Буферизация и энергоабсорбирующие характеристики композитного мономера из тарельчатых пружин при динамической ударной нагрузке

Почему важно защищать шахтные выработки от внезапных ударов

Глубокие угольные шахты опасны не только из‑за пыли и газа, но и из‑за мощных выбросов породы — внезапных разрушений окружающей горной массы, которые бьют по опорным конструкциям как молотком. Когда такие удары преодолевают прочность стальных рам и гидравлических стоек, удерживающих кровлю выработки, туннели могут обрушиться, оборудование быть уничтожено, а жизни рабочих оказаться под угрозой. В этом исследовании предложен новый способ снабдить эти опоры своего рода «амортизатором», использующим продуманно собранные металлические тарельчатые пружины, чтобы опасная ударная энергия поглощалась и ослаблялась до того, как она нанесёт серьёзный вред.

Механический амортизатор для подземных опор

Исследователи разработали модульное устройство вокруг стопки металлических тарельчатых пружин — шайбоподобных колец, которые прогибаются при нагружении. Эти композитные мономеры на основе тарельчатых пружин можно устанавливать на верхние балки гидравлических опор в выработках. Когда выброс породы толкает кровлю вниз, пружины сжимаются, поглощая энергию и снижая силу, передающуюся на колонны опор и гидроцилиндры. Устройство сочетает четыре больших и четыре меньших пружины, собранных последовательно, чтобы стопка мягко реагировала на небольшие удары и при этом выдерживала очень большие нагрузки без остаточной деформации. Подбирая геометрию и материалы пружин, команда стремилась превратить жёсткую опору в более уступчивую, энергоемкую систему.

Сочетание реальных ударов и виртуального тестирования

Чтобы оценить эффективность новых пружинных модулей, команда использовала два параллельных подхода. Во‑первых, они собрали стенд со свободно падающей плитой, отпускаемой электромагнитом и ударяющей по образцу со стопкой пружин и силовыми датчиками. Изменяя массу добавочной плиты от 0 до 7500 килограммов, они имитировали удары разной силы и регистрировали временную эволюцию сил. Во‑вторых, создали детальную компьютерную модель в среде ADAMS dynamics, воспроизводящую ту же геометрию, материалы, гравитацию и условия контакта, что и в эксперименте. Тщательно сопоставив пиковые силы в модели и в испытаниях — с погрешностью менее полупроцента — они показали, что виртуальная модель надёжно заменяет повторяющиеся дорогостоящие физические тесты.

Как гибкие пружины смягчают сильные удары

С верифицированной моделью исследователи сравнили два предельных случая: жёсткую версию стопки пружин, не способную деформироваться, и гибкую версию, имитирующую поведение стальных пружин. При одинаковых ударах жёсткая стопка передавала резкие высокие пики силы и вызывала внезапные изменения движения верхней плиты с быстрыми, но жёсткими отскоками. Напротив, гибкая стопка сжималась и возвращалась дольше, растягивая удар во времени. Это снизило максимальную реакцию опоры примерно на 10 процентов, увеличило высоту отскока и сгладило кривую силы, то есть уменьшило число резких толчков по окружающей конструкции. Важно, что даже при наибольшей испытанной нагрузке пружины оставались в упругой зоне, возвращаясь в исходную форму и оставаясь готовыми к повторным событиям.

Как пружины реагируют по мере роста нагрузок

Исследуя величину укорачивания стопки при разных массах, команда обнаружила, что деформация быстро растёт при малых нагрузках, а затем увеличивается более медленно при очень больших нагрузках. Этот «сублинейный» характер означает, что система очень чувствительна и эффективна при небольших ударах, обеспечивая хорошее амортизирование на ранней стадии, а её жёсткость возрастает по мере приближения к полной компрессии, предотвращая неконтролируемую деформацию или разрушение. Ниже примерно 4500 килограммов дополнительной массы пик силы и нагрузка почти пропорциональны, что делает поведение легко предсказуемым. Выше этого уровня зависимость начинает выравниваться — эффекты локальной потери устойчивости и геометрические пределы жёсткости ограничивают дальнейший рост пика силы.

Что это означает для более безопасной добычи

Для неспециалиста главное: авторы превратили простую стопку металлических колец в тонко настроенный элемент безопасности для глубоких шахт. Их гибкие модули из тарельчатых пружин действуют как автомобильные амортизаторы для опор выработок, поглощая наихудшую часть внезапного удара породы и снижая максимальные силы, которые должна выдержать опора. Работа выделяет оптимальный диапазон нагрузки — около 4500 килограммов — в котором энергоёмкость особенно эффективна, и демонстрирует, что грамотно спроектированные гибкие элементы гораздо лучше защищают тяжёлые конструкции, чем жёсткие. На практике интеграция таких модулей в опоры выработок может сократить повреждения оборудования и риск катастрофических обрушений при внезапных сдвигах породы вокруг шахты.

Цитирование: Du, M., Wang, Z., Zhang, K. et al. Buffering and energy-absorbing characteristics of disc spring composite monomer under impact dynamic load. Sci Rep 16, 12498 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42096-9

Ключевые слова: защита от выбросов породы, буфер из тарельчатых пружин, поглощение ударной энергии, опирание выработки в угольной шахте, смягчение динамических нагрузок