CN109272830A - 一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器 - Google Patents
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Abstract
一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，包括压头转接板、微动芯体、芯体外套、模型试样压板及减摩滚珠；微动芯体位于芯体外套内，微动芯体一端延伸至芯体外套外侧，微动芯体外伸端与压头转接板相固连，减摩滚珠安装在微动芯体另一端且可自由转动，模型试样压板固装在芯体外套上，减摩滚珠位于微动芯体与模型试样压板之间；在减摩滚珠侧方设有复位弹簧，复位弹簧位于微动芯体的弹簧安装槽内，复位弹簧外端连接有支撑杆，支撑杆外端设有可自由转动的随动滚珠，随动滚珠在复位弹簧的弹簧力作用下与模型试样压板顶靠接触。本发明可在模型试样与作动器压头之间建立起滚动摩擦减摩层，有效保证了模型试样与作动器压头之间的减摩效果。
Description
技术领域
本发明属于大型三维物理模型试验技术领域，特别是涉及一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器。
背景技术
目前，深部矿体开采过程中涉及的工程岩体尺度都是“千米”级的，工程岩体的局部破坏尺度也达到“米”级，但传统的室内岩体力学试验中采用的岩石试样都是“厘米”级的，岩石试样的破坏尺度仅为“毫米”级，因此，传统的室内岩体力学试验难以真实揭示现场原位的工程地质破坏现象，也难以精准的预测施工过程中潜在的工程灾害。为了克服传统室内岩体力学试验的不足，技术人员建立了“米”级尺度的大型三维物理模型试验系统，可以更好的为深部岩体力学的发展提供理论支撑。
利用大型三维物理模型试验系统对模型试样进行加载时，模型试样必然会产生变形，在模型试样变形过程中，在模型试样与作动器压头的接触面上将产生摩擦阻力，该摩擦阻力则会对模型试样的变形产生约束，进而导致模型试样内部受力产生不均匀性，从而使试验结果的可靠性降低。
为此，必须要在模型试样与作动器压头之间进行减摩处理，现阶段采用的减摩手段是通过在模型试样与作动器压头之间增设聚四氟乙烯薄膜实现的，而聚四氟乙烯薄膜在传统的室内岩体力学试验中起到的减摩效果尚可，但在大型三维物理模型试验中聚四氟乙烯薄膜的减摩效果严重下降，主要原因是模型试样的尺度达到了“米”级，导致模型试样与作动器压头之间的接触面积也由传统的“厘米”级升高到“米”级，而在“米”级尺度下的聚四氟乙烯薄膜的减摩效果也就变得越来越差。
由于减摩效果变差，通过大型三维物理模型试验所取得的试验结果的可靠性也随之降低，因此，为了保证大型三维物理模型试验结果的可靠性，亟需寻找一种全新的减摩手段。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，摒弃了传统滑动摩擦的减摩方式，可在模型试样与作动器压头之间建立起滚动摩擦减摩层，有效保证了在“米”级尺度下的模型试样与作动器压头之间的减摩效果，进而保证了大型三维物理模型试验结果的可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，包括压头转接板、微动芯体、芯体外套、模型试样压板及减摩滚珠；所述微动芯体位于芯体外套内，微动芯体一端延伸至芯体外套外侧，且微动芯体的外伸端与压头转接板相固连，所述减摩滚珠安装在微动芯体另一端；所述模型试样压板固装在芯体外套上，所述减摩滚珠位于微动芯体与模型试样压板之间。
所述芯体外套的内腔设为两级式内腔，第一级内腔为圆柱形，第二级内腔为圆锥形，且第二级内腔的大径端与第一级内腔相接；所述微动芯体采用三级式柱体结构，第一级柱体为圆柱形结构，第二级柱体为圆锥形结构，第三级柱体为圆柱形结构，第二级柱体的大径端与第一级柱体相接，第二级柱体的小径端与第三级柱体相接；所述第一级内腔的直径大于第一级柱体的直径，第二级内腔的锥度与第二级柱体的锥度相等，第二级内腔的小径端直径大于第三级柱体的直径；在所述第一级柱体的端部开设有减摩滚珠安装槽，所述减摩滚珠位于减摩滚珠安装槽内，减摩滚珠在减摩滚珠安装槽内可自由转动；所述压头转接板与第三级柱体相固连。
在所述减摩滚珠安装槽侧方的第一级柱体上开设有复位弹簧安装槽，在复位弹簧安装槽内安装有复位弹簧，在复位弹簧的外端连接有支撑杆，在支撑杆的外端设有随动滚珠安装槽，在随动滚珠安装槽内安装有随动滚珠，随动滚珠在随动滚珠安装槽内可自由转动，随动滚珠在复位弹簧的弹簧力作用下与模型试样压板顶靠接触。
本发明的有益效果：
本发明的适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，摒弃了传统滑动摩擦的减摩方式，可在模型试样与作动器压头之间建立起滚动摩擦减摩层，有效保证了在“米”级尺度下的模型试样与作动器压头之间的减摩效果，进而保证了大型三维物理模型试验结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器(未加载状态)结构示意图；
图2为本发明的一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器(已加载状态)结构示意图；
图3为安装有本发明的滚动摩擦减摩器的作动器结构示意图；
图中，1—压头转接板，2—微动芯体，3—芯体外套，4—模型试样压板，5—减摩滚珠，6—第一级内腔，7—第二级内腔，8—第一级柱体，9—第二级柱体，10—第三级柱体，11—减摩滚珠安装槽，12—复位弹簧安装槽，13—复位弹簧，14—支撑杆，15—随动滚珠安装槽，16—随动滚珠，17—滚动摩擦减摩器，18—作动器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，包括压头转接板1、微动芯体2、芯体外套3、模型试样压板4及减摩滚珠5；所述微动芯体2位于芯体外套3内，微动芯体2一端延伸至芯体外套3外侧，且微动芯体2的外伸端与压头转接板1相固连，所述减摩滚珠5安装在微动芯体2另一端；所述模型试样压板4固装在芯体外套3上，所述减摩滚珠5位于微动芯体2与模型试样压板4之间。
所述芯体外套3的内腔设为两级式内腔，第一级内腔6为圆柱形，第二级内腔7为圆锥形，且第二级内腔7的大径端与第一级内腔6相接；所述微动芯体2采用三级式柱体结构，第一级柱体8为圆柱形结构，第二级柱体9为圆锥形结构，第三级柱体10为圆柱形结构，第二级柱体9的大径端与第一级柱体8相接，第二级柱体9的小径端与第三级柱体10相接；所述第一级内腔6的直径大于第一级柱体8的直径，第二级内腔7的锥度与第二级柱体9的锥度相等，第二级内腔7的小径端直径大于第三级柱体10的直径；在所述第一级柱体8的端部开设有减摩滚珠安装槽11，所述减摩滚珠5位于减摩滚珠安装槽11内，减摩滚珠5在减摩滚珠安装槽11内可自由转动；所述压头转接板1与第三级柱体10相固连。
在所述减摩滚珠安装槽11侧方的第一级柱体8上开设有复位弹簧安装槽12，在复位弹簧安装槽12内安装有复位弹簧13，在复位弹簧13的外端连接有支撑杆14，在支撑杆14的外端设有随动滚珠安装槽15，在随动滚珠安装槽15内安装有随动滚珠16，随动滚珠16在随动滚珠安装槽15内可自由转动，随动滚珠16在复位弹簧13的弹簧力作用下与模型试样压板4顶靠接触。
下面结合附图说明本发明的使用过程：
本实施例中，在大型三维物理模型试验系统中，大主应力方向上的作动器组由16个(4×4分布)独立的作动器组成，中主应力和小主应力方向上的作动器组均由12个(3×4分布)独立的作动器组成，每个独立的作动器18均按4个滚动摩擦减摩器17进行配置，如图3所示。
在加载前，微动芯体2的第二级柱体9锥面在复位弹簧13作用下与芯体外套3的第二级内腔7锥面顶靠接触在一起，微动芯体2相对于芯体外套3的径向移动自由度被限定。
在加载时，复位弹簧13被压缩，微动芯体2的第二级柱体9锥面与芯体外套3的第二级内腔7锥面脱离接触，使微动芯体2与芯体外套3之间产生径向间隙，在模型试样变形过程中，模型试样压板4及芯体外套3会随着模型试样的变形进行微量移动，微动芯体2则通过减摩滚珠5与模型试样压板4之间实现滚动减摩，从而使作动器压头与模型试样之间的摩擦阻力达到标准要求，减弱摩擦阻力对模型试样变形产生约束，保证模型试样内部受力的均匀性，从而提高试验结果的可靠性。
当加载结束后，卸去加载力，微动芯体2的第二级柱体9锥面会在复位弹簧13作用下重新与芯体外套3的第二级内腔7锥面顶靠接触在一起，滚动摩擦减摩器17恢复到初始状态。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (3)
1.一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，其特征在于：包括压头转接板、微动芯体、芯体外套、模型试样压板及减摩滚珠；所述微动芯体位于芯体外套内，微动芯体一端延伸至芯体外套外侧，且微动芯体的外伸端与压头转接板相固连，所述减摩滚珠安装在微动芯体另一端；所述模型试样压板固装在芯体外套上，所述减摩滚珠位于微动芯体与模型试样压板之间。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，其特征在于：所述芯体外套的内腔设为两级式内腔，第一级内腔为圆柱形，第二级内腔为圆锥形，且第二级内腔的大径端与第一级内腔相接；所述微动芯体采用三级式柱体结构，第一级柱体为圆柱形结构，第二级柱体为圆锥形结构，第三级柱体为圆柱形结构，第二级柱体的大径端与第一级柱体相接，第二级柱体的小径端与第三级柱体相接；所述第一级内腔的直径大于第一级柱体的直径，第二级内腔的锥度与第二级柱体的锥度相等，第二级内腔的小径端直径大于第三级柱体的直径；在所述第一级柱体的端部开设有减摩滚珠安装槽，所述减摩滚珠位于减摩滚珠安装槽内，减摩滚珠在减摩滚珠安装槽内可自由转动；所述压头转接板与第三级柱体相固连。
3.根据权利要求2所述的一种适用于大型三维物理模型试验的滚动摩擦减摩器，其特征在于：在所述减摩滚珠安装槽侧方的第一级柱体上开设有复位弹簧安装槽，在复位弹簧安装槽内安装有复位弹簧，在复位弹簧的外端连接有支撑杆，在支撑杆的外端设有随动滚珠安装槽，在随动滚珠安装槽内安装有随动滚珠，随动滚珠在随动滚珠安装槽内可自由转动，随动滚珠在复位弹簧的弹簧力作用下与模型试样压板顶靠接触。
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