CN105258965B - 一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，包括试验台、落锤、落锤升降装置、落锤控制装置以及数据监测装置；试验台内部设置有巷道，试验台的顶端面上设置有相互平行的左导向柱和右导向柱，左、右导向柱均为内部中空的结构，左、右导向柱之间设置有承压柱，落锤能够沿左、右导向柱上下滑动；落锤控制装置包括承压柱瞬态卸压应力波施加机构和防落锤二次撞击承压柱机构；所述数据监测装置包括数据收集分析机构和安装在试验台周围及内部的摄像机、数码相机。利用本发明可以完成巷道动力试验中瞬时加压与瞬时卸压试验，并且通过数据测量、传输与存储实时显示巷道受力变形情况。
Description
技术领域
本发明属于巷道动力试验系统领域，尤其涉及一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备。
背景技术
在井下深部巷道开挖推进过程中，可能会引发巷道上覆岩体的断裂，甚至可能面临岩爆、冲击地压等岩石动力灾害，这些现象会导致岩石爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷。目前，对于研究巷道受力过程中，巷道变形、移动及破坏规律，尤其对涉及弹塑性、破碎、垮落等多种力学行为的岩体力学问题，利用相似材料模拟试验法已被广泛认为是一种有效的研究方法。然而，实验室相似材料模拟大型试验装置中，巷道加载过程一般作为静态或准静态过程处理，而当巷道受到如上所述的具有瞬时性的动态荷载时，现有的试验装置往往不能实现。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备。
本发明所采用的技术方案为：
一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，包括试验台、落锤、落锤升降装置、落锤控制装置以及数据监测装置；试验台内部设置有巷道，试验台的顶端面上设置有相互平行的左导向柱和右导向柱，左、右导向柱均为内部中空的结构，左、右导向柱之间设置有承压柱，落锤能够沿左、右导向柱上下滑动；落锤控制装置包括承压柱瞬态卸压应力波施加机构和防落锤二次撞击承压柱机构，承压柱瞬态卸压应力波施加机构包括锤击块，锤击块放置在承压柱的顶端，落锤的初始位置位于锤击块与承压柱叠放后锤击块的顶端，左、右导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块，各限位块所处的高度相同且各限位块为可拆卸式限位块，各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均小于承压柱的顶端面到落锤底端面的距离，所述防落锤二次撞击承压柱机构位于各限位块的下方；所述数据监测装置包括数据收集分析机构和安装在试验台周围及内部的摄像机、数码相机。
所述数据收集分析机构包括超动态应变仪、信号放大器、动态信号分析仪、计算机以及设置在所述承压柱底端、巷道顶底板、巷道的左右巷帮上的应变片和应力传感器，应变片与超动态应变仪相连，应力传感器与信号放大器相连，超动态应变仪与信号放大器均与动态信号分析仪相连，动态信号分析仪连接计算机。
所述落锤升降装置包括吊环和吊环升降控制机构，吊环设置在落锤顶端面的中央位置处，吊环升降控制机构包括能够与吊环相连或分离的磁感应件、设置在左、右导向柱顶端的定位板、设置在定位板上的第一滑轮和第二滑轮、以及设置在试验台一侧的卷轮和控制开关，控制开关用于控制卷轮的转动方向以及控制磁感应件的通电与断电，所述吊环升降控制机构还包括用于连接卷轮、第二滑轮、第一滑轮及磁感应件的升降绳，以及用于连接控制开关与卷轮、控制开关与磁感应件的电线绳，磁感应件通电后与吊环分离，完成落锤的瞬时释放，磁感应件断电后与吊环相连，启动卷轮，完成落锤的升降。
所述落锤、锤击块、承压柱三者的重心位于同一条直线上，所述落锤与锤击块的接触面、承压柱与锤击块的接触面均为光滑表面，所述承压柱的高度大于锤击块的高度，承压柱的横向截面积大于锤击块的横向截面积。
所述承压柱瞬态卸压应力波施加机构还包括用于对承压柱施加横向作用力的撞击杆和施力部，所述施力部为人力或自动施力机构，撞击杆的一端正对锤击块与承压柱叠放后锤击块在竖直方向上的中央位置处，撞击杆的另一端正对施力部。
所述撞击杆的下方设置有用于支撑撞击杆的支架，该支架为伸缩式支架，支架上设置有高度调节开关。
所述防落锤二次撞击承压柱机构包括设置在左导向柱的内侧底部的左定位块和设置在右导向柱的内侧底部的右定位块，左定位块的顶端设置有左曲柄滑块机构，右定位块的顶端设置有右曲柄滑块机构，左、右曲柄滑块机构均包括第一连杆和第二连杆，第二连杆的长度大于第一连杆的长度，左、右导向柱的相向内侧的相对位置处均开设有伸出槽，第二连杆的一端为自由端且该自由端能够沿伸出槽进出，第二连杆的另一端与第一连杆的一端相铰接，左曲柄滑块机构的第一连杆的另一端与左导向柱的内壁固连，右曲柄滑块机构的第一连杆的另一端与右导向柱的内壁固连；所述防落锤二次撞击承压柱机构还包括用于带动左、右曲柄滑块机构中的第一、第二连杆动作的触发机构。
所述触发机构包括用于触发左曲柄滑块机构的左触发机构及用于触发右曲柄滑块机构的右触发机构，左、右触发机构均包括设置在第一连杆与第二连杆的铰接处的销轴和弹簧，弹簧的初始状态为张紧状态，销轴的轴线垂直于左、右定位块的顶端面所在的平面，左触发机构的弹簧的一端与第一、第二连杆的铰接处固连、另一端与左导向柱的内壁固连，右触发机构的弹簧的一端与第一、第二连杆的铰接处固连、另一端与右导向柱的内壁固连，落锤下落碰到承压柱后弹起，弹起过程中，落锤的左、右端分别携带销轴上移，第一、第二连杆在销轴和弹簧的双重作用力下运动并致使第二连杆从伸出槽内伸出，从伸出槽内伸出的第二连杆用于托持再次下落的落锤。
所述左、右导向柱均包括前壁、后壁、左壁和右壁；所述销轴的顶端固连有挡块，挡块呈圆锥状，挡块包括相互固连的尖锥部和提起部，提起部与销轴的顶端固连，尖锥部位于提起部的上方；左导向柱的后壁与右导向柱的前壁上均开设有销轴安置槽，销轴的一半置放于销轴安置槽内。
所述左触发机构的第一连杆与左导向柱的左壁的内侧面固连，左触发机构的弹簧与左导向柱的前壁的内侧面固连，左导向柱上的伸出槽开设在左导向柱的右壁的下部；右触发机构的第一连杆与右导向柱的右壁的内侧面固连，右触发机构的弹簧与右导向柱的后壁的内侧面固连，右导向柱上的伸出槽开设在右导向柱的左壁的下部。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
利用本发明可以完成瞬时加压与卸压试验，解决了目前大型试验装置中只能实现静态或准静态加载，缺乏动态加载条件下试验研究的不足的问题，并且通过数据测量、传输与存储可实时显示巷道受力变形的情况。
附图说明
图1为进行瞬时加压试验时本发明的结构示意图。
图2为进行瞬时卸压试验时本发明的结构示意图。
图3为本发明中除去落锤升降装置后的承压柱瞬态卸压应力波施加机构的结构示意图。
图4为本发明中除去落锤升降装置以及承压柱瞬态卸压应力波施加机构后的防落锤二次撞击承压柱机构的结构示意图。
图5为本发明中第一连杆、第二连杆、弹簧以及销轴的连接关系示意图。
图6为利用本发明采用不同质量落锤及不同下落高度时，承压柱底端处应力随时间变化的情况示意图。
其中，
1、试验台 2、左导向柱 3、承压柱 4、限位块 5、防落锤二次撞击承压柱机构 6、落锤 7、吊环 8、定位板 9、磁感应件 10、升降绳 11、第二滑轮 12、卷轮 13、控制开关 14、巷道 15、应变片 16、应力传感器 17、摄像机 18、数码相机 19、信号放大器 20、超动态应变仪 21、动态信号分析仪 22、计算机 23、右导向柱 24、第一滑轮 25、锤击块 26、撞击杆27、支架 28、高度调节开关 29、左定位块 30、右定位块 31、销轴 32、第一连杆 33、第二连杆 34、弹簧 35、尖锥部
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
如图1至图5所示，一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，包括试验台1、落锤6、落锤升降装置、落锤控制装置以及数据监测装置；试验台1内部设置有巷道14，试验台1的顶端面上设置有相互平行的左导向柱2和右导向柱23，左、右导向柱均为内部中空的结构，左、右导向柱之间设置有承压柱3，落锤6能够沿左、右导向柱上下滑动。
所述数据监测装置包括数据收集分析机构和安装在试验台1周围及内部的摄像机17、数码相机18，所述摄像机17为高速摄像机，所述数据收集分析机构包括超动态应变仪20、信号放大器19、动态信号分析仪21、计算机22以及设置在所述承压柱3底端、巷道14顶底板、巷道14的左右巷帮上的应变片15和应力传感器16，应变片15与超动态应变仪20相连，用以对巷道14的变形进行动态应变测量，应力传感器16与信号放大器19相连，用于监测巷道14所受动态应力，超动态应变仪20与信号放大器19均与动态信号分析仪21相连，动态信号分析仪21连接计算机22，用以对动态应力应变进行分析处理，同时，利用高速摄像机、数码相机18实时记录巷道14及周围岩体变形破坏情况。
所述落锤升降装置包括吊环7和吊环升降控制机构，吊环7设置在落锤6顶端面的中央位置处，吊环升降控制机构包括能够与吊环7相连或分离的磁感应件9、设置在左、右导向柱顶端的定位板8、设置在定位板8上的第一滑轮24和第二滑轮11、以及设置在试验台1一侧的卷轮12和控制开关13，控制开关13用于控制卷轮12的转动方向以及控制磁感应件9的通电与断电，所述吊环升降控制机构还包括用于连接卷轮12、第二滑轮11、第一滑轮24及磁感应件9的升降绳10，以及用于连接控制开关13与卷轮12、控制开关13与磁感应件9的电线绳，磁感应件9通电后与吊环7分离，完成落锤6的瞬时释放，磁感应件9断电后与吊环7相连，启动卷轮12，完成落锤6的升降。
落锤控制装置包括承压柱瞬态卸压应力波施加机构和防落锤二次撞击承压柱机构。
所述承压柱瞬态卸压应力波施加机构包括锤击块25，锤击块25放置在承压柱3的顶端，落锤6的初始位置位于锤击块25与承压柱3叠放后锤击块25的顶端，左、右导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块4，各限位块4所处的高度相同且各限位块4为可拆卸式限位块，各限位块4的顶端面到落锤6底端面的距离均小于承压柱3的顶端面到落锤6底端面的距离，所述防落锤二次撞击承压柱机构位于各限位块4的下方；所述落锤6、锤击块25、承压柱3三者的重心位于同一条直线上，所述落锤6与锤击块25的接触面、承压柱3与锤击块25的接触面均为光滑表面，所述承压柱3的高度大于锤击块25的高度，承压柱3的横向截面积大于锤击块25的横向截面积。所述承压柱瞬态卸压应力波施加机构还包括用于对承压柱3施加横向作用力的撞击杆26和施力部，所述施力部为人力或自动施力机构，撞击杆26的一端正对锤击块25与承压柱3叠放后锤击块25在竖直方向上的中央位置处，撞击杆26的另一端正对施力部；所述撞击杆26的下方设置有用于支撑撞击杆26的支架27，该支架27为伸缩式支架，支架27上设置有高度调节开关28。
所述防落锤二次撞击承压柱机构包括设置在左导向柱2的内侧底部的左定位块29和设置在右导向柱23的内侧底部的右定位块30，左定位块29的顶端设置有左曲柄滑块机构，右定位块30的顶端设置有右曲柄滑块机构，左、右曲柄滑块机构均包括第一连杆32和第二连杆33，第二连杆33的长度大于第一连杆32的长度，左、右导向柱的相向内侧的相对位置处均开设有伸出槽，第二连杆33的一端为自由端且该自由端能够沿伸出槽进出，第二连杆33的另一端与第一连杆32的一端相铰接，左曲柄滑块机构的第一连杆32的另一端与左导向柱2的内壁固连，右曲柄滑块机构的第一连杆32的另一端与右导向柱23的内壁固连；所述防落锤二次撞击承压柱机构还包括用于带动左、右曲柄滑块机构中的第一、第二连杆动作的触发机构。
所述触发机构包括用于触发左曲柄滑块机构的左触发机构及用于触发右曲柄滑块机构的右触发机构，左、右触发机构均包括设置在第一连杆32与第二连杆33的铰接处的销轴31和弹簧34，弹簧34的初始状态为张紧状态，销轴31的轴线垂直于左、右定位块的顶端面所在的平面，所述左、右导向柱均包括前壁、后壁、左壁和右壁；所述销轴31的顶端固连有挡块，挡块呈圆锥状，挡块包括相互固连的尖锥部35和提起部，提起部与销轴31的顶端固连，尖锥部35位于提起部的上方；左导向柱2的后壁与右导向柱23的前壁的上均开设有销轴安置槽，销轴31的一半置放于销轴安置槽内；左触发机构的第一连杆32与左导向柱2的左壁的内侧面固连，左触发机构的弹簧34的一端与左导向柱2的前壁的内侧面固连、另一端与第一、第二连杆33的铰接处固连，左导向柱2上的伸出槽开设在左导向柱2的右壁的下部；右触发机构的第一连杆32与右导向柱23的右壁的内侧面固连，右触发机构的弹簧34的一端与右导向柱23的后壁的内侧面固连、另一端与第一、第二连杆的铰接处固连，右导向柱23上的伸出槽开设在右导向柱23的左壁的下部；落锤6下落碰到承压柱3后弹起，弹起过程中，落锤6的左、右端分别携带销轴31上移，第一、第二连杆在销轴31和弹簧34的双重作用力下运动并致使第二连杆33从伸出槽内伸出，从伸出槽内伸出的第二连杆33用于托持再次下落的落锤6。
利用本发明可以实施瞬时加压及瞬时卸压试验，当进行瞬时加压试验时，抽出左、右导向柱上的限位块4，并将承压柱瞬态卸压应力波施加机构先从整体设备上撤下，打开卷轮12的控制开关13，可以将落锤6起吊到不同的释放高度，打开磁感应件9的控制开关13，磁感应件9与吊环7分离，落锤6下降，完成瞬时加载及防二次撞击过程，同时摄像机17、数码相机18对巷道及周围岩体进行拍摄，应变片15将信号传输到超动态应变仪20，应力传感器16将信号传输到信号放大器19，超动态应变仪20以及信号放大器19将动态应力应变信息传输到动态信号分析仪21，通过计算机22对动态应力应变进行处理分析。当进行瞬态卸压试验时，在左导向柱2和右导向柱23内分别插入限位块4，锤击块25放入承压柱3与落锤6之间，锤击块25正对撞击杆26，打开磁感应件9的控制开关13，磁感应件9与吊环7分离，敲击撞击杆26的一端，使锤击块25弹出，完成瞬时卸压过程，对巷道及周围岩体变形情况进行数据测量、传输、分析。试验完成后，断开磁感应件9的控制开关13，使磁感应件9与吊环7相连，打开卷轮12的控制开关13，吊起落锤6，插入限位块4，放入锤击块25，以便下次试验使用。
以瞬时加压试验为例，监测落锤不同质量以及不同下落高度时，承压柱底端处应力随时间变化情况，如图6所示(m1<m2，h1<h2)，其中曲线1为落锤质量m1、下落高度h1时应力变化曲线，曲线2为落锤质量m1、下落高度h2时应力变化曲线，曲线3为落锤质量m2、下落高度h1时应力变化曲线。通过控制落锤质量与下落高度，可以实现应力上升段时间、应力幅值维持时间、应力下降段时间的不同。巷道动力试验系统的动态加载试验装置，可以完成多种工况的动态加载试验，为全面分析巷道受力变形破坏情况提供了可以实时显示应力应变的简易试验装置。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，包括试验台、落锤、落锤升降装置、落锤控制装置以及数据监测装置；试验台内部设置有巷道，试验台的顶端面上设置有相互平行的左导向柱和右导向柱，左、右导向柱均为内部中空的结构，左、右导向柱之间设置有承压柱，落锤能够沿左、右导向柱上下滑动；落锤控制装置包括承压柱瞬态卸压应力波施加机构和防落锤二次撞击承压柱机构，承压柱瞬态卸压应力波施加机构包括锤击块，锤击块放置在承压柱的顶端，落锤的初始位置位于锤击块与承压柱叠放后锤击块的顶端，左、右导向柱上均设置有多个用于阻挡落锤下滑的限位块，各限位块所处的高度相同且各限位块为可拆卸式限位块，各限位块的顶端面到落锤底端面的距离均小于承压柱的顶端面到落锤底端面的距离，所述防落锤二次撞击承压柱机构位于各限位块的下方；所述数据监测装置包括数据收集分析机构和安装在试验台周围及内部的摄像机、数码相机；所述数据收集分析机构包括超动态应变仪、信号放大器、动态信号分析仪、计算机以及设置在所述承压柱底端、巷道顶底板、巷道的左右巷帮上的应变片和应力传感器，应变片与超动态应变仪相连，应力传感器与信号放大器相连，超动态应变仪与信号放大器均与动态信号分析仪相连，动态信号分析仪连接计算机；所述落锤、锤击块、承压柱三者的重心位于同一条直线上，所述落锤与锤击块的接触面、承压柱与锤击块的接触面均为光滑表面，所述承压柱的高度大于锤击块的高度，承压柱的横向截面积大于锤击块的横向截面积。
2.根据权利要求1所述的一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，所述落锤升降装置包括吊环和吊环升降控制机构，吊环设置在落锤顶端面的中央位置处，吊环升降控制机构包括能够与吊环相连或分离的磁感应件、设置在左、右导向柱顶端的定位板、设置在定位板上的第一滑轮和第二滑轮、以及设置在试验台一侧的卷轮和控制开关，控制开关用于控制卷轮的转动方向以及控制磁感应件的通电与断电，所述吊环升降控制机构还包括用于连接卷轮、第二滑轮、第一滑轮及磁感应件的升降绳，以及用于连接控制开关与卷轮、控制开关与磁感应件的电线绳，磁感应件通电后与吊环分离，完成落锤的瞬时释放，磁感应件断电后与吊环相连，启动卷轮，完成落锤的升降。
3.根据权利要求1所述的一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，所述承压柱瞬态卸压应力波施加机构还包括用于对承压柱施加横向作用力的撞击杆和施力部，所述施力部为人力或自动施力机构，撞击杆的一端正对锤击块与承压柱叠放后锤击块在竖直方向上的中央位置处，撞击杆的另一端正对施力部。
4.根据权利要求3所述的一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，所述撞击杆的下方设置有用于支撑撞击杆的支架，该支架为伸缩式支架，支架上设置有高度调节开关。
5.根据权利要求1所述的一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，所述防落锤二次撞击承压柱机构包括设置在左导向柱的内侧底部的左定位块和设置在右导向柱的内侧底部的右定位块，左定位块的顶端设置有左曲柄滑块机构，右定位块的顶端设置有右曲柄滑块机构，左、右曲柄滑块机构均包括第一连杆和第二连杆，第二连杆的长度大于第一连杆的长度，左、右导向柱的相向内侧的相对位置处均开设有伸出槽，第二连杆的一端为自由端且该自由端能够沿伸出槽进出，第二连杆的另一端与第一连杆的一端相铰接，左曲柄滑块机构的第一连杆的另一端与左导向柱的内壁固连，右曲柄滑块机构的第一连杆的另一端与右导向柱的内壁固连；所述防落锤二次撞击承压柱机构还包括用于带动左、右曲柄滑块机构中的第一、第二连杆动作的触发机构。
6.根据权利要求5所述的一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，所述触发机构包括用于触发左曲柄滑块机构的左触发机构及用于触发右曲柄滑块机构的右触发机构，左、右触发机构均包括设置在第一连杆与第二连杆的铰接处的销轴和弹簧，弹簧的初始状态为张紧状态，销轴的轴线垂直于左、右定位块的顶端面所在的平面，左触发机构的弹簧的一端与第一、第二连杆的铰接处固连、另一端与左导向柱的内壁固连，右触发机构的弹簧的一端与第一、第二连杆的铰接处固连、另一端与右导向柱的内壁固连，落锤下落碰到承压柱后弹起，弹起过程中，落锤的左、右端分别携带销轴上移，第一、第二连杆在销轴和弹簧的双重作用力下运动并致使第二连杆从伸出槽内伸出，从伸出槽内伸出的第二连杆用于托持再次下落的落锤。
7.根据权利要求6所述的一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，所述左、右导向柱均包括前壁、后壁、左壁和右壁；所述销轴的顶端固连有挡块，挡块呈圆锥状，挡块包括相互固连的尖锥部和提起部，提起部与销轴的顶端固连，尖锥部位于提起部的上方；左导向柱的后壁与右导向柱的前壁上均开设有销轴安置槽，销轴的一半置放于销轴安置槽内。
8.根据权利要求7所述的一种巷道动力试验系统的动态加载试验设备，其特征在于，所述左触发机构的第一连杆与左导向柱的左壁的内侧面固连，左触发机构的弹簧与左导向柱的前壁的内侧面固连，左导向柱上的伸出槽开设在左导向柱的右壁的下部；右触发机构的第一连杆与右导向柱的右壁的内侧面固连，右触发机构的弹簧与右导向柱的后壁的内侧面固连，右导向柱上的伸出槽开设在右导向柱的左壁的下部。
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