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  卡销突破最大静摩擦向外扩张过程中，法兰凸台对弹簧又产生进一步压缩，直至卡销即将完全撤出上部套筒凹槽。此过程中，弹簧长度改变量设为 ，上部套筒沉降量设为y，根据几何关系有

  设装置承担的竖向荷载为P，其通过上部套筒的凹槽以均布力形式作用于4片卡销的上坡面上，设此均布力为 。由于外部螺栓与弹簧的约束，卡销对上部套筒的凹槽构成一圈均布围压 ，套筒壁向外的支撑力为 ，下部套筒滑道对卡销向上的支撑力为 ，如图2所示。

  设装置在工作状态时，上部套筒沉降量为 ( )，则装置由 压缩至 过程中，装置的系统弹性势能变化为

  故当推进力 一定时，系统承载力 的大小，由摩擦因数 与斜面倾角 决定，摩擦因数在实际中是由材料及加工精度决定的。所以，能够最终靠调整角度 的大小，来实现系统需突破最大静摩擦的功能要求(防止卡销出现自锁现象)。设 ，可求得

  式(6)为角度 关于摩擦因数 的函数，可根据 的大小来确定系统突破自锁条件的角度 的临界值。

  图2中： ， ， ， ，模型1为上部套筒；模型2为卡销；模型3为由上部套筒向外的弹力虚拟出来的光滑刚性墙壁；模型4为下部套筒，在此视作水平地面。 为模型1，2之间和模型2，4之间摩擦因数， 为凹槽和卡销的上坡面倾角，系统处于平衡状态。

  (2)利用刚性材料(锻钢、热轧钢等中碳钢)在结构上加以配合，以满足装置提供初撑力与工作阻力的要求，且能轻松实现超额冲击下快速让位和传递冲击荷载的功能。

  目前，煤矿的支护形式都属于刚性支护，在静态矿压下尚可保持相对来说比较稳定的支撑状态，但一旦受到外部冲击，支护体往往就会表现出比较脆弱的一面，导致支护系统整体突发失稳破坏。例如，液压支架会由于支柱部分受冲击作用导致流量阀被冲坏或者爆缸而造成整体的倾倒损坏[6-7]。

  图1为缓冲装置的三维效果图，其基本结构由上部套筒、下部套筒、卡销、螺栓、弹簧和吸能材料6个部分组成。

  (1)选用泡沫金属材料作为装置消波耗能的主要承担者，利用其在冲击作用下良好的抗住压力的强度和塑性变形率作为装置高速吸能防冲的核心。

  摘要：针对采矿支护设备在冲击地压中呈现的损坏问题，利用泡沫金属材料优异的防冲吸能特性，研制一种能快速消减冲击波、消耗外界冲击能的装置，并通过力学分析和室内试验，对装置的预期功能做了初步的研究和验证，得到较为理想的结果。试验根据结果得出：装置通过外部弹簧的控制，基本实现100 kN承载力的预期目标；装置能实现变形让位的功能，即随着压力的增加，卡销最终可以突破最大静摩擦向外扩张，没发生自锁现象；吸能材料具备良好的抗压强度和较高的吸能效率。此次试验中装置总的吸能量为1 650 J，与理论计算结果1 550 J相近。该装置的设计与研究，为进一步解决支护设备在冲击地压中呈现的失稳破坏问题、提高支护设备的防冲支护能力打下一定基础。

  采矿工程中，地震、矿震或坚硬顶板断裂沉降等产生的冲击波，引起采空区围岩的剧烈震荡或突发性失稳破坏[1-3]，使巷道或工作面的支护体瞬间承受巨大的冲击荷载作用，导致大量的支护体变形、折损、垮塌，从而造成生产设备损坏、工作人员受伤或死亡等事故[4]。因此，在采矿支护中，提升支护设备在强大矿压下的防冲能力是目前一项亟待解决的重要工程问题。

  式中： 为模型2对模型1垂直于斜面向上的弹力， 为模型2对模型1沿斜面向上的摩擦力。

  式中： 为 的反作用力， 为 的反作用力， 为模型4对模型2水平向左的摩擦力。

  图2中，卡销所受的均布荷载 ， ， ， 都作为集中力来研究，即卡销在此4个集中力作用下处于平衡状态，而当竖向压力 超过某一个限定值时，上部套筒就会推开4片卡销的束缚，竖直下降作用于吸能材料上。因此，可以将卡销的受力情况简化为下列力学模型(见图3)。

  此式恰好符合胡克定律 ，即装置的承载力与弹簧的形变量是呈正比的，所以装置的承载极限为

  将装置安装于液压支柱上端(或下端)，在静态矿压下，装置与支柱一同提供初撑力和工作阻力，当外界突发冲击荷载作用时，装置的上部套筒利用凹槽上坡面瞬间将4片卡销推开，嵌入下部套筒内冲压吸能材料(见图6)，通过吸能材料的变形破坏，实现一个快速吸能让压的过程，缓解冲击荷载对支柱的超额作用，从而保护支柱及相应的支护设备不被损坏。

  上述卡销的水平推力 ( )源自卡销法兰凸台处弹簧的约束力。4片卡销对凹槽合围一周，每片卡销可近似有90°的指向圆心的均布荷载。现对单个卡销做多元化的分析，如图5所示，已知圆弧半径为R(R

  本文主要是针对采矿支护中液压支柱在受纵向冲击时，由于泄压不及时而导致的液压阀被冲坏、爆缸以及柱体压死这一情况[5]，研制了一种能快速消减冲击波、吸收外界冲击能的装置，并通过力学分析与试验研究，检验了该装置的理论性能和预期效果，为进一步寻求一种更合理、更有效的防冲支护方法与缓冲设备打下基础。

  因此，缓冲装置的额定承载力可根据支柱的参数来设定。已知液压支柱工作阻力为 ，当支柱承担的荷载超过其额定工作阻力10%时，流量阀便开启排液泄压。又已知当液压支柱安全系数 时，由无缝钢管设计制造的液压缸体会达到自身强度与刚度的临界值[13] ：

  取凹槽坡面圆的平均半径，即 )，均布荷载为 ( )指向圆心，其水平分量为 、竖直分量为 。设一微段弧长为dl，其对应圆心角为 ，则

  式中： ， 分别为其中一片卡销的均布荷载 的积分合力在x和y方向上的分量。卡销外部法兰凸台处弹簧弹力的大小为

  于是，由式(1)，(9)可求得弹簧弹力与装置卡销首次突破自锁的极限荷载 之间关系：

  液压支柱也具有一定的缓冲功能[8]，但由于柱体是依靠流量阀排液来调控支撑力的，所以支柱的让压速度会受到一定的限制，当受到冲击荷载作用时，柱体往往会因泄压不及而表现为刚性，以致发生损坏。因此，本文中的缓冲装置设计以材料弹塑性变形吸能的缓冲方法[9]为出发点，利用刚性结构与特殊弹塑性材料在冲击作用下高效的吸能特性[10-12]，弥补液压支柱泄压受限、抗冲击能力弱的缺陷。

  式中： 为液压缸无缝钢管的强度极限， 为强度系数， 为缸体壁厚，C为计入管壁公差及侵蚀的附加壁厚度，D为缸体内径。