CN107860660B - 一种大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

一种大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，涉及对大吨位的岩体进行试验的设备，包括固定底座、第一底座、环形框架、第二底座，在环形框架内连接上下加载缸和左右加载缸，在第二底座的一侧面连接前后加载缸，上下加载缸、左右加载缸和前后加载缸均包括静载缸筒、动载缸筒、静载活塞杆、动载活塞杆，在静载缸筒内设置动载缸筒安装腔和静载无杆腔，动载缸筒设置在动载缸筒安装腔内，静载活塞杆安装在静载无杆腔内；动载活塞杆的一端设置动载活塞，动载活塞安装在动载缸筒内，动载活塞杆的另一端贯穿动载缸筒的压盖和静载活塞杆后连接可更换冲头；在静载活塞杆伸出静载缸筒的一端设置固定法兰和加载块。可实现静载加载和动载加载，也可同时进行。

Description

一种大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统

技术领域

本发明涉及对大吨位的岩体进行试验的设备。

背景技术

地质力学模型试验技术是研究大型岩土工程问题的重要手段，在国内外已得到广泛应用，并在工程科研设计及论证中发挥了重要作用。国内、国外许多单位都开展了地质力学模型的试验研究工作，并研制了规模不等的配套模型试验设备。从模型放置方式分为：卧式、立式两类；从模型加载方式分为：主要采用千斤顶加载，少数用液压囊加载；从提供反力方式分：有金属框架和基坑式；从模型受力维数分：大部分是二维的；从控制模型的平面应变条件看：严格达到的不多，大多采用准平面应变条件；从模型内所产生应变场均匀程度和均匀范围看：一般都比较小，然后随着岩土工程的规模越来越大，出现的工程问题更加复杂，需要研究的内容也越来越多，对岩土工程建设的科研设计水平和计算精度的要求越来越高，现有试验设备在功能加载方式、模型内所形成的应变场范围和均匀程度等方面已不能很好地满足工程实践的需要。

为揭示深部巷道/隧道不同类型岩爆形成机制、影响因素和演化规律，建立岩爆风险合理评估和准确预测方法及可靠防控方法，研发一套深部/隧道岩爆物理模拟试验系统。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统。

本发明的目的是这样实现的：一种大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，包括固定底座，在固定底座上连接第一底座、环形框架、第二底座，所述第一底座和第二底座分别连接底座驱动油缸，并通过导轨连接在固定底座上，第一底座和第二底座分别位于环形框架的前后两侧，第一底座、环形框架、第二底座通过拉杆连接；在所述环形框架内连接上下加载缸和左右加载缸，在第二底座的朝向环形框架的一侧面连接前后加载缸，上下加载缸、左右加载缸和前后加载缸的结构相同，均包括静载缸筒、动载缸筒、静载活塞杆、动载活塞杆，在所述静载缸筒内设置动载缸筒安装腔和静载无杆腔，在动载缸筒安装腔处连接压盖，动载缸筒设置在动载缸筒安装腔内，静载活塞杆配合安装在静载无杆腔内；所述动载活塞杆的一端设置一体动载活塞，动载活塞安装在动载缸筒内，动载活塞将动载缸筒分为动载无杆腔和动载有杆腔，动载活塞杆的另一端贯穿动载缸筒的压盖和静载活塞杆后连接可更换冲头；在所述静载活塞杆伸出静载缸筒的一端设置固定法兰和加载块，固定法兰通过螺栓与静载活塞杆连接，加载块的一端设置在固定法兰内并与可更换冲头接触，另一端伸出固定法兰。

试验时，首先驱动第一底座的驱动油缸伸出，拉动第一底座向前移动，再将被试岩体放到加载试验位置，第一底座的驱动油缸缩回，第一底座回到原位置，对上下、左右、前后三个加载缸进行静载或者动载试验。

本发明的有益效果是：

1、该大型系统可实现静载加载和动载加载两种加载形式，也可同时进行动静两种加载方式；

2、该模拟试验系统可以对被试验对象进行全方位的加载试验。

3、采用环形框架加3个加载缸的形式，保证加载的可行性，使整个模拟系统结构紧凑，占地面积小。

4、该模拟试验系统具有高承载能力，能够实现高负载的模拟试验。

5、动载活塞杆前部设置可更换冲头，在对加载块进行动加载时，需要液压缸大载荷、高频率的冲击被作用物体，该作用方式会对液压缸本身造成一定的伤害，如果，用液压缸直接作用，非常容易导致液压缸受损报废。而本液压缸创新采用可更换的冲头与动载活塞杆螺栓连接的方式，间接的通过冲头实现大载荷、高频率的动加载过程，减小了对液压缸动载活塞杆的直接伤害，而且冲头可更换，卸下固定法兰的螺丝，取下加载块，卸下冲头的螺丝，冲头破坏直接更换冲头即可，无需改换液压缸的其他任何配件。

优选地，所述加载块与固定法兰之间设置调整间隙，在所述固定法兰的四周连接对中油缸，对中油缸的伸缩端位于调整间隙内并与加载块相互作用。该模拟试验系统可以实现对被试对象的对中功能，使被试对象受载均匀，符合实际的受载状态。

优选地，在所述加载块与静载活塞杆之间设置钢球承压板，钢球承压板朝向加载块的一侧设置钢球保持架，在钢球保持架内设置钢球，钢球与加载块和静载活塞杆接触。被试件为岩石等地质材料，由于岩石内部不均匀等，会造成岩石在承受压力的面的各个点的变形程度不相同，原本平直的面可能会成为斜面，此时钢球可以产生滑动，使加载块的加载面与被试件因变形产生的斜面重合，这样保证了被试件加载面的受力更加均衡。如果不采用钢球的话，就会造成变形小的部分所受载荷大而变形大的部分所受载荷小。加载块与钢球承压板为滑动联接，两者之间采用带有保持架的钢球减摩，减摩效率达90%。

为了防止转动，在所述静载活塞杆朝向静载缸筒的一侧设置销孔，在静载缸筒上连接防转销，防转销的端部插在静载活塞杆的销孔内，利于加载块与被作用物体对正。

优选地，在所述固定底座上通过移动小车驱动缸连接移动小车，在所述第一底座朝向环形框架的一侧连接推动缸。将被试岩体放在岩体移动小车上，给移动小车驱动油缸供油，驱动其活塞杆伸出，将岩体推到环形框架处，然后将岩体通过推动缸放到加载试验位置。

优选地，所述拉杆的一端伸出第一底座后连接螺母，螺母与第一底座之间设置球面垫，拉杆的另一端伸出第二底座后连接液压螺母。拉杆两端采用液压螺母加球面垫的方式，保证液压螺母受力均匀，减小拉杆的弯曲变形。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中第一底座、第二底座和拉杆的结构示意图。

图3为上下加载缸的结构示意图。

图4为图3中A-A向视图。

图5为图3中B-B向视图。

图6为图5中I部放大图。

图中，1环形框架，2拉杆，3第一底座，4球面垫，5螺母，6导轨，7底座驱动油缸，8推动缸，9固定底座，10移动小车，11移动小车驱动缸，12左右加载缸，13第二底座，14前后加载缸，15液压螺母，16上下加载缸，17加载缸伺服控制单元，18静载缸筒，19固定法兰，20对中油缸，21加载块，22动载无杆腔油路，23动载缸筒安装腔，24动载无杆腔，25动载有杆腔油路，26静载无杆腔油路，27动载有杆腔，28静载无杆腔，29动载缸筒，30动载活塞，31动载活塞杆，32压盖，33静载活塞杆，34调整间隙，35钢球承压板，36可更换冲头，37防转销，38销孔，39钢球保持架，40钢球。

具体实施方式

如图1、2所示，大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，包括固定底座9，在固定底座9上连接第一底座3、环形框架1、第二底座13，第一底座3和第二底座13分别连接底座驱动油缸7，并通过导轨6连接在固定底座9上，第一底座3和第二底座13分别位于环形框架1的前后两侧，第一底座3、环形框架1、第二底座13通过拉杆2连接，拉杆2的一端伸出第一底座3后连接螺母5，螺母5与第一底座3之间设置球面垫4，拉杆2的另一端伸出第二底座13后连接液压螺母15。

在固定底座9上通过移动小车驱动缸11连接移动小车10，在第一底座3朝向环形框架1的一侧连接推动缸8。

在环形框架1内连接上下加载缸16和左右加载缸12，在第二底座13的朝向环形框架1的一侧面连接前后加载缸14，上下加载缸16、左右加载缸12和前后加载缸14的结构相同。

如图3－6所示，上下加载缸16、左右加载缸12和前后加载缸14均包括静载缸筒18、动载缸筒29、静载活塞杆33、动载活塞杆31。在静载缸筒18内设置动载缸筒安装腔23和静载无杆腔28，在动载缸筒安装腔23处连接压盖32，动载缸筒29设置在动载缸筒安装腔23内，静载活塞杆33配合设置在静载无杆腔28内。在静载活塞杆33朝向静载缸筒18的一侧设置销孔38，在静载缸筒18上连接防转销37，防转销37的端部插在静载活塞杆33的销孔38内。

动载活塞杆31的一端一体设置动载活塞30，动载活塞30设置在动载缸筒29内，动载活塞30将动载缸筒29分为动载无杆腔24和动载有杆腔27，动载活塞杆31的另一端伸出压盖32和静载活塞杆33后通过螺丝连接可更换冲头36。在静载缸筒18上设置与动载无杆腔24相连通的动载无杆腔油路22、与动载有杆腔27相连通的与动载有杆腔油路25、与静载无杆腔28相连通的静载无杆腔油路26。

在静载活塞杆33伸出静载缸筒18的一端设置固定法兰19和加载块21，固定法兰19通过螺栓与静载活塞杆33连接，加载块21的一端一体设置限位边21-1，限位边21-1设置在固定法兰19内，可更换冲头36接触加载块21，加载块21的另一端伸出固定法兰19。加载块21的尺寸小于固定法兰19的尺寸，在加载块21与固定法兰19之间设置调整间隙34，在固定法兰19的四周连接十六个对中油缸20，对中油缸20的伸缩端位于调整间隙34内并顶着加载块21。

在加载块21与静载活塞杆33之间设置钢球承压板35，钢球承压板35朝向加载块21的一侧设置钢球保持架39，在钢球保持架39内设置钢球40，钢球40与加载块21和静载活塞杆33接触。

试验时，首先驱动第一底座3的底座驱动油缸7伸出，拉动第一底座3向前移动，等第一底座3沿支撑座上的导轨6移动到适当的位置，停止给底座驱动油缸7供油，使第一底座3保持在适当位置，将被试岩体放在移动小车10上，给移动小车驱动缸11供油，驱动其活塞杆伸出，将岩体推到环形框架1处，通过推动缸8然后将岩体放到加载试验位置，驱动移动小车10回原位置，给底座驱动油缸7供油，使其缩回，第一底座3回到原位置，进行静载或者动载试验。

如图所示：

1、当进行动载试验时，加载缸伺服控制单元17控制三个加载缸同步的实现的动载无杆腔油路22和动载有杆腔油25路交替获得压力油，驱动动载活塞杆31伸出与缩回，完成高频率、大载荷的动加载过程，实现动加载试验。

2、当进行静载试验时，加载缸伺服控制单元17控制加载缸的静载无杆腔油路26进油，驱动静载活塞杆33伸出，获得较大的静载荷完成静加载，实现静加载试验。

本发明在静载活塞杆与静载缸筒之间加了防转销，限制了动、静活塞杆相对静载缸筒之间的转动，减小了活塞杆转动对加载所造成的不均现象。在进行动、静加载过程之前，伺服控制单元会首先给对中油缸供油，使对中油缸的活塞杆伸出到极限位置（当固定法兰四个面上的16个对中油缸的活塞杆全部伸出达极限位置时，动、静载活塞杆正好直接作用于加载块的正中心），保证通过加载块传出的作用力均匀的作用在被作用物体上，另外由于金属的质量较大，而且两金属直接接触易产生非常大的摩擦力，本发明创新的采用了加载块、钢球与钢球承压板的方式化滑动摩擦为滚动摩擦，极大的减小了摩擦力，缩小了对中油缸的尺寸，保证了该加载缸的结构的紧凑。

Claims (6)

1.一种大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，包括固定底座，其特征在于：在固定底座上连接第一底座、环形框架、第二底座，所述第一底座和第二底座分别连接底座驱动油缸，并通过导轨连接在固定底座上，第一底座和第二底座分别位于环形框架的前后两侧，第一底座、环形框架、第二底座通过拉杆连接；在所述环形框架内连接上下加载缸和左右加载缸，在第二底座的朝向环形框架的一侧面连接前后加载缸，上下加载缸、左右加载缸和前后加载缸的结构相同，均包括静载缸筒、动载缸筒、静载活塞杆、动载活塞杆，在所述静载缸筒内设置动载缸筒安装腔和静载无杆腔，在动载缸筒安装腔处连接压盖，动载缸筒设置在动载缸筒安装腔内，静载活塞杆配合安装在静载无杆腔内；所述动载活塞杆的一端设置一体动载活塞，动载活塞安装在动载缸筒内，动载活塞将动载缸筒分为动载无杆腔和动载有杆腔，动载活塞杆的另一端贯穿动载缸筒的压盖和静载活塞杆后连接可更换冲头；在所述静载活塞杆伸出静载缸筒的一端设置固定法兰和加载块，固定法兰通过螺栓与静载活塞杆连接，加载块的一端设置在固定法兰内并与可更换冲头接触，另一端伸出固定法兰。

2.根据权利要求1所述大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，其特征在于：所述加载块与固定法兰之间设置调整间隙，在所述固定法兰的四周连接对中油缸，对中油缸的伸缩端位于调整间隙内并与加载块相互作用。

3.根据权利要求1所述大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，其特征在于：在所述加载块与静载活塞杆之间设置钢球承压板，钢球承压板朝向加载块的一侧设置钢球保持架，在钢球保持架内设置钢球，钢球与加载块和静载活塞杆接触。

4.根据权利要求1所述大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，其特征在于：在所述静载活塞杆朝向静载缸筒的一侧设置销孔，在静载缸筒上连接防转销，防转销的端部插在静载活塞杆的销孔内。

5.根据权利要求1所述大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，其特征在于：在所述固定底座上通过移动小车驱动缸连接移动小车，在所述第一底座朝向环形框架的一侧连接推动缸。

6.根据权利要求1所述大吨位的岩体工程动力灾害模拟试验系统，其特征在于：所述拉杆的一端伸出第一底座后连接螺母，螺母与第一底座之间设置球面垫，拉杆的另一端伸出第二底座后连接液压螺母。