CN102435371A

CN102435371A - 滚石冲击力测试装置

Info

Publication number: CN102435371A
Application number: CN2011103933007A
Authority: CN
Inventors: 裴向军; 黄润秋; 袁进科; 裴钻
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-05-02

Abstract

滚石冲击力测试装置，涉及地质工程测量技术。本发明包括底部支架、上部挡板、下部挡板；上部挡板和下部挡板重叠设置，并通过连接部件连接；在连接部件处设置有力传感器；所述上部挡板的上表面设置有弹性材料构成的缓冲层，所述底部支架包括角度调节装置，底部支架与下部挡板连接。本发明的有益效果是，可以模拟撞击物体不同的冲击角度以及不同的冲击速度，选择不同的缓冲材料和设置不同的缓冲层厚度，从而测试出撞击物体的冲击力大小。

Description

滚石冲击力测试装置

技术领域

本发明涉及地质工程测量技术。

背景技术

针对现有的崩塌预防措施，分为主动防护和被动防护两方面。对于被动防护系统，均设计为避免直接承受滚石冲击力作用的结构形式。防护指标是以抗滚石的冲击为衡量，防护措施是以能量为指标，而对滚石的冲击力的计算还没有定量的计算公式，所以对于滚石的冲击力测试研究也很重要，对崩塌的防护措施具有十分重要的意义。但是，要建立一个符合任何条件且能准确表示冲击力大小的理论公式是很难实现的。对于冲击力的撞击过程实际上是一种动态的碰撞过程，其中影响冲击力大小的因素很多，包括撞击物体的重量、力学参数、冲击速度、撞击角度、缓冲材料的性质、缓冲材料的厚度，以及材料的结构刚度和结构的动力特性等一系列复杂的影响因子，甚至碰撞发生时刻撞击物体的撞击点位置和范围都会影响冲击力的大小，而这些影响因素又是相互联系、相互变化的，所以要想建立一个在各种条件下针对所有影响因素的冲击力理论计算公式是不可能实现的。而对于这种冲击过程的研究理论普遍采用的是碰撞弹性理论，采用理想弹塑性力学模型和弹塑性分析模型，对碰撞过程的作用力进行了分析。通过碰撞过程的能量转换得到冲击力，但是没有考虑碰撞过程的塑性变形、以及撞击的摩擦损耗等。而且按照碰撞问题计算得出的冲击力是基于完全弹性理论或者完全建立在理想弹塑性材料的基础上，但是对于抗冲击的拦挡物材料组成复杂，有土层、岩体等多种材料，而且在碰撞过程中不仅有弹性变形、塑性变形，而且还有材料碰撞之间的摩擦能量损失。因此按照碰撞问题理论对计算滚石的冲击力带来一定的困难。其中对于冲击力的计算，一些学者采用的是经过模拟实验得出的计算方法，并提出相应的公式计算方法。他们以若干单一化条件为基础，采用小比例尺的模拟条件，采用自由落体的方法，模拟落石对缓冲垫层的冲击，得到一种半经验法的冲击力计算公式。

根据现有资料可以分析得出：(1)对于产生冲击力的碰撞过程，它的复杂性决定了从能量、变形等方面入手计算冲击力的难度。对于冲击力计算的理论研究，普遍采用的是冲量定理。从冲量定理角度出发解决该问题，则可回避碰撞过程中的变形及能量转化、消耗的复杂性。(2)从实际出发通过模拟试验的方法，考虑相应的影响因素，基于冲量定理得到一种定量的冲击力计算公式，对于冲击力的计算公式具有显著的意义。(3)缓冲材料对于冲击力的大小有明显的影响。缓冲材料的性质、厚度不同，对于碰撞过程中的影响作用不同，同时对于冲击力的大小也有重要的影响。

以上的冲击力方法都有其自身的优点和不足，有各自的适用条件和范围，但是都有一定的局限性，得到的公式值都是一个近似值。但是目前研究中存在的比较突出的问题是：(1)很多理论计算公式对于冲击力的变化缺乏系统的研究。这些推导出的公式从理论上看是基于冲量定理的一种近似算法，所得到的结果有效性严重依赖于选取的参数的经验性取值，计算结果与实际情况有误差甚至相差甚远。这些理论公式对于撞击过程作了一定简化，计算方法简单，但是不能反映冲击过程的冲击力变化特征。比如路基规范方法基于冲击过程功能原理计算撞击体对拦挡物的冲击力，其求得冲击过程的冲击力是一个均值，而不能反映冲击力的变化。这从一些模拟试验中得到了证明，有一定的局限性。(2)对于缓冲材料的抗冲击研究不足。有些研究考虑了缓冲材料的性质对冲击力的影响，比如路基手册为代表的基于冲击土层陷入深度的计算方法，该方法适用于深厚土层情形，与实际情况并不完全相符。实际缓冲材料既有弹性体，又有非弹性体。缓冲材料的性质、厚度变化不同对冲击力大小有明显影响。虽然有些理论公式涉及到缓冲材料，但是存在参数取值的经验性，不能反映缓冲材料性质的变化。实际设置的拦挡物体都会设置缓冲层抗冲击力，所以不考虑缓冲材料对于冲击力的研究是不符合要求的。(3)实际工程中不同缓冲材料性质、厚度，以及不同的冲击角度等普遍适用的冲击力算法是有待解决的重要问题。很多通过试验得到的公式普遍是考虑自由下落的情形，这与碰撞过程不同的角度变化存在明显的差异，得到的结果与实际情况误差较大。因此，有必要对研究不同的撞击角度对于冲击力大小的影响，对缓冲材料、撞击角度进行比较系统的研究。

崩塌造成的危害之一就是崩落的滚石、落石对拦挡结构的撞击，即冲击力。对冲击力的防护是进行滚石威胁区明洞、棚等防治结构设计的主要荷载依据。一般滚石的防护结构、除拦石棚栏、刚性拦石墙以外，均设计为避免直接承受滚石冲击力作用的结构形式。对于崩塌、危岩体的危害及防护研究，重点就是崩落的滚石对不同拦挡对象的冲击研究。对于滚石的冲击速度、滚石重量、撞击角度、和缓冲层材料性质、厚度对冲击力大小有影响。因此这些指标对于冲击力的计算有着重要影响。根据缓冲层性质、厚度变化和冲击力分布状况，建立较合理的冲击力计算公式和冲击力与缓冲材料间的关系，有必要研究不同的影响指标对于冲击力的影响，更好的指导工程施工。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够准确的测量滚石冲击力并为后续分析提供参数的冲击力测试装置。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，滚石冲击力测试装置，其特征在于，包括底部支架、上部挡板、下部挡板；上部挡板和下部挡板重叠设置，并通过连接部件连接；在连接部件处设置有力传感器；所述上部挡板的上表面设置有弹性材料构成的缓冲层，所述底部支架包括角度调节装置，底部支架与下部挡板连接。

所述连接部件为螺栓。所述底部支架包括4根支柱，其中两根支柱带有高度调节装置，4根支柱与下部挡板为活动连接。所述连接部件为矩形分布于上部挡板和下部挡板之间。

本发明的有益效果是，可以模拟撞击物体不同的冲击角度以及不同的冲击速度，选择不同的缓冲材料和设置不同的缓冲层厚度，从而测试出撞击物体的冲击力大小。本发明通过试验的方法确定冲击力的大小，克服了传统的计算方法不能联系现场实际地质情况，无法考虑各种影响因素的不足。本装置可以通过试验分析得到考虑作用因素的冲击力计算公式，从而为现场的拦挡物的设置提供理论计算参数。本发明将力传感器以矩形方式布置在上下挡板之间，并以螺栓固定，能够最准确的测试出滚石对挡板造成的冲击力。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明冲击力测试装置一种具体实施方式工作原理图；

图2是图1所示试验冲击拦挡装置结构图；

图3是冲击测试装置结构图；

图4是挡板结构立面图(侧视)；

图5是挡板结构平面图(俯视)；

图6是底部支架结构图。

具体实施方式

图1是本发明冲击力测试装置一种具体实施方式工作原理图。图中，冲击力测试装置包括冲击拦挡装置1、力感应测试装置2和数据采集分析装置。冲击拦挡装置1包括物体运动轨道11、挡板12和缓冲层13。物体按照设计的高度、大小从运动轨道上向下运动，撞击到承载缓冲材料13的挡板12上，产生一个冲击作用。这个冲击力通过挡板12向力感应测试装置2提供冲击信号。其中挡板的倾角可以通过装置2调节。

冲击作用通过力感应测试装置2中的力传感装置21形成感应力22。为了保持测试装置在运行过程中的平衡，减少试验误差，为力传感装置21设计了支座23。感应到的作用力最终转换成电荷信号23。力传感装置的设置可以根据试验要求的不同调节支座的高度，由于挡板和支座连接在一起，因此可以达到调节挡板倾角的目的，从而达到模拟不同的撞击角度的作用。同时调节不同的缓冲材料和厚度对冲击效应的影响，观测电荷信号的变化。数据采集分析装置3用于将收集到的冲击作用电荷信号转化为数据，并通过终端装置显示出来，包括数据采集、转换、分析系统。

图2是图1所示的冲击拦挡装置结构图。其中，拦挡结构主要由上部挡板101、下部底部104组成，两个板之间安放力传感器201。两个板之间用螺栓102连接，用螺帽103将挡板和底板固定，安放位置穿过传感器。该装置冲击力来源于撞击物体，物体沿着专用的运动轨道向下运动(未画出)，当运动到挡板101处由于具有一定的速度会给挡板造成一个动态的冲击力，然后力通过挡板101传递给力传感器201，向力感应测试装置2输出。

图3是冲击测试装置结构图。装置一共平均布置四个支架，图中，装置下部安置支架203和支架206，其中支架203具有调节高度的功能。四个支架上部跟底板104相连接，通过防滑螺栓204将支架和底板的圆钢207连接起来。支架203中间设置有转轮205，通过转轮卡数的变化调节支架高度，通过滑杆202高度的变化、螺栓204的转动，带动底板104的转动，从而达到调节冲击拦挡装置倾角的目的。在转轮205上标有刻度，为了达到要求的角度，通过转动转轮的刻度来调节支架高度达到要求的角度。通过支架高度的调节可以实现装置倾角角度的变化，可以模拟不同的撞击角度。其中，挡板101和底板104均为无缝钢板，底板104跟支架通过防滑螺栓204连接，两板之间安放力感应器201，通过螺栓102固定。另外，挡板上放置的弹性缓冲材料、厚度的不同可以根据地质条件进行调节。为了提高装置的稳定性，防止装置不稳定产生误差，在四个支架底部分别加装防滑三角锥。力感应器将感应到的作用力通过数据线(未画出)输出、转换成电荷信号，输出到数据采集分析装置3，用于将收集到的冲击作用电荷信号转化为数据，并通过终端装置显示出来。冲击测试装置2和数据采集分析装置3通过数据线连接。

图4和图5分别是图2所示的冲击拦挡装置的立面图和平面图。图中，力传感器201固定在挡板101和底板104之间。力传感器在挡板下部平均分布四只，用定位螺栓102固定。挡板上可以加盖缓冲材料，冲击力作用在拦挡装置上后通过力传感器201转换成电荷信号。

图6是图2所示的冲击测力装置支架结构图。支架共有四个，给冲击拦挡装置提供支撑，其中，下端支架203为固定支架，上端支架202为活动滑杆，可以上下调节支架高度，通过转动转轮205来调节，上面标有刻度数。底板104和支架通过圆钢207和螺栓204连接，底板103可以以螺栓位置为支点发生转动，以此来调节冲击拦挡装置1的倾角。

本实施例的工作过程为：物体沿着专用的运动轨道向下运动(未画出)，当运动到挡板101处由于具有一定的速度会给挡板造成一个动态的冲击力，然后力通过挡板101传递给力传感器201。传感器固定在挡板101和底板104之间，其感应到作用力后通过数据线转换成电荷信号输送到数据采集分析装置3，用于将收集到的冲击作用电荷信号转化为数据，并通过终端装置显示出来。其中，支架可以通过活动滑杆202来调节。调节支架的高度，以螺栓204的位置为支点发生转动，从而带动挡板101的转动，实现对不同的冲击角度的模拟。挡板101上可布置不同材料、不同厚度的缓冲层，研究其对冲击力大小的影响作用。在本实施例中，在转轮205上标有刻度，为了达到要求的角度，通过转动转轮的刻度来调节支架高度达到要求的角度。通过支架高度的调节可以实现挡板101倾角角度的变化，可以模拟不同的撞击角度。因此，通过本发明的冲击测力装置，可获得不同的冲击速度、不同重量、不同撞击角度、不同缓冲材料和厚度对冲击力大小的影响，为研究复杂影响因素下的冲击力大小，进而反演处适用于一般情况下的冲击力的理论计算公式，为崩塌的方式提供技术参数，从而达到最佳的拦挡效果。

本发明的权利范围不限于具体实施方式的范围，实施方式只是帮助理解，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.滚石冲击力测试装置，其特征在于，包括底部支架、上部挡板(101)、下部挡板(104)；上部挡板(101)和下部挡板(104)重叠设置，并通过连接部件连接；在连接部件处设置有力传感器(201)；所述上部挡板(101)的上表面设置有弹性材料构成的缓冲层，所述底部支架包括角度调节装置，底部支架与下部挡板连接。

2.如权利要求1所述的滚石冲击力测试装置，其特征在于，所述连接部件为螺栓。

3.如权利要求1所述的滚石冲击力测试装置，其特征在于，所述底部支架包括4根支柱，其中两根支柱带有高度调节装置，4根支柱与下部挡板为活动连接。

4.如权利要求1所述的滚石冲击力测试装置，其特征在于，所述连接部件为矩形分布于上部挡板和下部挡板之间。