CN105758714B - 一种应力加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应力加载装置，其包括加载舱、液压控制系统和伺服油源，加载舱包括轴向水平的后加载盖、环形加载框架和前反力盖，环形加载框架内的底侧设置有水平承放模型的试件台，环形加载框架内的左、右、上侧对应模型的左、右、上表面设置有用于施加应力的均布加载器阵列，后加载盖沿轴向对应模型的后表面设置有均布加载器阵列，前反力盖沿轴向对应模型的前表面设置有前反力板。加载舱内的均布加载器与伺服油源连接，在加载舱内设置有位移传感器和油压传感器，位移传感器和油压传感器与液压控制系统连接。环形加载框架与后加载盖、前反力盖可拆卸式密封连接。本装置能够对不同尺寸的模型施加多种模式的应力。

Description

一种应力加载装置

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验加载设备，具体是一种用于煤岩工程模拟实验的应力加载装置。

背景技术

模型加载系统是地质力学模型试验中一项关键技术，因为它直接关系到模拟效果和精度，也直接影响模型块体内所形成应力(应变)场的相似程度。对模型试验结果能否符合工程实际受力状态起着至关重要的作用。

现有的模型加载技术中，普遍使用的有如下两种加载方式：一是使用真三轴加载系统对模型加载，如CN 101285808 B公开的高地应力真三维加载模型试验系统；二是用柔性橡胶囊对模型加载，如CN 203414356 U公开的高地应力柔性加载瞬间卸载试验装置。在实验精度要求不高的情况下，这两种方式均能解决一些问题。随着工程的不断发展，对加载形式的要求也日益提高。以上两种的加载方式的弊端也逐渐暴露：(1)三轴加载每个方向受力只能是一个整体，不能如实模拟模型在同一方向上不均匀受力状态；(2)用柔性橡胶加载，起加载均匀性尚可，但其行程较小，荷载强度偏低，无法满足模型较大变形和较高的强度要求，适用范围受到了很大限制；又无法循环实用，成本高昂，且加载模型尺寸普遍较小(均小于1立方米)，在地质环境条件相对简单的情况下可以实现模拟，但无法充分模拟地质条件较复杂的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应力加载装置，其能够对不同尺寸的模型施加多种应力。

本发明的技术方案如下：

一种应力加载装置，其包括加载舱、液压控制系统和伺服油源，所述加载舱设置在一底座上，所述加载舱包括轴向水平的后加载盖、环形加载框架和前反力盖，所述环形加载框架内的底侧设置有水平承放模型的试件台，环形加载框架内的左、右、上侧对应模型的左、右、上表面设置有用于施加应力的均布加载器阵列，所述后加载盖沿轴向对应模型的后表面设置有均布加载器阵列，所述前反力盖沿轴向对应模型的前表面设置有前反力板。加载舱内的均布加载器与伺服油源连接，在加载舱内设置有测量均布加载器位移的位移传感器和测量均布加载器内部油压的油压传感器，所述位移传感器和油压传感器与液压控制系统连接。所述底座上沿加载舱的轴向设置有两平行导轨，后加载盖、环形加载框架和前反力盖的底部分别设置有可在导轨上前后移动的支撑架，环形加载框架与后加载盖、前反力盖可拆卸式密封连接。

进一步，所述环形加载框架包括加载环组以及连接于加载环组与后加载盖之间的过渡环，环形加载框架内的均布加载器阵列由分布在每个加载环内的左、右、上侧的均布加载器组成，加载环的内侧面向内延伸出安装平台，均布加载器固定在安装平台上。

进一步，所述加载环组包括六个加载环，每个加载环内壁的顶部、左部和右部分别有四个均布加载器，后加载盖上设置有十二个均布加载器；每个均布加载器设置有一对用于连接伺服油源的进、出油管，每个均布加载器的进、回油腔各设置一只油压传感器。

进一步，每个均布加载器包括内设六个连通的空腔的缸体，每个空腔内均设有一个活塞，每个活塞的端部固定有加压板，同一均布加载器的各加压板处于同一平面且与其所在的安装平台平行，每个均布加载器的六个活塞共用一个位移传感器。

进一步，所述加压板朝模型的一面上固定有一块具有纵横交错的沟槽的传力板，传力板与加压板平行对齐，沟槽位于传力板朝模型的一面，传力板在沟槽的纵横交错处有垂直于传力板的通气孔。

进一步，沟槽的宽度和深度均为6mm，沟槽间的间距为15mm，通气孔的直径为5mm，传力板通过沉头螺钉固定在加压板上，沉头螺钉位于传力板的角部。

进一步，所述加压板朝活塞的一面设有2mm深的正方形沉坑，活塞杆的端头设有与正方形沉坑配合的正方形台阶。

本方案的应力加载装置，通过多个方向的均布加载器阵列来对模型施压多维应力，且由多个均布加载器组成的阵列形式，通过液压控制系统和伺服油源分控单个均布加载器，能够对模型施加均匀或非均匀的较大的应力。采用伺服油源能够实现自动伺服变量控制，极大地减少了无功消耗，节能、低噪，符合现代低碳经济的要求。且后加载盖、环形加载框架和前反力盖之间的可拆卸式连接，且可滑动于底座的导轨上，方便大尺寸模型的取放。又通过油路密封连接口和引线密封连接口的设计，保证加载舱的密封性。

环形加载框架包含加载环组的结构，一方面方便施加阶梯式和分段式应力，另一方面在安装和制造上也更为方便，其结构合理，性能优良，克服了现有加载技术存在的不足，同时满足了不同模型以及不同应力加载方式试验的要求。既可在模型上施加均布荷载，又可施加阶梯形荷载、分段式荷载等各种非均匀荷载，且能满足模型表面不均匀变形的要求。试验验证，可在模型块体内产生大范围的分别产生均匀以及非均匀应变场，并且应变长的分布形态和数值都与理论计算结果相当接近，达到了预期的效果。

均布加载器采用单出杆双作用结构，通过油路将6个活塞构建成一个均布加载器，各均布加载器间相互独立。克服了普通千斤顶结构内部摩擦力对出力的影响和因此导致的荷载滞后的难题，能够通过测量均布加载器进回油腔的液压压强测得均布加载器的输出载荷，进而实现均布加载器输出负荷的精确控制，保证了液压控制系统的控制与测量精度，从而提高了试验结果的精度和可靠性。并采用特殊设计的传力板来保证高压气体在模型表面的均布效果，以及防转动的结构来防止活塞杆转动和防尘。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中单个加载环的结构示意图；

图3为图1中后加载盖的结构示意图；

图4为单个加载环上属于同一均布加载器阵列的四个均布加载器的结构示意图；

图5为图4所示均布加载器的俯视图。

附图标记说明：1-后加载盖；2-加载环；3-过渡环；4-底座；5-前反力盖；6-试件台；7-油管；8-均布加载器阵列；9-引线密封连接口；10-油路密封连接口；11-支撑架；12-安装平台；13-底板；14-活塞；15-沉头螺钉；16-缸体；17-加压板；18-传力板；80-均布加载器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种应力加载装置，包括对实验所用的模型施压的加载舱，加载舱为油压型，其与液压控制系统和伺服油源连接以进行施压和泄压控制。加载舱整体设置在一底座4上，其包括轴向水平的后加载盖1、环形加载框架和前反力盖5，水平承放模型的试件台6设置在环形加载框架内的底侧，环形加载框架内的左侧水平朝右设置均布加载器8，环形加载框架内的右侧水平朝左设置均布加载器8，环形加载框架内的上侧垂直朝下设置均布加载器8，后加载盖1沿轴向朝前设置均布加载器8，前反力盖5沿轴向朝后设置前反力板，如图1至图3所示。上述均布加载器8、试件台6和前反力板在加载舱内限位成一个施压空间，模型放置其中受压。模型一般来说采用方型，因此，模型上、左、右、后四个表面对应的均布加载器8能够实现的三维应力要求。

环形加载框架的壁上设置有油路密封连接口10和引线密封连接口9，加载舱内的均布加载器80通过油路密封连接口10与伺服油源连接，在加载舱内设置测量均布加载器80位移的位移传感器和测量均布加载器80内部油压的油压传感器，位移传感器和油压传感器通过引线密封连接口9与液压控制系统连接，保证加载舱的密封性。在实施中，液压控制系统可采用现有的POP-M型工控PC多通道(共11个通道)电液伺服控制器，伺服油源通过PLC控制器进行远程控制，液压控制系统可进行自动复合加载，以及实现数据可视化。伺服油源可采用最先进的恒压伺服变量泵，在保持系统输出压力不变的情况下，可以根据系统的实际需要，自动调整油泵的实际输出流量(称为自动伺服变量技术)，在需要长时间负荷保持控制的情况下，可以根据系统需要自动调整输出，极大的减少了无功消耗，节能、低噪，符合现代低碳经济的要求，是当代最先进的伺服油源。

所述底座4上沿加载舱的轴向设置有两平行导轨，后加载盖1、环形加载框架和前反力盖5的底部分别设置有可在导轨上前后移动的支撑架11，环形加载框架与后加载盖1、前反力盖5可拆卸式密封连接，方便模型的放取和实验检测点的设置。可选择电控柜通过控制驱动装置来控制后加载盖1、环形加载框架和前反力盖5的移动，以便打开或闭合加载舱。

所述环形加载框架包括由数个加载环2同轴串接到一起的加载环2组，由于后加载盖1的均布加载器8凸出盖面，为保证均布加载器8间的合理间隙，采用过渡环3来连接加载环2组与后加载盖1，过渡环3内不设均布加载器8，在于方便结构上的安排。每个加载环2对应左、右、上侧的均布加载器80设置安装平台12以供安装。安装平台12的安装面为水平或垂直的平面，其对面与加载环2的内侧面贴合固定。各个加载环2内上侧的均布加载器80组成了整个加载舱对应模型上表面的均布加载器8，同样地，模型左、右表面对应的均布加载器8也是此结构。每个均布加载器80都有一对独立的进出油路实现独立控制，实现模型单个受力面的均匀或非均匀的阶梯式应力施加。

为了模拟深部煤岩工程中的土层压力，加载环2组采用6个加载环2串接而成，每个加载环2内壁的顶部、左部和右部分别有4个均布加载器80，环形加载框架相当于采用了72个均布加载器80进行应力加载，每个加载器有6个活塞，模型的上方、左右方共有432个活塞，相当于有432个小油缸加载。所述后加载盖1上设置有12个均布加载器80，前反力盖5的内表面和环形加载框架的底面为被动加载。每个均布加载器80设置有一对用于连接伺服油源的进、出油管，每对进、出油管间相互独立，通过油路密封连接口10引到加载舱外部，根据实验需要进行分组并联，再与液压控制系统连接。每个均布加载器80的进、回油腔各设置一只油压传感器，油压传感器所测参数反馈到电液伺服控制器，电液伺服控制器与PLC控制器通信，PLC控制器调控均布加载器80的油压，即是调节均布加载器80施加的应力大小。

均布加载器80的结构如图4和图5所示，在底板13上固定连接有缸体16，缸体16上设有进油接头及回油接头，进油接头及回油接头各连接一条油管7，缸体16内部分布设有6个连通的空腔，每个空腔内均设有一个活塞14，每个活塞14的端部固定有加压板17，同一均布加载器80的各加压板17处于同一平面且与其所在的安装平台12平行，每个均布加载器80的六个活塞14共用一个位移传感器。加压板17设计空气导槽，排除模型与加压板17之间存在的空气。如此结构的均布加载器80具有加工精度高、工艺性好、一致性好和启动摩擦力极低的优点，单个活塞14具有高达10Hz的频响，便于实现伺服控制。

为保证高压气体在模型表面的均布效果，所有的均布加载器80的加压板17均做了特殊设计。加压板17朝模型的一面上固定有一块具有纵横交错的沟槽的传力板18，传力板18与加压板17平行对齐。沟槽位于传力板18朝模型的一面，传力板18在沟槽的纵横交错处有垂直于传力板18的通气孔，沟槽的宽度和深度均为6mm，沟槽间的间距为15mm，通气孔的直径为5mm，传力板18通过沉头螺钉15固定在加压板17上，沉头螺钉15位于传力板18的角部。为提高模型表面的减摩效果，同时防止模型材料堵塞通气孔，模型就位时，在模型四周用胶带纸固定两层0.5mm(或1层2mm加1层0.5mm)厚的聚四氟乙烯膜。模型的下支撑面为被动加载，该下支撑面也用沉头螺钉15固定一张与均布加载器80加压板17前端相同的传力板18，以便高压气体能够比较均匀的作用于模型的底面。

为防止均布加载器80的活塞14旋转，加压板17朝活塞14的一面设有2mm深的正方形沉坑，活塞14杆的端头设有与正方形沉坑配合的正方形台阶，用于配合正方形沉坑。活塞14杆的正方形端头是为了在每一个均布加载器80的6个活塞14杆的端部套上一块有6个方孔的定位塑料板，防止活塞14在多次往复运动后发生转动，进而带动加压板17转动，造成加压板17排列不均甚至错位，定位塑料板同时还兼有对活塞14防尘的作用。

在对模型加载应力的过程中，由于模型的尺寸及破坏等原因，为保证加载舱在三个方向上的加载组件之间相互不产生干涉，后加载盖1的12个均布加载器，与环形加载框架内的左、右及顶部的均布加载器错开一定的距离，防止产生干涉。

Claims (7)

1.一种应力加载装置，包括加载舱、液压控制系统和伺服油源，所述加载舱设置在一底座上，其特征在于：所述加载舱包括轴向水平的后加载盖、环形加载框架和前反力盖，所述环形加载框架内的底侧设置有水平承放模型的试件台，环形加载框架内的左、右、上侧对应模型的左、右、上表面设置有用于施加应力的均布加载器阵列，所述后加载盖沿轴向对应模型的后表面设置有均布加载器阵列，所述前反力盖沿轴向对应模型的前表面设置有前反力板；加载舱内的均布加载器阵列与伺服油源连接，在加载舱内设置有测量均布加载器阵列位移的位移传感器和测量均布加载器阵列内部油压的油压传感器，所述位移传感器和油压传感器与液压控制系统连接；所述底座上沿加载舱的轴向设置有两平行导轨，后加载盖、环形加载框架和前反力盖的底部分别设置有可在导轨上前后移动的支撑架，环形加载框架与后加载盖、前反力盖可拆卸式密封连接。

2.根据权利要求 1 所述的一种应力加载装置，其特征在于：所述环形加载框架包括加载环组以及连接于加载环组与后加载盖之间的过渡环，环形加载框架内的均布加载器阵列由分布在每个加载环内的左、右、上侧的均布加载器组成，加载环的内侧面向内延伸出安装平台，均布加载器固定在安装平台上。

3.根据权利要求 2 所述的一种应力加载装置，其特征在于：所述加载环组包括六个加载环，每个加载环内壁的顶部、左部和右部分别有四个均布加载器，后加载盖上设置有十二个均布加载器；每个均布加载器设置有一对用于连接伺服油源的进、出油管，每个均布加载器的进、回油腔各设置一只油压传感器。

4. 根据权利要求 3 所述的一种应力加载装置，其特征在于：每个均布加载器包括内设六个连通的空腔的缸体，每个空腔内均设有一个活塞，每个活塞的端部固定有加压板，同一均布加载器的各加压板处于同一平面且与其所在的安装平台平行，每个均布加载器的六个活塞共用一个位移传感器。

5. 根据权利要求 4 所述的一种应力加载装置，其特征在于：所述加压板朝模型的一面上固定有一块具有纵横交错的沟槽的传力板，传力板与加压板平行对齐，沟槽位于传力板朝模型的一面，传力板在沟槽的纵横交错处有垂直于传力板的通气孔。

6.根据权利要求 5 所述的一种应力加载装置，其特征在于：沟槽的宽度和深度均为6mm，沟槽间的间距为 15mm，通气孔的直径为 5mm，传力板通过沉头螺钉固定在加压板上，沉头螺钉位于传力板的角部。

7. 根据权利要求 4 至 6 中任一项所述的一种应力加载装置，其特征在于：所述加压板朝活塞的一面设有 2mm 深的正方形沉坑，活塞杆的端头设有与正方形沉坑配合的正方形台阶。