CN109765018B - 一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，包括：实验架、实验台、加载系统、分压装置，所述实验架由底座、侧护梁、顶梁以及前后挡板组成，所述底座和顶梁被侧护梁固定连接，所述底座上部和顶梁下部设有滑道，用于支撑和约束前后挡板，所述挡板下部设有两个定向轮，保证挡板沿滑道移动；所述实验台由固定实验台、移动实验台以及可控压力气囊组成，所述固定实验台固定于底座上，用于支撑试验对象，所述移动实验台可在底座上移动，并低于固定实验台，所述可控压力气囊放置于移动实验台上方，用于模拟变压力支撑体；试验对象与实验台、可控压力气囊、压盘、弹簧支撑板之间存在缓冲垫，防止对试验对象表面的加载损耗。

Description

一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置

技术领域

本发明涉及采动坚硬顶板断裂产生动力载荷的实验测试领域，尤其是一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置。

背景技术

靠近开采煤层存在多层厚层坚硬顶板，在采空区边缘易形成悬臂梁结构，相邻下区段工作面开采产生超前支承应力作用到悬臂梁结构上，当悬臂梁结构无法支撑采动附加支承应力时，其会发生瞬时断裂释放震动载荷，这种震动载荷会传递并作用到其下方的邻空巷道，诱导邻空巷道围岩发生瞬时大变形破坏，甚至冲击矿压等煤岩动力灾害，严重影响了井工安全开采；基于以上问题，如何确定采动附加支承应力作用下，悬臂梁结构断裂瞬间释放的震动载荷成为该领域工程技术人员急需解决的技术难题。

发明内容

本发明目的在于克服已有技术的不足之处，提供一种经济成本低、劳动强度小、操作简单的确定采动支承应力作用下悬臂梁顶板结构破断瞬间释放动力载荷的实验方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，包括：实验架、实验台、加载系统、分压装置，所述实验架由底座、侧护梁、顶梁、前挡板以及后挡板组成，所述底座和顶梁被侧护梁固定连接，所述底座上部和顶梁下部设有滑道，用于支撑和约束前挡板和后挡板，所述前挡板和后挡板下部分别设有两个定向轮，保证其沿滑道移动；所述实验台由固定实验台、移动实验台以及可控压力气囊组成，所述固定实验台固定于底座上，用于支撑试验对象，所述移动实验台可在底座上移动，并低于固定实验台，所述可控压力气囊放置于移动实验台上方，用于模拟变压力支撑体；所述加载系统由液压缸体、活柱、压盘组成，所述液压缸体固定于顶梁上，用于固定试验对象和施加载荷，所述压盘与活柱端部采用螺纹连接，根据试验对象的尺寸可更换压盘；所述分压系统由方形钢板、刚性弹簧、弹簧支撑板组成，所述方形钢板与其上方的压盘固定在一起，保证每组刚性弹簧位移相等，所述刚性弹簧的刚度可根据实际应力场调节，所述弹簧支撑板位于刚性弹簧的两端，上方与方形钢板接触，下方与缓冲垫接触；试验对象与固定实验台、移动实验台、可控压力气囊、压盘、弹簧支撑板之间存在缓冲垫，防止加载时试验对象表面的损耗。

优选的，所述实验架是一个开闭空间，由前挡板和后挡板控制开闭，前挡板和后挡板可通过销钉固定在侧护梁上。

优选的，所述固定试验台通过螺栓与底座固定在一起，所述移动试验台可在底座上方中央滑道内平移。

优选的，所述压盘与方形钢板采用螺栓固结在一起。

优选的，沿试验对象延伸方向上所述刚性弹簧的弹簧系数不同，用于模拟非均布应力场，其与弹簧支撑板之间采用螺钉和钢片固定连接，并可拆卸。

优选的，所述可控压力气囊配有压力控制阀，变形压缩过程中气压可保持恒定，可控压力气囊的数量根据移动试验台的尺寸确定。

一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，所述悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置的使用方法具体包括如下步骤：

S1：实验准备：根据试验对象的尺寸，选择并确定压盘、方形钢板、移动实验台；根据试验对象的受力环境，选择并确定刚性弹簧的数量和刚度系数以及可控压力气囊的数量和压力阈值。

S2：平台搭建：滑动后挡板封闭实验架的后面，并用销钉将后挡板固定在侧护梁上，同时，滑动前挡板打开实验架的前面；通过实验架的前面依次安装移动实验台、压盘、方形钢板；在固定实验台上平铺缓冲垫，并通过铲车将试验对象安放到固定实验台上，保持铲车支撑状态的同时，在试验对象上平铺缓冲垫，通过液压加载控制活柱的伸长，直到压盘与试验对象压紧为止，保持液压缸压力恒定的同时撤下铲车；将组装好的刚性弹簧和弹簧支撑板安放到试验对象上方，将可控压力气囊安放到移动实验台上方；随后滑动前挡板封闭实验架的前面，并用销钉将前挡板固定在侧护梁上。

S3：加载测试：通过液压加载控制活柱的伸长，直至方形钢板与弹簧支撑板紧密接触为止，记录此时活柱的伸长量；随后，以一定的速度缓慢增加液压缸内的油压，直至试验对象断裂破坏为止，记录此时的活柱伸长量并分析观察试验对象的断裂破坏特征，加载过程中采用声发射监测系统监测试验对象断裂瞬间的震动信号。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

（1）可重复性强、耗费时间短、经济成本低、环保性能好、操作简单；

（2）减少原位试验所需的设备费、人工费，缩短确定井下邻空巷道围岩面临动载作用区域的时间；

（3）采用上述技术方案可确定特定条件下不同悬臂梁结构的断裂动载效应，在本技术领域内具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的实验加载平台；

图2为所述实验装置的A-A剖面图；

图3为所述实验装置的B-B剖面图；

图4为所述实验装置的C-C剖面图。

图中：1-顶梁；2-侧护梁I；3-底座；4-侧护梁II；5-移动实验台；6-固定实验台；7-可控压力气囊；8-缓冲垫；9-试验对象；10-压盘I；11-活柱I；12-液压缸体I；13-刚性弹簧；14-弹簧支撑板；15-方向钢板；16-压盘II；17-活柱II；18-液压缸体II。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-4，本发明提供的一种技术方案：一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，包括：实验架、实验台、加载系统、分压装置，所述实验架由底座3、侧护梁I2、侧护梁II4、顶梁1前挡板20以及后挡板19组成，所述底座3和顶梁1被侧护梁I2和侧护梁II4固定连接，所述底座3上部和顶梁1下部设有滑道，用于支撑和约束前挡板20和后挡板19，所述前挡板20和后挡板19下部分别设有两个定向轮，保证其沿滑道移动；所述实验台由固定实验台6、移动实验台5以及可控压力气囊7组成，所述固定实验台6固定于底座上，用于支撑试验对象9，所述移动实验台5可在底座3上移动，并低于固定实验台6，所述可控压力气囊7放置于移动实验台5上方，用于模拟变压力支撑体；所述加载系统由液压缸体I12、活柱I11、液压缸体II18、活柱II17、压盘I10和压盘II16组成，所述液压缸体I12固定于顶梁上，用于固定试验对象9，液压缸体II18固定于顶梁上，用于施加载荷，所述压盘I10与活柱I11端部采用螺纹连接，压盘II16与活柱II17端部采用螺纹连接，根据试验对象9的尺寸可更换压盘；所述分压系统由方形钢板15、刚性弹簧13、弹簧支撑板14组成，所述方形钢板15与其上方的压盘II16固定在一起，保证每组刚性弹簧13位移相等，所述刚性弹簧13的刚度可根据实际应力场调节，所述弹簧支撑板14位于刚性弹簧13的两端，上方与方形钢板15接触，下方与缓冲垫8接触；试验对象9与固定实验台6、移动实验台5、可控压力气囊7、压盘I10、弹簧支撑板14之间存在缓冲垫8，防止加载时试验对象9表面的损耗。

其中，所述实验架是一个开闭空间，由前挡板20和后挡板19控制开闭，前挡板20和后挡板19可通过销钉固定在侧护梁2和侧护梁4上；所述固定试验台6通过螺栓与底座3固定在一起，所述移动试验台5可在底座3上方中央滑道内平移；所述压盘II16与方形钢板15采用螺栓固结在一起；沿试验对象9延伸方向上所述刚性弹簧13的弹簧系数不同，用于模拟非均布应力场，其与弹簧支撑板14之间采用螺钉和钢片固定连接，并可拆卸；所述可控压力气囊7配有压力控制阀，变形压缩过程中气压可保持恒定，可控压力气囊7的数量根据移动试验台5的尺寸确定。

一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，所述悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置的使用方法具体包括如下步骤：

S1：实验准备：根据试验对象9的尺寸，选择并确定压盘I10、压盘II16、方形钢板15、移动实验台5；根据试验对象9的受力环境，选择并确定刚性弹簧13的数量和刚度系数以及可控压力气囊7的数量和压力阈值。

S2：平台搭建：滑动后挡板19封闭实验架的后面，并用销钉将后挡板19固定在侧护梁2和侧护梁4上，同时，滑动前挡板20打开实验架的前面；通过实验架的前面依次安装移动实验台5、压盘I10、压盘II16、方形钢板15；在固定实验台6上平铺缓冲垫8，并通过铲车将试验对象9安放到固定实验台6上，保持铲车支撑状态的同时，在试验对象9上平铺缓冲垫8，通过液压加载控制活柱I11的伸长，直到压盘I10与试验对象9压紧为止，保持液压缸I12压力恒定的同时撤下铲车；将组装好的刚性弹簧13和弹簧支撑板14安放到试验对象9上方，将可控压力气囊7安放到移动实验台5上方；随后滑动前挡板20封闭实验架的前面，并用销钉将前挡板20固定在侧护梁2和侧护梁4上。

S3：加载测试：通过液压加载控制活柱II17的伸长，直至方形钢板15与弹簧支撑板14紧密接触为止，记录此时活柱II17的伸长量；随后，以一定的速度缓慢增加液压缸II18内的油压，直至试验对象9断裂破坏为止，记录此时的活柱II17伸长量并分析观察试验对象9的断裂破坏特征，加载过程中采用声发射监测系统监测试验对象9断裂瞬间的震动信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出更动或修饰等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，其特征在于：包括：实验架、实验台、加载系统、分压装置，所述实验架由底座、侧护梁、顶梁、前挡板以及后挡板组成，所述底座和顶梁被侧护梁固定连接，所述底座上部和顶梁下部设有滑道，用于支撑和约束前挡板和后挡板，所述前挡板和后挡板下部分别设有两个定向轮，保证其沿滑道移动；所述实验台由固定实验台、移动实验台以及可控压力气囊组成，所述固定实验台固定于底座上，用于支撑试验对象，所述移动实验台可在底座上移动，并低于固定实验台，所述可控压力气囊放置于移动实验台上方，用于模拟变压力支撑体；所述加载系统由液压缸体、活柱、压盘组成，所述液压缸体固定于顶梁上，用于固定试验对象和施加载荷，所述压盘与活柱端部采用螺纹连接，根据试验对象的尺寸可更换压盘；所述分压装置由方形钢板、刚性弹簧、弹簧支撑板组成，所述方形钢板与其上方的压盘固定在一起，保证每组刚性弹簧位移相等，所述刚性弹簧的刚度可根据实际应力场调节，所述弹簧支撑板位于刚性弹簧的两端，上方与方形钢板接触，下方与缓冲垫接触；试验对象与固定实验台、移动实验台、可控压力气囊、压盘、弹簧支撑板之间存在缓冲垫，防止加载时试验对象表面的损耗。

2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，其特征在于：所述实验架是一个开闭空间，由前挡板和后挡板控制开闭，前挡板和后挡板可通过销钉固定在侧护梁上。

3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，其特征在于：所述固定实验台通过螺栓与底座固定在一起，所述移动实验台可在底座上方中央滑道内平移。

4.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，其特征在于：所述压盘与方形钢板采用螺栓固结在一起。

5.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，其特征在于：沿试验对象延伸方向上所述刚性弹簧的弹簧系数不同，用于模拟非均布应力场，其与弹簧支撑板之间采用螺钉和钢片固定连接，并可拆卸。

6.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，其特征在于：所述可控压力气囊配有压力控制阀，变形压缩过程中气压可保持恒定，可控压力气囊的数量根据移动试验台的尺寸确定。

7.根据权利要求1所述的一种悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置，其特征在于：所述悬臂梁结构断裂瞬间释放动载的实验装置的使用方法具体包括如下步骤：

S1：实验准备：根据试验对象的尺寸，选择并确定压盘、方形钢板、移动实验台；根据试验对象的受力环境，选择并确定刚性弹簧的数量和刚度系数以及可控压力气囊的数量和压力阈值；

S2：平台搭建：滑动后挡板封闭实验架的后面，并用销钉将后挡板固定在侧护梁上，同时，滑动前挡板打开实验架的前面；通过实验架的前面依次安装移动实验台、压盘、方形钢板；在固定实验台上平铺缓冲垫，并通过铲车将试验对象安放到固定实验台上，保持铲车支撑状态的同时，在试验对象上平铺缓冲垫，通过液压加载控制活柱的伸长，直到压盘与试验对象压紧为止，保持液压缸压力恒定的同时撤下铲车；将组装好的刚性弹簧和弹簧支撑板安放到试验对象上方，将可控压力气囊安放到移动实验台上方；随后滑动前挡板封闭实验架的前面，并用销钉将前挡板固定在侧护梁上；

S3：加载测试：通过液压加载控制活柱的伸长，直至方形钢板与弹簧支撑板紧密接触为止，记录此时活柱的伸长量；随后，以一定的速度缓慢增加液压缸内的油压，直至试验对象断裂破坏为止，记录此时的活柱伸长量并分析观察试验对象的断裂破坏特征，加载过程中采用声发射监测系统监测试验对象断裂瞬间的震动信号。

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