CN102590451A - 一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统 - Google Patents

一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统 Download PDF

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Abstract

一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统，包括水囊、水压加载装置、应变测量装置和控制装置，所述水囊包括胶囊和注水管，所述水压加载装置包括柱塞泵、稳压器、缓冲器、流量控制模块、压力控制模块和安全阀，所述应变测量装置包括多个应变片，所述控制装置包括控制器、伺服液压装置和显示器。

Description

一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统
技术领域
本发明涉及一种物理模拟实验加载设备，尤其涉及一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统。
背景技术
柔性加载水囊系统是三维物理模拟实验加载的关键设备。目前三维物理模拟实验加载一般采用刚性加载法，即采用分级传力块(普通钢轨)或在液压油缸下面铺设钢板的方式把需要模拟的岩层重量通过液压加载到模拟材料上，整个模拟材料上上表面承受的压力不是均布荷载，尤其在模拟煤层开采时，上部模拟岩层在局部塌陷的情况下均布加载采用目前的加载方式更不可能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统，包括水囊、水压加载装置、应变测量装置和控制装置，其特征在于：所述水囊包括胶囊和注水管，所述胶囊由硫化橡胶制成，基本为长方体，胶囊的内部具有空腔，所述胶囊的上表面的中部设有注水孔，所述注水孔与所述空腔相通，所述注水管固定设置在所述注水孔中，所述注水管与所述注水孔连接处密封处理；所述水压加载装置包括柱塞泵、稳压器、缓冲器、流量控制模块、压力控制模块和安全阀，所述柱塞泵通过所述稳压器和所述缓冲器连接所述注水管，用于向所述胶囊中注水，所述柱塞泵连接所述注水管的通路上设置所述流量控制模块和压力控制模块，用于控制注水的流量和压力，所述安全阀连接在所述柱塞泵上，当注水压力超过所述柱塞泵的额定压力时放水卸压；所述应变测量装置包括多个应变片，所述应变片固定设置在所述胶囊的外表面上，用于检测所述胶囊的注水时的变形；所述控制装置包括控制器、伺服液压装置和显示器，所述控制器连接所述流量控制模块、压力控制模块和应变测量装置，采集注水流量、注水压力和胶囊应变数值并通过所述显示器显示，所述伺服液压装置连接所述控制器和所述水压加载装置中的柱塞泵，其在所述控制器的控制下根据需要定量驱动所述柱塞泵，以实现定量注水。
本发明的优点在于：使用硫化橡胶制成的胶囊进行加压，压力加载均匀，胶囊内部压力处处相等，作用在试样表面上的力是均匀的，可以从均匀加载的研究非均匀、非连续介质的动力响应规律，在平面应变条件下研究柔性荷载作用下各向同性岩土体的动力响应问题；
使用伺服液压装置进行注水加压控制，通过控制器的控制，可实现任意量的精确注水；
控制器实时监测注水压力和流量，可以随时调节注水参数，便于进行不同类型的模拟实验。
附图说明
附图1为本发明所述三维模拟实验台柔性加载水囊系统中水囊的剖视图；
附图2为本发明所述三维模拟实验台柔性加载水囊系统中水囊的正视图。
附图标记如下：
1-胶囊；2-空腔；3-注水管。
具体实施方式
一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统，包括水囊、水压加载装置、应变测量装置和控制装置。参见附图1-2，水囊为压力加载的执行器件，包括胶囊和注水管，胶囊由硫化橡胶制成，基本为长方体，长方体四周倒角以避免磨损并提高整体的强度，胶囊的内部为空腔，胶囊的上表面的中部中心位置设有注水孔，注水孔与空腔相连通，注水管为管状结构，其通过底部的卡子固定设置在注水孔中，注水管的头部露出胶囊的上表面，为防止漏水，注水管与注水孔和胶囊表面的连接处要密封处理，如添加密封胶垫、注胶密封等；
水压加载装置包括柱塞泵、稳压器、缓冲器、流量控制模块、压力控制模块和安全阀，柱塞泵通过稳压器和缓冲器连接注水管，以向胶囊中注水加压，柱塞泵、稳压器和缓冲器选用市面上常用的型号即可，柱塞泵连接注水管的通路上设置流量控制模块和压力控制模块，用于控制注水的流量和压力，优选流量控制模块和压力控制模块中分别设置流量传感器和压力传感器，其连接控制装置，向控制装置传输注水流量和注水压力，安全阀连接在柱塞泵或注水通路的任意位置上，当注水压力超过柱塞泵的额定压力时，放水卸压；
应变测量装置包括多个应变片，应变片固定设置在胶囊的外表面上，包括上表面、下表面和侧面，用于检测胶囊的注水时的变形，其一方面可以测量得到胶囊中的实际压力，以作为进行压力加载实验时加载压力的一个测量参数，另一方面也随时监测胶囊的变形，避免压力加载过大撑破胶囊；
控制装置包括控制器、伺服液压装置和显示器，控制器可以选用计算机、PLC或其它控制元件，其连接流量控制模块、压力控制模块和应变测量装置，采集注水流量、注水压力和胶囊应变数值并通过输出到显示器显示，并通过操作人员的指令驱动流量控制模块和压力控制模块调节注水流量和注水压力，或根据注水流量、注水压力驱动流量控制模块和压力控制模块自动调节注水流量和注水压力，伺服液压装置一端连接控制器，另一端连接水压加载装置中的柱塞泵，其在控制器的控制下根据需要由控制器发出的定量的脉冲信号驱动产生定量位移，并进而定量驱动柱塞泵，以实现定量注水。
三维模拟实验台柔性加载水囊系统的注水加压实验方法如下：
柔性将加载水囊系统中的水囊放置在实验台的试件上方，通过固定装置固定；
根据实验所需的压力，向控制器发出控制指令，开始注水；
注水过程中，随时监测注水流量和注水压力，通过调节伺服液压装置控制注水流量和注水压力，使其平稳注水；
控制器记录胶囊上各应变片的应变值，并与试件的状态，如试件的各个加载时段的照片等相对照，得出各应变值，即加载压力值下，试件的变形、裂隙情况。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三维模拟实验台柔性加载水囊系统，包括水囊、水压加载装置、应变测量装置和控制装置，其特征在于：
所述水囊包括胶囊和注水管，所述胶囊由硫化橡胶制成，基本为长方体，胶囊的内部具有空腔，所述胶囊的上表面的中部设有注水孔，所述注水孔与所述空腔相通，所述注水管固定设置在所述注水孔中，所述注水管与所述注水孔连接处密封处理；
所述水压加载装置包括柱塞泵、稳压器、缓冲器、流量控制模块、压力控制模块和安全阀，所述柱塞泵通过所述稳压器和所述缓冲器连接所述注水管，用于向所述胶囊中注水，所述柱塞泵连接所述注水管的通路上设置所述流量控制模块和压力控制模块，用于控制注水的流量和压力，所述安全阀连接在所述柱塞泵上，当注水压力超过所述柱塞泵的额定压力时放水卸压；
所述应变测量装置包括多个应变片，所述应变片固定设置在所述胶囊的外表面上，用于检测所述胶囊的注水时的变形；
所述控制装置包括控制器、伺服液压装置和显示器，所述控制器连接所述流量控制模块、压力控制模块和应变测量装置，采集注水流量、注水压力和胶囊应变数值并通过所述显示器显示，所述伺服液压装置连接所述控制器和所述水压加载装置中的柱塞泵，其在所述控制器的控制下根据需要定量驱动所述柱塞泵，以实现定量注水。
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