冲击动态载荷下盘形弹簧复合单元的缓冲与能量吸收特性

为什么保护矿井通道免受突发冲击很重要

深部煤矿之所以危险，不仅因为粉尘和瓦斯，还因为剧烈的岩爆——周围岩体的突然破裂像锤击一样冲击支护结构。当这些冲击超过支撑巷道顶板的钢架和液压支柱的承受能力时，隧道可能坍塌，设备被毁，工人生命受到威胁。本研究探索了一种为这些支护提供“减震器”的新方法，通过巧妙排列的金属盘形弹簧，在致命的冲击能量传到关键构件之前对其进行有效缓冲。

用于地下支护的机械减震器

研究人员设计了一种模块化装置，核心是一组盘形金属弹簧——类似垫圈的环形件，会在受力时发生挠曲。这些盘形弹簧复合单元可以安装在巷道液压支架的顶梁上。当岩爆使顶板下沉时，弹簧被压缩，吸收能量并减小传递到支撑立柱和液压缸的力。该装置由四只较大和四只较小的盘形弹簧串联组成，使得在小冲击下堆栈能温和响应，同时在承载很高荷载时不发生永久损伤。通过调整弹簧的几何形状和材料，团队旨在将刚性的支护转变为更具缓冲和能量吸收能力的系统。

将真实冲击与虚拟试验结合

为评估新型弹簧模块的性能，团队并行采用了两种方法。首先，他们搭建了落锤试验装置，通过电磁铁释放一块重板，让其自由落下撞击装有盘形弹簧堆和力传感器的样件。通过改变附加质量板在0到7500千克之间的质量，模拟不同强度的冲击并记录力随时间的变化。其次，他们在ADAMS动力学软件中建立了精细的计算模型，复现了与物理试验相同的几何、材料、重力和接触条件。通过将模拟得到的峰值力与实验数据仔细匹配（误差小于0.5%），他们证明了虚拟模型可以可靠地替代重复且昂贵的物理试验。

柔性弹簧如何驯服剧烈冲击

在验证模型后，研究者比较了两种极端情况：不能变形的刚性弹簧堆和行为如真实钢制弹簧的柔性堆。在相同冲击下，刚性堆会传递尖锐且高幅值的力峰，并导致顶板运动发生突变，随后出现快速而剧烈的反弹。相比之下，柔性堆在更长时间内压缩并回弹，将冲击在时间上拉长。这降低了约10%的最大支护反力，提高了反弹高度，并使力历程更加平滑，意味着对周围结构的冲击更缓和。重要的是，即便在所测的最大载荷下，弹簧仍保持在线弹性范围内，能够恢复原状并在重复事件中继续发挥作用。

随着荷载增加弹簧的响应特征

通过考察不同质量下弹簧堆的缩短量，团队发现变形在低载荷时增长很快，但在载荷很高时增长速度变慢。这种“次线性”特征意味着系统对小冲击非常敏感并能迅速响应，能在早期提供良好的缓冲；随着接近完全压缩，其刚度上升，从而防止失控变形或破坏。在约4500千克以下的附加质量范围内，峰值力与载荷几乎成正比，行为易于预测。超过该水平后，随着屈曲效应和几何极限使堆栈变硬，关系开始趋于平缓，从而有效限制峰值力的进一步增长。

对更安全矿业的意义

对普通读者而言，关键结论是，作者已将一堆金属环发展为深部矿山的精细调节安全部件。它们像汽车减震器一样为巷道支护吸收突发岩爆的大部分能量，降低支护需承受的最大力。研究确定了大约4500千克的最佳负载区间，在该区间能量吸收效率尤佳，并表明经过精心设计的柔性元件比刚性元件能更有效地保护重型结构。就实际应用而言，将这些盘形弹簧单元集成到巷道支护中，可减少设备损坏并降低岩体突变时发生灾难性坍塌的风险。

引用: 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

关键词: 防岩爆保护, 盘形弹簧缓冲器, 冲击能量吸收, 煤矿巷道支护, 动态载荷缓解