承压支撑结构沿所述上外凸面轴向承载力方向设置，其在与轴向承载力相垂直的方向上呈间隔设置多个所述上承压支撑结构。

沿所述闭合折纹线下侧的各所述下外凸面上设有多个下承压支撑结构，所述下外凸面上的所述下承压支撑结构与其对应的所述上外凸面上的所述上承压支撑结构呈分体设置。

所述下外凸面上的所述下承压支撑结构设置在与其对应的所述上外凸面上的所述上承压支撑结构的延伸方向上。

每一所述的上外凸面设有两个所述上承压支撑结构，每一所述下外凸面上设有两个所述下承压支撑结构，所述的上承压支撑结构和下承压支撑结构靠近所述外凸折纹线的两端位置设置。

所述上内凹面上还设有所述上承压支撑结构，所述下内凹面上还设有所述下承压支撑结构。

所述上承压支撑结构和下承压支撑结构均为支撑杆或钢条结构。

所述壳体的上端面内侧和下端面内侧分别设有沿其内侧面或外侧面设置的闭合支撑肋。

位于所述闭合折纹线两侧的上内凹面数量或下内凹面数量，以及上外凸面数量或下外凸面数量与所述壳体上端面或下端面所形成的多边型结构的边数保持一致。

所述闭合折纹线为八边形结构，所述壳体的上端面和下端面为四边形结构。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

a.本实用新型通过在各个上外凸面上设置多个承压支撑结构，使得外凸面的钢板结构呈现不等厚设置，在承压变形时，能承受较大的支撑力，且能够快速变形让位，吸收冲击能，从而保护液压支架、立柱不损坏并且支架结构不失效，解决了巷道支架在冲击地压发生时结构失效以及立柱折损的问题。

b.本吸能装置能够满足液压支架极限承载力、变形吸能等性能要求，尤其是提供反力方面，组合恒阻吸能装置能够保证支架达到极限承载力后，支撑力基本保持恒定，不会出现突降，在保证初始支撑力的前提下，从而最大限度地保护支架，保证支护结构整体不失效。

c.本实用新型在液压支柱中应用时，当冲击地压来压时，吸能装置的整个壳体产生塑性弯曲及径向伸张来进行吸能，且其在压缩过程中所提供的支撑力保持稳定或逐渐增加，减小发生二次冲击的可能性。壳体压缩时具有合理的行程，确保其存在一定的让位过程，压扁后的结构稳定在支座上，压扁后整个壳体的占地面积得到减少，这样不会对液压支柱造成横向挤压，不破坏液压支柱原有的支撑作用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的现有吸能装置的立体图；

图2为图1所示的承载力曲线示意图；

图3是本实用新型所提供的吸能装置立体示意图(上外凸面设置承压支撑结构)；

图4是本实用新型所提供的吸能装置立体示意图(上外凸面和下外凸面上均设置承压支撑结构)；

图5是图4所示结构剖视图；

图6是图4吸能装置模型承载力曲线图；

图7是图4所示吸能装置有限元模型压缩变形示意图。

附图标记说明：

1-闭合折纹线

11-内凹折纹线，12-外凸折纹线

2-上内凹面；3-下内凹面；4-上外凸面；5-下外凸面；

6-上承压支撑结构；7-下承压支撑结构；8-闭合支撑肋。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图3所示，本实用新型提供了一种非均匀壁厚恒阻吸能装置，其为钢板围接而成的多面壳体结构，壳体的上端面和下端面均为多边型结构，壳体上设有至少一个首尾连接而成的闭合折纹线1，闭合折纹线1包括内凹折纹线11和外凸折纹线12，内凹折纹线11与外凸折纹线12在闭合折纹线1上呈交替设置，壳体上的内凹折纹线11上下两侧位置分别设有与其连接的呈夹角设置的上内凹面2和下内凹面3，壳体上的外凸折纹线12上下两侧位置分别设有与其连接的呈夹角设置的上外凸面4和下外凸面5，位于各上外凸面4的外侧设有上承压支撑结构6，上承压支撑结构6使上外凸面4在与轴向承载力相垂直的方向上的壁厚呈非等厚设置，上承压支撑结构6在压缩变形时所承受的最大轴向承载力保持近恒定状态。这里的上外凸面4与下外凸面5所形成的特定角度α为120-150°，如图5所示。

本实用新型中优选地将上承压支撑结构6沿上外凸面4轴向承载力方向设置，其在与轴向承载力相垂直的方向上呈间隔设置多个上承压支撑结构。

同时，为了提高初支撑能力，如图4和图5结构所示，本实用新型还在闭合折纹线1下侧的各下外凸面5上设有多个下承压支撑结构7，下外凸5)上的下承压支撑结构7与其对应的上外凸面5上的上承压支撑结构6呈分体设置。其中，下外凸面5上的下承压支撑结构7优选设置在与其对应的上外凸面4上的上承压支撑结构6的延伸方向上。当然也可以将上承压支撑结构6和下承压支撑结构7呈现交错设置。

进一步优选地，本实用新型在每一个上外凸面4设有两个上承压支撑结构6，每一个下外凸面5上设有两个下承压支撑结构7，上承压支撑结构6和下承压支撑结构7靠近外凸折纹线12的两端位置设置。

这里的上承压支撑结构和下承压支撑结构可以圆型或方形支撑杆结构或钢条结构，这里钢条结构可以通过钢板裁剪而成。为了进一步提高最高承压能力，本实用新型还在壳体的上端面内侧和下端面内侧分别设有沿其内侧面或外侧面设置的闭合支撑肋8。

如图4所示，本实用新型对吸能装置进行受力分析，所采用的模型尺寸如下：折纹钢板厚度均为8mm，具有闭合支撑肋处的加厚部分为12mm，吸能装置的上端面和下端面形状为正方形，边长为188mm，中部的闭合折纹线形状近似八边形，边长约为90mm，整体为一步折纹，结构高度168mm。

通过利用单轴压缩试验并结合有限元计算，对图4所示的模型受力进行相关分析，所得到的模型承载力曲线如图6所示，有限元计算模型变形如图7所示。经过计算、有限元模拟、室内实验，得到钢板材料属性及尺寸之间的合理搭配，使吸能装置压缩变形时能够吸收较大的能量并稳定形成预设的压缩结构。

结合图4和图6，具体压缩试验过程如下：

a阶段:吸能装置的壳体基本无变形，承载能力基本呈线性增加；

b阶段：吸能装置的上内凹面2开始向内收缩，压缩位移快速增加，上外凸面4逐渐弯曲折叠，承载能力短暂下降，形成弯曲折叠抵抗。由于承压支撑结构的存在，其抗弯强度较大，承载能力下降不明显。

c阶段：上外凸面4弯曲至一定程度后，局部抗弯强度增大。整个壳体结构在整体中寻找局部抗弯强度弱的位置，从外凸折纹线12轻微向外侧扩张。同时上外凸面4开始弯曲，上内凹面2产生轴向折叠，承载能力出现提高。

d阶段：下内凹面3和下外凸面5同上内凹面2和上外凸面4一致，出现相互挤压至一定程度后，承载能力开始出现降低，最终完全压扁。图中的支撑杆与钢板共同受弯，承载能力下降幅值较小。

e阶段：下端部分再次重复c阶段，下内凹面3和下外凸面5进行折叠，abcd阶段未完全叠合的部分，完全叠合起来，形成扁平状的稳定结构，承载能力提高。

从图6中可以看出，呈间隔设置的各承压支撑结构增强了钢板的受弯能力，在弯曲及折叠的过程中，应力基本不下降。

将本实用新型的吸能装置放置于液压柱中，在冲击地压来压时，吸能装置的整个壳体产生塑性弯曲及径向伸张来进行吸能，且其在压缩过程中所提供的支撑力保持稳定或逐渐增加，减小发生二次冲击的可能性。壳体压缩时具有合理的行程，确保其存在一定的让位过程，压扁后的结构稳定在支座上，压扁后整个壳体的占地面积得到减少，这样不会对液压支柱造成横向挤压，不破坏液压支柱原有的支撑作用。

本实用新型由带特定角度折纹的钢板组成的壳体结构，在特定角度的钢板焊接承压支撑结构，紧贴钢板外侧面，如此以来，在外凸面的水平周向上形成了厚薄间隔设置的钢板尺寸结构：在受压过程中，特定角度的钢板与承压支撑结构同变形，形成相互牵制的受力状态。本实用新型利用塑性弯曲和壳体径向伸张来吸能，现有的管件吸能装置实际的屈曲吸能并不稳定，变形控制差；材料强度有限，初始支撑力过小。本实用新型具备薄壁壳体的特点，且通过所设置的凹凸折纹及承压支撑结构，克服了屈曲吸能不稳定的缺点，且克服了初始支撑力较小的缺点，预期吸能效果远远好于其它薄壁管件。通过在各个外凸面和内凹面上增加承压支撑结构的吸能结构，在单轴受压时，保证了较大的初始承载能力，并有效地保持接近恒定的荷载，增强了对冲击荷载作用下吸能装置恒载防冲能力。

当然，本实用新型还可以在上内凹面2上设有上承压支撑结构6，下内凹面3上还设有下承压支撑结构7，也可以在其中一个内凹面上设有承压支撑结构。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。