一种超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置及其加工方法

本发明属于煤矿巷道支护，特别是涉及一种超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置及其加工方法。

背景技术：

1、随着煤炭能源需求量的增加和开采强度的不断加大，煤矿开采深度日趋加深，冲击地压显现造成破坏程度愈加严重。

2、矿井进入深部开采阶段，巷道围岩应力高，大部分区域围岩变形幅度大，对支护装备产生的压力也非常大，因此，支护装备既要满足承担高静载的作用，又要抵抗发生时间不可预知的冲击地压载荷作用，现有的支护装备都面临严峻的挑战。所以，深部矿井巷道的支护防冲能力提升，已经成为深部矿井安全高效开采亟需解决的研究课题。

3、当前，深部巷道或存在冲击地压危险的巷道都采用液压支架进行支护。然而，在强大的矿压下，支架承担静载情况下已经频频排液泄压，再遭受冲击地压的动载作用，基本都无法避免破坏的发生，并且会造成支架顶梁穿透、立柱弯曲折断或爆缸，甚至支架结构垮塌等情况。造成这种后果的原因在于冲击地压发生的时间短、强度高、释放能量大，液压支架的液压溢流阀来不及开启泄压，导致缸内及立柱的压力瞬时增高，进而导致立柱缸体胀裂或活柱折损等后果，使支架失去有效的支撑作用，巷道内的安全自然就无法得到保障。

4、为了解决上述问题，部分矿井开始采用配置缓冲装置的液压支架进行支护，用于保护液压立柱、防止立柱被冲击作用而损坏。这种配置在立柱底端的吸能装置，在工程应用中的确能够发挥高速让位和吸能的作用，在很多矿井应用效果良好，并逐渐被行业所接受。然而，仍有部分冲击问题比较严重的矿井，或者存在强震现象的矿井，吸能装置吸能量仍不能满足要求，但是液压立柱底端空间有限，吸能装置无法通过增加其几何参量来实现更大能吸能作用，因此，急需研制吸能量更大且参数不易受空间限制的吸能装置。

5、另外，防冲支护的理论研究表明，巷道支护-围岩系统的材料冲击能指数，对巷道冲击地压的发生条件有提高的作用，材料冲击能指数越低，冲击地压发生的临界值越高，即越不容易发生冲击地压。在支护装备中加入低冲击能指数的结构，可以提升支护-围岩系统整体的冲击能指数，进而提高巷道冲击地压发生条件。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置及其加工方法，预折纹钢带吸能装置在竖向压溃过程中，能够按照折纹的引导屈曲变形，并能够提供接近恒定的反作用力，具有低至0.01的冲击能指数的特点，吸收冲击动能效率极高；另外，预折纹钢带吸能装置可安装于液压支架底端外部或顶端外部，在巷道围岩冲击下不需要通过支架梁体、立柱传递冲击载荷，零距离接受岩体的冲击载荷作用，最直接发挥保护支架的作用，且变形后无需拆解支架或立柱，只需单独更换预折纹钢带吸能装置即可，降低了工作量和作业成本，提升了更换效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置，安装在液压支架底侧外部或顶端外部，包括上夹板、预折纹钢带吸能构件及下夹板；所述上夹板与液压支架相连，所述预折纹钢带吸能构件固定装夹在上夹板与下夹板之间。

3、所述预折纹钢带吸能构件包括预折纹钢带和多孔吸能块；所述预折纹钢带整体采用回曲式构型，预折纹钢带的带宽方向与上夹板和下夹板相垂直；所述多孔吸能块数量若干，若干多孔吸能块均匀分布在预折纹钢带的回曲空间内。

4、所述预折纹钢带的回曲式构型由一张等宽长直平板折压而成，预折纹钢带的折线分为正折线和反折线，预折纹钢带的回曲转弯处由过渡三角形衔接，过渡三角形之间的折线也分为正折线和反折线；所述预折纹钢带上包括三角形板块、梯形板块和平行四边形板块，各个板块与竖直平面之间的夹角均相同。

5、所述预折纹钢带的回曲转弯处根据折线方向的不同，分为菱形模式拐角回曲转弯单元和纺锤形模式拐角回曲转弯单元；在所述预折纹钢带的带宽方向上，预折纹钢带的折纹阵列采用单列、双列或三列形式。

6、所述预折纹钢带的回曲式构型分为u形中脊外凸单元和u形中脊内凹单元；所述u形中脊外凸单元等分为两个l形中脊外凸单元；所述u形中脊内凹单元等分为两个l形中脊内凹单元。

7、所述u形中脊外凸单元的钢带中脊折痕线朝向外侧，u形中脊外凸单元的钢带边脊折痕线朝向内侧；所述u形中脊内凹单元的钢带中脊折痕线朝向内侧，u形中脊内凹单元的钢带边脊折痕线朝向外侧；所述l形中脊外凸单元的钢带中脊折痕线朝向外侧，l形中脊外凸单元的钢带边脊折痕线朝向内侧；所述l形中脊内凹单元的钢带中脊折痕线朝向内侧，l形中脊内凹单元的钢带边脊折痕线朝向外侧。

8、当相邻所述u形中脊外凸单元之间呈90°相位角时，相邻u形中脊外凸单元之间通过l形中脊内凹单元过渡衔接；当相邻所述u形中脊内凹单元之间呈90°相位角时，相邻u形中脊内凹单元之间通过l形中脊外凸单元过渡衔接。

9、一种超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置的加工方法，包括如下步骤：

10、步骤一：准备钢板、直钢带、钢带预折纹成型装置及多孔吸能块，将钢板裁剪成上夹板和下夹板，利用钢带预折纹成型装置将直钢带预制成直列式方波曲线构型；

11、步骤二：根据上夹板和下夹板的尺寸规格，将直列式方波曲线构型的预折纹钢带进行裁剪，形成若干的预折纹钢带段；

12、步骤三：从裁剪好的预折纹钢带段中任意取出几段，将取出的预折纹钢带段进一步裁剪成u形中脊外凸单元和u形中脊内凹单元；

13、步骤四：从裁剪好的u形中脊外凸单元中任意取出几个，将取出的u形中脊外凸单元进一步裁剪成l形中脊外凸单元；同时，从从裁剪好的u形中脊内凹单元中任意取出几个，将取出的u形中脊内凹单元进一步裁剪成l形中脊内凹单元；

14、步骤五：将预折纹钢带段平行等间距进行排列，且所有相邻预折纹钢带段之间均镜像对称；

15、步骤六：在相邻预折纹钢带段的u形中脊外凸单元所在端之间，通过裁剪好的两个l形中脊外凸单元和一个u形中脊外凸单元以焊接方式进行过渡衔接；同时，在相邻预折纹钢带段的u形中脊内凹单元所在端之间，通过裁剪好的两个l形中脊内凹单元和一个u形中脊内凹单元焊接方式进行过渡衔接；当所有预折纹钢带段完成过渡衔接后，回曲式构型的预折纹钢带完成制作；

16、步骤七：将制作好的回曲式构型的预折纹钢带焊接固定到下夹板上表面，之后将多孔吸能块放置到预折纹钢带的回曲空间内，随后上夹板焊接固定到预折纹钢带上，超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置完成制作。

17、所述钢带预折纹成型装置包括基座、导向辊、进给辊、成型模具、正反丝杠、第一丝母滑台、第二丝母滑台、成型驱动电机、第一换向电机及第二换向电机；所述导向辊、进给辊及成型模具顺序布设在基座上方；所述成型模具包括第一模具和第二模具；所述第一模具凸模端的钢带边脊折痕线朝向外侧，第一模具凹模端的钢带边脊折痕线朝向内侧；所述第二模具凸模端的钢带边脊折痕线朝向内侧，第二模具凹模端的钢带边脊折痕线朝向外侧；所述正反丝杠、第一丝母滑台、第二丝母滑台、成型驱动电机、第一换向电机及第二换向电机均位于基座下方；所述正反丝杠通过轴承座转动连接在基座底部，所述成型驱动电机的电机轴与正反丝杠一端同轴固连；所述第一丝母滑台的丝母端与正反丝杠的正旋螺纹段连接，所述第二丝母滑台的丝母端与正反丝杠的反旋螺纹段连接；所述第一换向电机竖直固装在第一丝母滑台的滑台端，第一换向电机的电机轴向上延伸至基座上方，所述第一模具与第一换向电机的电机轴固定连接；所述第二换向电机竖直固装在第二丝母滑台的滑台端，第二换向电机的电机轴向上延伸至基座上方，所述第二模具与第二换向电机的电机轴固定连接。

18、在步骤一中，利用钢带预折纹成型装置将直钢带预制成直列式方波曲线构型的方法，包括如下步骤：

19、步骤①：将直钢带依次穿过导向辊和进给辊，使直钢带一端处于第一模具与第二模具之间；

20、步骤②：通过第一换向电机调整第一模具的转向，通过第二换向电机调整第二模具的转向，使第一模具的凸模端与第二模具的凹模端正对；

21、步骤③：启动成型驱动电机，带动正反丝杠转动，正反丝杠会将旋转运动转换为第一丝母滑台和第二丝母滑台的直线运动，使第一丝母滑台与第二丝母滑台相互靠近，进而带动第一模具与第二模具相互靠近，直到第一模具的凸模端与第二模具的凹模端完成合模，在直钢带上实现一个方波波峰的成型；

22、步骤④：反向启动成型驱动电机，带动正反丝杠反向转动，使第一丝母滑台与第二丝母滑台相互远离，直到第一模具和第二模具相互远离并回到初始位置；

23、步骤⑤：通过第一换向电机调整第一模具的转向，通过第二换向电机调整第二模具的转向，使第一模具的凹模端与第二模具的凸模端正对；

24、步骤⑥：通过进给辊带动直钢带向前移动一个设定步距，重复步骤③和步骤④，在直钢带上实现一个方波波谷的成型；

25、步骤⑦：依次类推，在直钢带上连续进行方波波峰和方波波谷的成型，直到将直钢带加工为直列式方波曲线构型。

26、本发明的有益效果：

27、本发明的超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置，具有结构简单、能够提供稳定恒阻承载力的特点，由于预折纹钢带吸能装置位于液压支架底端外部，在冲击地压发生后，无需更换液压立柱，只需单独更换预折纹钢带吸能装置即可，降低了支护成本。

28、本发明的超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置，其预折纹钢带吸能构件可根据实际况下的需求以及液压支架支护阻力要求，通过改变其自身的参数，如钢带厚度、预折纹角度、折痕线长度、多孔吸能块孔隙率等，可达到1.5倍的工作载荷，适应性较强。

29、本发明的超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置，其预折纹钢带能够按照折痕线稳定的发生屈曲变形，在屈曲变形时能够提供稳定的恒阻反力，让位吸能效果更好。

30、本发明的超低冲击能指数的预折纹钢带吸能装置，当与液压支架装配使用后，在巷道围岩准静态压力下，预折纹钢带吸能构件可以实现缓慢让位，保证液压支架对围岩提供恒定的支护阻力，慢速释放围岩中的有害弹性能，保证支架不受静压损坏；当巷道突发冲击地压时，预折纹钢带吸能构件可以实现快速让位吸能，用以迅速吸收消耗巷道顶板的冲击能，保证液压支架的冲击压力在可承受范围之内，避免液压支架受冲击作用而垮塌破坏。